Utiliser l’inverse d’une matrice pour résoudre un système linéaire AX=B⟺X=A−1BAX=B\Longleftrightarrow X=A^{-1}B - Exercice 1

10 min
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Question 1

Résoudre, dans R3\mathbb{R}^3, le système : {x−y=1x+2y+z=2x+y=3\left\{ \begin{array}{ccc}x-y & = & 1 \\ x+2y+z & = & 2 \\ x+y & = & 3 \end{array}\right. en utilisant l'inverse d'une matrice.

Correction
Posons A=(1−10121110)A=\left( \begin{array}{ccc}1 & -1 & 0 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 0 \end{array}\right) ; X=(xyz)X=\left( \begin{array}{c}x \\ y \\ z \end{array}\right) et Y=(123)Y=\left(\begin{array}{c}1 \\ 2 \\ 3 \end{array}\right) .
L'écriture matricielle du système est : AX=YAX=Y .
Dans un premier temps, il faut calculer la matrice inverse de AA.
Soit A=(1−10121110)A=\left( \begin{array}{ccc}1 & -1 & 0 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 0 \end{array}\right). Il vient que : A−1=(12012−12012121−32)A^{-1}=\left( \begin{array}{ccc}\frac{1}{2} & 0 & \frac{1}{2}\\ -\frac{1}{2} & 0 & \frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & 1 & -\frac{3}{2}\end{array}\right)
Il vient alors que :
AX=Y⟺A−1AX=A−1YAX=Y\Longleftrightarrow A^{-1}AX=A^{-1}Y
AX=Y⟺I3X=A−1YAX=Y\Longleftrightarrow I_3X=A^{-1}Y
AX=Y⟺X=A−1YAX=Y\Longleftrightarrow X=A^{-1}Y
AX=Y⟺(xyz)=(12012−1201212132)(123)AX=Y\Longleftrightarrow \left( \begin{array}{c}x \\ y \\ z \end{array}\right)=\left( \begin{array}{ccc}\frac{1}{2} & 0 & \frac{1}{2} \\ -\frac{1}{2} & 0 & \frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & 1 &\frac{3}{2} \end{array}\right)\left( \begin{array}{c}1 \\ 2 \\ 3 \end{array}\right)
AX=Y⟺(xyz)=(21−2)AX=Y\Longleftrightarrow \left( \begin{array}{c}x \\ y \\ z \end{array}\right)=\left( \begin{array}{c}2 \\ 1 \\ -2 \end{array}\right)
Le triplet solution du système est alors :
S={(2;1;−2)}S=\left\{\left(2;1;-2\right)\right\}

Question 2

Résoudre, dans R3\mathbb{R}^3, le système : {−x+2y−3z=72x+y−2z=93x−2y+5z=−5\left\{ \begin{array}{ccc}-x+2y-3z & = & 7 \\ 2x+y-2z & = & 9 \\ 3x-2y+5z & = & -5 \end{array}\right. en utilisant l'inverse d'une matrice.

