Déterminant et systèmes linéaires

Méthode de Cramer : systèmes linéaires 3×33\times 3 - Exercice 3

35 min
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Soient aa et bb deux nombres réels donnés.
On considère le système linéaire (S)(S), d'inconnues xx, yy et zz, suivant :
{ax+by+2z=1ax+(2b1)y+3z=1ax+by+(b+3)z=2b1\left\lbrace \begin{array}{rcl} ax + by + 2z & = & 1 \\ ax + (2b-1)y + 3z & = & 1 \\ ax + by + (b+3)z & = & 2b-1 \end{array} \right.
On note également ce système linéaire (S)(S) sous la forme matricielle suivant AX=BA X = B.
Question 1

Déterminer l'expression de la matrice AA qui est associée au système linéaire (S)(S).

Correction
On a :
A=(ab2a2b13abb+3)A = \begin{pmatrix} a & b & 2 \\ a & 2b-1 & 3 \\ a & b & b+3 \end{pmatrix}

Question 2

Déterminer l'expression de detA\det A.

Correction
On a :
detA=det(ab2a2b13abb+3)\det A = \det \begin{pmatrix} a & b & 2 \\ a & 2b-1 & 3 \\ a & b & b+3 \end{pmatrix}
Effectuons les transformations suivantes : L2L2L1L_2 \longleftarrow L_2 - L_1 et L3L3L1L_3 \longleftarrow L_3 - L_1. On obtient alors :
detA=det(ab20b1100b+1)\det A = \det \begin{pmatrix} a & b & 2 \\ 0 & b-1 & 1 \\ 0 & 0 & b+1 \end{pmatrix}
On va maintenant développer ce déterminant suivant la troisième ligne qui ne présente qu'un seul élément non nul b1b-1 qui se situe à la croisée de la troisième ligne et de la troisième colonne. On a alors :
detA=(1)3+3(b+1)ab0b1=1(b+1)ab0b1=(b+1)ab0b1\det A = (-1)^{3+3}(b+1) \begin{vmatrix} a & b \\ 0 & b-1 \end{vmatrix} = 1(b+1) \begin{vmatrix} a & b \\ 0 & b-1 \end{vmatrix} = (b+1) \begin{vmatrix} a & b \\ 0 & b-1 \end{vmatrix}
Ce qui nous donne :
detA=(b+1)(a×(b1)0×b)=(b+1)(a(b1)0)\det A = (b+1) (a \times (b-1) - 0 \times b) = (b+1) (a(b-1) - 0 )
Finalement, on trouve que :
detA=a(b+1)(b1)\det A = a(b+1)(b-1)

Question 3

Dans le cas ou le système linéaire (S)(S) est de CramerCramer, déterminer les solutions de (S)(S).

