Éducation nationale françaiseOption Mathématiques expertesTerminale générale23 min de lecture

Matrices

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Lecture

5 chapitres

Un parcours éditorialisé et navigable.

Pratique

12 questions

Quiz et cartes mémoire à ouvrir après la lecture.

Objectif

Terminale générale

Format rapide pour vérifier si le chapitre correspond.

Chapitre 1

Introduction aux Matrices

Définition et notation d'une matrice

Une matrice est un tableau rectangulaire de nombres, appelés éléments ou coefficients, organisés en lignes et en colonnes.

  • Lignes : Les rangées horizontales de la matrice.
  • Colonnes : Les rangées verticales de la matrice.

La dimension ou le format d'une matrice est donnée par le nombre de ses lignes et le nombre de ses colonnes. Une matrice ayant mm lignes et nn colonnes est dite de dimension m×nm \times n.

Un élément quelconque d'une matrice AA est noté aija_{ij}, où ii représente l'indice de la ligne (de 1 à mm) et jj représente l'indice de la colonne (de 1 à nn).

Exemple : Une matrice AA de dimension 2×32 \times 3 s'écrit :

A=(a11a12a13a21a22a23)A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \end{pmatrix}

Ici, a12a_{12} est l'élément de la première ligne et de la deuxième colonne.

Types particuliers de matrices

Il existe plusieurs types de matrices avec des propriétés spécifiques :

  • Matrice ligne : Une matrice qui n'a qu'une seule ligne (1×n1 \times n). Exemple : L=(123)L = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \end{pmatrix}
  • Matrice colonne : Une matrice qui n'a qu'une seule colonne (m×1m \times 1). Exemple : C=(45)C = \begin{pmatrix} 4 \\ 5 \end{pmatrix}
  • Matrice carrée : Une matrice dont le nombre de lignes est égal au nombre de colonnes (n×nn \times n). Exemple : S=(1234)S = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} Les éléments aiia_{ii} (où l'indice de ligne est égal à l'indice de colonne) forment la diagonale principale de la matrice carrée.
  • Matrice nulle : Une matrice dont tous les éléments sont égaux à zéro. Elle est notée 0m,n0_ {m,n} ou simplement 00 si la dimension est claire. Exemple : 02,2=(0000)0_{2,2} = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}
  • Matrice identité : Une matrice carrée dont les éléments de la diagonale principale sont égaux à 1 et tous les autres éléments sont égaux à 0. Elle est notée InI_n ou simplement II. C'est l'élément neutre pour la multiplication matricielle. Exemple : I3=(100010001)I_3 = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}

Égalité de deux matrices

Deux matrices AA et BB sont égales si et seulement si :

  1. Elles ont les mêmes dimensions.
  2. Tous leurs éléments correspondants sont égaux (égalité terme à terme).

Autrement dit, pour tout ii et tout jj, aij=bija_{ij} = b_{ij}.

Exemple : Si A=(x23y)A = \begin{pmatrix} x & 2 \\ 3 & y \end{pmatrix} et B=(1234)B = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}, alors A=BA = B si et seulement si x=1x=1 et y=4y=4.

C'est une condition nécessaire et suffisante : les deux conditions doivent être remplies pour que les matrices soient égales.

Chapitre 2

Opérations sur les Matrices

Addition et soustraction de matrices

L'addition et la soustraction de matrices ne sont possibles que si les matrices ont les mêmes dimensions. L'opération se fait alors terme à terme.

Si A=(aij)A = (a_{ij}) et B=(bij)B = (b_{ij}) sont deux matrices de même dimension m×nm \times n, alors :

  • A+B=(aij+bij)A + B = (a_{ij} + b_{ij})
  • AB=(aijbij)A - B = (a_{ij} - b_{ij})

Exemple : Soient A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} et B=(5678)B = \begin{pmatrix} 5 & 6 \\ 7 & 8 \end{pmatrix}. A+B=(1+52+63+74+8)=(681012)A + B = \begin{pmatrix} 1+5 & 2+6 \\ 3+7 & 4+8 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 6 & 8 \\ 10 & 12 \end{pmatrix} AB=(15263748)=(4444)A - B = \begin{pmatrix} 1-5 & 2-6 \\ 3-7 & 4-8 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -4 & -4 \\ -4 & -4 \end{pmatrix}

Propriétés de l'addition :

  • Associativité : (A+B)+C=A+(B+C)(A + B) + C = A + (B + C)
  • Commutativité : A+B=B+AA + B = B + A
  • Élément neutre : A+0=AA + 0 = A (où 00 est la matrice nulle de même dimension que AA)
  • Opposé : A+(A)=0A + (-A) = 0 (où A=(aij)-A = (-a_{ij}))

Multiplication d'une matrice par un scalaire

Multiplier une matrice par un scalaire (un nombre réel) consiste à multiplier chaque élément de la matrice par ce scalaire.

Si A=(aij)A = (a_{ij}) est une matrice de dimension m×nm \times n et kk est un scalaire, alors kA=(kaij)kA = (k \cdot a_{ij}).