Correction
Posons A=(−1−2−321−23−25)A=\left( \begin{array}{ccc}-1 & -2 & -3 \\ 2 & 1 & -2 \\ 3 & -2 & 5 \end{array}\right) ; X=(xyz)X=\left( \begin{array}{c}x \\ y \\ z \end{array}\right) et Y=(79−5)Y=\left(\begin{array}{c}7 \\ 9 \\ -5 \end{array}\right) .
L'écriture matricielle du système est : AX=YAX=Y .
Dans un premier temps, il faut calculer la matrice inverse de AA.
Soit A=(−1−2−321−23−25)A=\left( \begin{array}{ccc}-1 & -2 & -3 \\ 2 & 1 & -2 \\ 3 & -2 & 5 \end{array}\right). Il vient que : A−1=(−1121311243−1323712−13512)A^{-1}=\left( \begin{array}{ccc}-\frac{1}{12} & \frac{1}{3} & \frac{1}{12}\\ \frac{4}{3} & -\frac{1}{3} & \frac{2}{3} \\ \frac{7}{12} & -\frac{1}{3} & \frac{5}{12}\end{array}\right)
Il vient alors que :
AX=Y⟺A−1AX=A−1YAX=Y\Longleftrightarrow A^{-1}AX=A^{-1}Y
AX=Y⟺I3X=A−1YAX=Y\Longleftrightarrow I_3X=A^{-1}Y
AX=Y⟺X=A−1YAX=Y\Longleftrightarrow X=A^{-1}Y
AX=Y⟺(xyz)=(−1121311243−1323712−13512)(79−5)AX=Y\Longleftrightarrow \left( \begin{array}{c}x \\ y \\ z \end{array}\right)=\left( \begin{array}{ccc}-\frac{1}{12} & \frac{1}{3} & \frac{1}{12}\\ \frac{4}{3} & -\frac{1}{3} & \frac{2}{3} \\ \frac{7}{12} & -\frac{1}{3} & \frac{5}{12}\end{array}\right)\left( \begin{array}{c}7 \\ 9 \\ -5 \end{array}\right)
AX=Y⟺(xyz)=(23−1)AX=Y\Longleftrightarrow \left( \begin{array}{c}x \\ y \\ z \end{array}\right)=\left( \begin{array}{c}2 \\ 3 \\ -1 \end{array}\right)
Le triplet solution du système est alors :
S={(2;3;−1)}S=\left\{\left(2;3;-1\right)\right\}

Question 3

Résoudre, dans R3\mathbb{R}^3, le système : {−24x+18y+5z=−320x−15y−4z=52−5x+4y+2z=−12\left\{ \begin{array}{ccc}-24x+18y +5z& = & -3 \\ 20x-15y-4z & = & \frac{5}{2} \\ -5x+4y+2z & = & -\frac{1}{2} \end{array}\right. en utilisant l'inverse d'une matrice.

Correction
Posons A=(−2418520−15−4−542)A=\left( \begin{array}{ccc}-24 & 18 & 5 \\ 20 & -15 & -4 \\ -5 & 4 & 2 \end{array}\right) ; X=(xyz)X=\left( \begin{array}{c}x \\ y \\ z \end{array}\right) et Y=(−352−12)Y=\left(\begin{array}{c}-3 \\ \frac{5}{2} \\ -\frac{1}{2} \end{array}\right) .
L'écriture matricielle du système est : AX=YAX=Y .
Dans un premier temps, il faut calculer la matrice inverse de AA.
Soit A=(−2418520−15−4−542)A=\left( \begin{array}{ccc}-24 & 18 & 5 \\ 20 & -15 & -4 \\ -5 & 4 & 2 \end{array}\right). Il vient que : A−1=(−14−163−20−234560)A^{-1}=\left( \begin{array}{ccc}-14 & -16 & 3\\ -20 & -23 & 4 \\ 5 & 6 & 0\end{array}\right)
Il vient alors que :
AX=Y⟺A−1AX=A−1YAX=Y\Longleftrightarrow A^{-1}AX=A^{-1}Y
AX=Y⟺I3X=A−1YAX=Y\Longleftrightarrow I_3X=A^{-1}Y
AX=Y⟺X=A−1YAX=Y\Longleftrightarrow X=A^{-1}Y
AX=Y⟺(xyz)=(−14−163−20−234560)(−352−12)AX=Y\Longleftrightarrow \left( \begin{array}{c}x \\ y \\ z \end{array}\right)=\left( \begin{array}{ccc}-14 & -16 & 3\\ -20 & -23 & 4 \\ 5 & 6 & 0\end{array}\right)\left( \begin{array}{c}-3 \\ \frac{5}{2} \\ -\frac{1}{2} \end{array}\right)
AX=Y⟺(xyz)=(12120)AX=Y\Longleftrightarrow \left( \begin{array}{c}x \\ y \\ z \end{array}\right)=\left( \begin{array}{c}\frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} \\ 0\end{array}\right)
Le triplet solution du système est alors :
S={(12;12;0)}S=\left\{\left(\frac{1}{2};\frac{1}{2};0\right)\right\}

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