Correction
Le système linéaire (S)(S) est de CramerCramer si detA0\det A \neq 0. Donc :
detA0a(b+1)(b1)0a(b(1))(b1)0\det A \neq 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, a(b+1)(b-1) \neq 0\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, a(b-(-1))(b-1) \neq 0
En conclusion, le système linéaire (S)(S) est toujours de CramerCramer à l'exception des trois situations correspondantes à a=0a=0, ou b=1b=-1 ou enfin b=1b=1.
Donc supposons exclure les trois situations correspondantes à a=0a=0, ou b=1b=-1 ou enfin b=1b=1. Dans ce cas on peut écrire que :
x=det(1b212b132b1bb+3)detA=b2+6b5a(b+1)(b1)=(b5)(b1)a(b+1)(b1)x = \dfrac{\det \begin{pmatrix} 1 & b & 2 \\ 1 & 2b-1 & 3 \\ 2b-1 & b & b+3 \end{pmatrix}}{\det A} = \dfrac{−b^2+6b−5}{a(b+1)(b-1)} = \dfrac{−(b−5)(b-1)}{a(b+1)(b-1)}
Comme b1b \neq 1 on a b10b-1 \neq 0 et de fait on peut simplifier par b1b-1 pour obtenir :
x=(b5)a(b+1)x = \dfrac{-(b−5)}{a(b+1)}
Finalement :
x=5ba(b+1)x = \dfrac{5-b}{a(b+1)}
Puis, on a :
y=det(a12a13a2b1b+3)detA=2a2aba(b+1)(b1)=2a(b1)a(b+1)(b1)y = \dfrac{\det \begin{pmatrix} a & 1 & 2 \\ a & 1 & 3 \\ a & 2b-1 & b+3 \end{pmatrix}}{\det A} = \dfrac{2a-2ab}{a(b+1)(b-1)} = \dfrac{−2a(b-1)}{a(b+1)(b-1)}
Comme b1b \neq 1 on a b10b-1 \neq 0 et de fait on peut simplifier par b1b-1 pour obtenir :
y=2aa(b+1)y = \dfrac{-2a}{a(b+1)}
Comme a0a \neq 0 on peut simplifier par aa pour finalement obtenir :
y=2b+1y = -\dfrac{2}{b+1}
Enfin on a :
z=det(ab1a2b11ab2b1)detA=2ab24ab+2a2a(b22b+1)=2a(b1)2a(b+1)(b1)=2a(b1)(b1)a(b+1)(b1)z = \dfrac{\det \begin{pmatrix} a & b & 1 \\ a & 2b-1 & 1 \\ a & b & 2b-1 \end{pmatrix}}{\det A} = \dfrac{2ab^2-4ab+2a}{2a(b^2-2b+1)} = \dfrac{2a(b-1)^2}{a(b+1)(b-1)} = \dfrac{2a(b-1)(b-1)}{a(b+1)(b-1)}
Comme b1b \neq 1 on a b10b-1 \neq 0 et de fait on peut simplifier par b1b-1 pour obtenir :
z=2a(b1)a(b+1)z = \dfrac{2a(b-1)}{a(b+1)}
Comme a0a \neq 0 on peut simplifier par aa pour finalement obtenir :
z=2(b1)b+1z = \dfrac{2(b-1)}{b+1}
En conclusion, si le système linéaire (S)(S) est de CramerCramer alors la solution recherchée est :
{x=5ba(b+1)y=2b+1z=2(b1)b+1\left\lbrace \begin{array}{rcl} x & = & {\color{green}{\dfrac{5-b}{a(b+1)}}} \\ \\ y & = & {\color{green}{-\dfrac{2}{b+1}}} \\ \\ z & = & {\color{green}{\dfrac{2(b-1)}{b+1}}} \end{array} \right.

Question 4

Dans le cas ou le système linéaire (S)(S) n'est pas de CramerCramer, déterminer les solutions de (S)(S).

