Déterminant et systèmes linéaires

Sujet 44 - Exercice 2

1 h
90
On considère les quatre nombres réels aa, bb, cc et mm. On désigne par (S)(S) le système linéaire, dont les inconnues sont les réels xx, yy et zz, suivant :
{xy+2z=amx+my2z=bxmy+2z=c\left\lbrace \begin{array}{rcl} x - y + 2z & = & a \\ mx + my - 2z & = & b \\ x - my + 2z & = & c \end{array} \right.
Question 1

Discuter et résoudre le système linéaire (S)(S).

Correction
Ecrivons le système linéaire (S)(S) sous la forme matricielle suivante :
(112mm21m2)×(xyz)=(abc)A×X=B\begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 \\ m & m & -2 \\ 1 & -m & 2 \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, A \times X = B
Le déterminant de la matrice AA s'exprime comme :
detA=det(112mm21m2)\det A = \det \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 \\ m & m & -2 \\ 1 & -m & 2 \end{pmatrix}
Effectuons les deux substitutions suivantes : L2L2+L1L_2 \longleftarrow L_2 + L_1 et L3L3L1L_3 \longleftarrow L_3 - L_1. On obtient alors :
detA=det(112m+1m100m+10)=(1)1+3×2×det(m+1m10(m1))=1×2×(m+1)×((m1))\det A = \det \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 \\ m+1 & m-1 & 0 \\ 0 & -m+1 & 0 \end{pmatrix} =(-1)^{1+3}\times 2 \times \det \begin{pmatrix} m+1 & m-1 \\ 0 & -(m-1) \end{pmatrix} = 1 \times 2 \times (m+1) \times (-(m-1))
Finalement :
detA=2(m+1)(m1)=2(m21)=2(1m2)\det A = -2(m+1)(m-1) = -2(m^2-1) = 2(1-m^2)
On constate alors que :
detA=0m=±1\det A = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, m = \pm 1
Premiercas:detA0{{\color{red}{\bf{\bullet \,\, Premier \,\, cas \, : \,\,}} \det A \neq 0 }}
Cette situation signifie que m1m \neq 1 et m1m \neq -1.
Dans ce cas le système linéaire (S)(S) est de CramerCramer. On a alors :
x=detdet(a12bm2cm2)detA=2(b+c)(m1)2(m+1)(m1)=b+cm+1x = \dfrac{\det \det \begin{pmatrix} a & -1 & 2 \\ b & m & -2 \\ c & -m & 2 \end{pmatrix} }{\det A} = \dfrac{-2(b+c)(m-1) }{-2(m+1)(m-1)} = \dfrac{b+c}{m+1}
Puis :
y=det(1a2mb21c2)detA=2(m+1)(ac)2(m+1)(m1)=acm1y = \dfrac{\det \begin{pmatrix} 1 & a & 2 \\ m & b & -2 \\ 1 & c & 2 \end{pmatrix} }{\det A} = \dfrac{-2(m+1)(a-c) }{-2(m+1)(m-1)} = \dfrac{a-c}{m-1}
Enfin :
z=det(11ammb1mc)detA=b(m1)m(am+a2c)2(m+1)(m1)=am2+(a+b+2c)mb2(1m2)z = \dfrac{\det \begin{pmatrix} 1 & -1 & a \\ m & m & b \\ 1 & -m & c \end{pmatrix} }{\det A} = \dfrac{b(m-1)-m(am + a - 2c) }{-2(m+1)(m-1)} = \dfrac{-am^2 + (-a+b+2c)m - b}{2(1-m^2)}
En conclusion sur cette situation :
Sim±1alorslasolutiondusysteˋmelineˊaire(S)estdonneˊepar:{\color{blue}{\blacksquare \,\, Si \,\, m \neq \pm 1 \,\, alors \,\, la \,\, solution \,\, du \,\, système \,\, linéaire \,\, (S) \,\, est \,\, donnée \,\, par \, :}}
x=b+cm+1;y=acm1;z=am2+(a+b+2c)mb2(1m2){\color{blue}{x = \dfrac{b+c}{m+1} \,\, ; \,\, y = \dfrac{a-c}{m-1} \,\, ; \,\, z = \dfrac{-am^2 + (-a+b+2c)m - b}{2(1-m^2)}}}
Deuxieˋmecas:detA=0carm=1{{\color{red}{\bf{\bullet \bullet \,\, Deuxième \,\, cas \, : \,\,}} \det A = 0 \,\, {\bf{car}} \,\, m=1}}
Nous allons traiter cette situation par l'écriture pratique de la "matrice augmentée". On a alors, lorsque m=1m=1 le système suivant :
{xy+2z=ax+y2z=bxy+2z=c(A1B)=(112a112b112c)\left\lbrace \begin{array}{rcl} x - y + 2z & = & a \\ x + y - 2z & = & b \\ x - y + 2z & = & c \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, (A_1|B) = \left( \begin{array}{rrr|c} 1 & -1 & 2 & a \\ 1 & 1 & -2 & b \\ 1 & -1 & 2 & c \end{array} \right)
Effectuons les deux substitutions suivantes : L2L2L1L_2 \longleftarrow L_2 - L_1 et L3L3L1L_3 \longleftarrow L_3 - L_1. On obtient alors :