Correction
Sia=0alors:{\color{red}{\bullet \,\, Si \,\, a = 0 \,\, alors \, :}}
on a le système linéaire (S)(S), d'inconnues xx, yy et zz, qui devient :
{by+2z=1(2b1)y+3z=1by+(b+3)z=2b1\left\lbrace \begin{array}{rcl} by + 2z & = & 1 \\ (2b-1)y + 3z & = & 1 \\ by + (b+3)z & = & 2b-1 \end{array} \right.
Ainsi la matrice associée à ce système devient :
A=(0b202b130bb+3)A = \begin{pmatrix} 0 & {\color{blue}{b}} & {\color{blue}{2}} \\ 0 & {\color{blue}{2b-1}} & {\color{blue}{3}} \\ 0 & b & b+3 \end{pmatrix}
On remarque alors que la matrice A{\color{blue}{A'}} définie par A=(b22b13){\color{blue}{A'}} = \begin{pmatrix} {\color{blue}{b}} & {\color{blue}{2}} \\ {\color{blue}{2b-1}} & {\color{blue}{3}} \end{pmatrix} à un déterminant non nul car detA=2b\det {\color{blue}{A'}} = 2 - b. Cette matrice A{\color{blue}{A'}} est associée au système linéaire (S)(S') suivant :
{by+2z=1(2b1)y+3z=1\left\lbrace \begin{array}{rcl} by + 2z & = & 1 \\ (2b-1)y + 3z & = & 1 \\ \end{array} \right.
Ce système système linéaire (S)(S') est de CramerCramer à la condition supplémentaire que detA0\det {\color{blue}{A'}} \neq 0 soit b2b \neq 2. Donc on a :
y=det(1213)detA=12by = \dfrac{\det \begin{pmatrix} 1 & {\color{blue}{2}} \\ 1 & {\color{blue}{3}} \end{pmatrix}}{\det {\color{blue}{A'}} } = \dfrac{1}{2-b}
Puis :
z=det(b12b11)detA=1b2bz = \dfrac{\det \begin{pmatrix} {\color{blue}{b}} & 1 \\ {\color{blue}{2b-1}} & 1 \end{pmatrix}}{\det {\color{blue}{A'}} } = \dfrac{1-b}{2-b}
Ces valeurs de yy et zz trouvées doivent également permettre de satisfaire à la troisième égalité du système linéaire (S)(S), à savoir :
by+(b+3)z=2b1b12b+(b+3)1b2b=2b1b+(b+3)(1b)=(2b1)(2b)by + (b+3)z = 2b-1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, b\dfrac{1}{2-b} + (b+3)\dfrac{1-b}{2-b} = 2b-1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, b + (b+3)(1-b) = (2b-1)(2-b)
En développant :
b+bb2+33b=4b2b22+bb2b+3=2b2+5b2b26b+5=0b + b - b^2 + 3 - 3b = 4b - 2b^2 - 2 + b \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -b^2 - b + 3 = -2b^2 + 5b - 2 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, b^2 - 6b + 5 = 0
En faisant usage de la technique du discriminant, on solutionne sans difficulté les deux solutions réelles distinctes de bb. On trouve que b=1b = 1 ou b=5b = 5.
En conclusion :
Sia=0etb=1alorslessolutionsdusysteˋmelineˊaire(S)sontxR;y=1;z=0{\color{blue}{\blacksquare \,\, Si \,\, a=0 \,\, et \,\, b = 1 \,\, alors \,\, les \,\, solutions \,\, du \,\, système \,\, linéaire \,\, (S) \,\, sont \,\, x \in \mathbb{R} \,;\, y = 1 \,;\, z = 0}}
Sia=0etb=5alorslessolutionsdusysteˋmelineˊaire(S)sontxR;y=13;z=43{\color{blue}{\blacksquare \blacksquare \,\, Si \,\, a=0 \,\, et \,\, b = 5 \,\, alors \,\, les \,\, solutions \,\, du \,\, système \,\, linéaire \,\, (S) \,\, sont \,\, x \in \mathbb{R} \,;\, y = -\dfrac{1}{3} \,;\, z = \dfrac{4}{3}}}
Sia=0etb1oub5alorslesysteˋmelineˊaire(S)napasdesolution.{\color{blue}{\blacksquare \blacksquare \blacksquare \,\, Si \,\, a=0 \,\, et \,\, b \neq 1 \,\, ou \,\, b \neq 5 \,\, alors \,\, le \,\, système \,\, linéaire \,\, (S) \,\, n'a \,\, pas \,\, de \,\, solution.}}
Sia0etb=1alors:{\color{red}{\bullet \bullet \,\, Si \,\, a \neq 0 \,\, et \,\, b = -1 \,\, alors \, :}}
on a le système linéaire (S)(S), d'inconnues xx, yy et zz, qui devient :
{axy+2z=1ax3y+3z=1axy+2z=3\left\lbrace \begin{array}{rcl} ax - y + 2z & = & 1 \\ ax - 3y + 3z & = & 1 \\ ax - y + 2z & = & -3 \end{array} \right.
On constate de suite que la première ligne et la troisième ligne, du système précédent, sont incompatibles entre elles car conduisant à l'absurdité 1=31=-3. En conclusion, on peut dire que :
Sia0etb=1alorslesysteˋmelineˊaire(S)napasdesolution.{\color{blue}{\blacksquare \,\, Si \,\, a \neq 0 \,\, et \,\, b = -1 \,\, alors \,\, le \,\, système \,\, linéaire \,\, (S) \,\, n'a \,\, pas \,\, de \,\, solution.}}
Sia0etb=1alors:{\color{red}{\bullet \bullet \bullet \,\, Si \,\, a \neq 0 \,\, et \,\, b = 1 \,\, alors \, :}}
on a le système linéaire (S)(S), d'inconnues xx, yy et zz, qui devient :
{ax+y+2z=1ax+y+3z=1ax+y+4z=1\left\lbrace \begin{array}{rcl} ax + y + 2z & = & 1 \\ ax + y + 3z & = & 1 \\ ax + y + 4z & = & 1 \end{array} \right.
En effectuant l'opération L2L1L_2 - L_1 on trouve immédiatement que z=0z = 0. Ceci nous permet d'ontenir l'égalité suivante :
ax+y=1y=1axax + y = 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, y = 1 -ax
Finalement, dans cette situation, on peut donc conclure que :
Sia0etb=1alorslessolutionsdusysteˋmelineˊaire(S)sontxR;y=1ax;z=0.{\color{blue}{\blacksquare \,\, Si \,\, a \neq 0 \,\, et \,\, b = 1 \,\, alors \,\, les \,\, solutions \,\, du \,\, système \,\, linéaire \,\, (S) \,\, sont \,\, x \in \mathbb{R} \,;\, y = 1 - ax \,;\, z = 0}}.