(A1B)=(112a024ba000ca)(A_1|B) = \left( \begin{array}{rrr|c} 1 & -1 & 2 & a \\ 0 & 2 & -4 & b-a \\ 0 & 0 & 0 & c-a \end{array} \right)
La dernière ligne se traduit par 0x+0y+0z=ca0x + 0y + 0z = c-a soit a=ca=c. Donc on a le système suivant :
{xy+2z=a2y4z=ba{2x2y+4z=2a2y4z=ba\left\lbrace \begin{array}{rcl} x - y + 2z & = & a \\ 2y - 4z & = & b-a \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 2x - 2y + 4z & = & 2a \\ 2y - 4z & = & b-a \end{array} \right.
La somme de ces deux lignes nous donne immédiatement 2x=a+b2x =a+b soit x=a+b2x = \dfrac{a+b}{2}. Puis, on en déduit que :
xy+2z=axa+2z=ya+b2a+2z=ya+b22a2+2z=yx - y + 2z = a \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, x - a + 2z = y \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{a+b}{2} - a + 2z = y \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{a+b}{2} - \dfrac{2a}{2} + 2z = y
Soit y=ba2+2zy = \dfrac{b-a}{2} + 2z.
Sim=1alorslessolutionsdusysteˋmelineˊaire(S)sontdonneˊespar:{\color{blue}{\blacksquare \blacksquare \,\, Si \,\, m = 1 \,\, alors \,\, les \,\, solutions \,\, du \,\, système \,\, linéaire \,\, (S) \,\, sont \,\, données \,\, par \, :}}
x=a+b2;y=ba2+2z;zRaveclaconditiona=c.{\color{blue}{x = \dfrac{a+b}{2} \,\, ; \,\, y = \dfrac{b-a}{2} + 2z \,\, ; \,\, z \in \mathbb{R} \,\,\,\, avec \,\, la \,\, condition \,\, a=c.}}
Troisieˋmecas:detA=0carm=1{{\color{red}{\bf{\bullet \bullet \bullet\,\, Troisième \,\, cas \, : \,\,}} \det A = 0 \,\, {\bf{car}} \,\, m=-1}}
Nous allons traiter cette situation par l'écriture pratique de la "matrice augmentée". On a alors, lorsque m=1m=-1 le système suivant :
{xy+2z=axy2z=bx+y+2z=c(A1B)=(112a112b112c)\left\lbrace \begin{array}{rcl} x - y + 2z & = & a \\ -x - y - 2z & = & b \\ x + y + 2z & = & c \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, (A_{-1}|B) = \left( \begin{array}{rrr|c} 1 & -1 & 2 & a \\ -1 & -1 & -2 & b \\ 1 & 1 & 2 & c \end{array} \right)
Effectuons la deux substitutions suivantes : L2L2L_2 \longleftarrow -L_2. On trouve que :
(A1B)=(112a112b112c)(A_{-1}|B) = \left( \begin{array}{rrr|c} 1 & -1 & 2 & a \\ 1 & 1 & 2 & -b \\ 1 & 1 & 2 & c \end{array} \right)
Effectuons maintenant la substitution suivante : L3L3L2L_3 \longleftarrow L_3 - L_2. On obtient alors :
(A1B)=(112a112b000b+c)(A_{-1}|B) = \left( \begin{array}{rrr|c} 1 & -1 & 2 & a \\ 1 & 1 & 2 & -b \\ 0 & 0 & 0 & b+c \end{array} \right)
La dernière ligne se traduit par 0x+0y+0z=b+c0x + 0y + 0z = b+c soit b=cb=-c. Donc on a le système suivant :
{xy+2z=ax+y+2z=b{x+y2z=ax+y+2z=b\left\lbrace \begin{array}{rcl} x - y + 2z & = & a \\ x + y + 2z & = & -b \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} -x + y - 2z & = & -a \\ x + y + 2z & = & -b \end{array} \right.
La somme de ces deux lignes nous donne immédiatement 2y=ab=(a+b)2y = -a-b=-(a+b) soit y=a+b2y = -\dfrac{a+b}{2}. Puis, on en déduit que :
xy+2z=ax=a+y2zx=aa+b22zx=2a2a+b22zx - y + 2z = a \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, x = a + y - 2z \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, x = a - \dfrac{a+b}{2} - 2z \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, x = \dfrac{2a}{2} - \dfrac{a+b}{2} - 2z
Soit x=ab22zx = \dfrac{a-b}{2} - 2z.
Sim=1alorslessolutionsdusysteˋmelineˊaire(S)sontdonneˊespar:{\color{blue}{\blacksquare \blacksquare \blacksquare \,\, Si \,\, m = -1 \,\, alors \,\, les \,\, solutions \,\, du \,\, système \,\, linéaire \,\, (S) \,\, sont \,\, données \,\, par \, :}}
x=ab22z;y=a+b2;zRaveclaconditionb=c.{\color{blue}{x = \dfrac{a-b}{2} - 2z \,\, ; \,\, y = -\dfrac{a+b}{2} \,\, ; \,\, z \in \mathbb{R} \,\,\,\, avec \,\, la \,\, condition \,\, b=-c.}}