Exemple : Soit A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} et k=3k=3. 3A=(3×13×23×33×4)=(36912)3A = \begin{pmatrix} 3 \times 1 & 3 \times 2 \\ 3 \times 3 & 3 \times 4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 & 6 \\ 9 & 12 \end{pmatrix}

Propriétés de la multiplication par un scalaire :

  • Distributivité : k(A+B)=kA+kBk(A+B) = kA + kB et (k+l)A=kA+lA(k+l)A = kA + lA
  • Associativité : k(lA)=(kl)Ak(lA) = (kl)A
  • 1A=A1 \cdot A = A et 0A=00 \cdot A = 0 (matrice nulle)

Ces opérations permettent de former des combinaisons linéaires de matrices, par exemple 2A+3B2A + 3B.

Produit matriciel

Le produit de deux matrices AA et BB, noté ABAB, est l'opération la plus complexe et la plus importante.

Condition de compatibilité : Pour que le produit ABAB soit défini, il faut que le nombre de colonnes de la première matrice (AA) soit égal au nombre de lignes de la deuxième matrice (BB). Si AA est une matrice m×nm \times \underline{n} et BB est une matrice n×p\underline{n} \times p, alors le produit ABAB est une matrice m×pm \times p.

Règle de calcul (ligne par colonne) : L'élément cijc_{ij} de la matrice produit C=ABC = AB est obtenu en multipliant les éléments de la ii-ème ligne de AA par les éléments correspondants de la jj-ème colonne de BB, puis en additionnant ces produits. cij=k=1naikbkj=ai1b1j+ai2b2j++ainbnjc_{ij} = \sum_{k=1}^{n} a_{ik} b_{kj} = a_{i1}b_{1j} + a_{i2}b_{2j} + \dots + a_{in}b_{nj}

Exemple : Soient A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} (2×22 \times 2) et B=(5678)B = \begin{pmatrix} 5 & 6 \\ 7 & 8 \end{pmatrix} (2×22 \times 2). Le produit ABAB sera une matrice 2×22 \times 2.

AB=((1×5)+(2×7)(1×6)+(2×8)(3×5)+(4×7)(3×6)+(4×8))AB = \begin{pmatrix} (1 \times 5) + (2 \times 7) & (1 \times 6) + (2 \times 8) \\ (3 \times 5) + (4 \times 7) & (3 \times 6) + (4 \times 8) \end{pmatrix} AB=(5+146+1615+2818+32)=(19224350)AB = \begin{pmatrix} 5 + 14 & 6 + 16 \\ 15 + 28 & 18 + 32 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 19 & 22 \\ 43 & 50 \end{pmatrix}

Non-commutativité du produit : En général, ABBAAB \neq BA. L'ordre des matrices dans un produit est crucial. Dans l'exemple précédent, calculons BABA :

BA=((5×1)+(6×3)(5×2)+(6×4)(7×1)+(8×3)(7×2)+(8×4))BA = \begin{pmatrix} (5 \times 1) + (6 \times 3) & (5 \times 2) + (6 \times 4) \\ (7 \times 1) + (8 \times 3) & (7 \times 2) + (8 \times 4) \end{pmatrix} BA=(5+1810+247+2414+32)=(23343146)BA = \begin{pmatrix} 5 + 18 & 10 + 24 \\ 7 + 24 & 14 + 32 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 23 & 34 \\ 31 & 46 \end{pmatrix}

On constate bien que ABBAAB \neq BA. Le produit matriciel n'est pas commutatif.

Propriétés du produit matriciel

Même si le produit matriciel n'est pas commutatif, il possède d'autres propriétés importantes :

  • Associativité : (AB)C=A(BC)(AB)C = A(BC) (si les produits sont définis). Cela signifie que l'ordre des multiplications n'importe pas, tant que l'ordre des matrices reste le même.
  • Distributivité :
    • A(B+C)=AB+ACA(B+C) = AB + AC (distributivité à gauche)
    • (A+B)C=AC+BC(A+B)C = AC + BC (distributivité à droite)
  • Matrice identité comme élément neutre : Pour toute matrice AA de dimension m×nm \times n, ImA=AI_m A = A et AIn=AA I_n = A. Exemple : Si A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}, alors I2A=(1001)(1234)=(1234)=AI_2 A = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} = A.

Notez que le produit d'une matrice par la matrice nulle donne toujours la matrice nulle : A0=0A \cdot 0 = 0 et 0A=00 \cdot A = 0.

Chapitre 3

Puissances de Matrices Carrées

Définition des puissances entières d'une matrice

Soit AA une matrice carrée de dimension n×nn \times n.

  • Par convention, A0=InA^0 = I_n (la matrice identité de même dimension).
  • Pour tout entier naturel k1k \geq 1, Ak=A×Ak1A^k = A \times A^{k-1}. Cela signifie que AkA^k est le produit de AA par elle-même kk fois. Par exemple, A2=A×AA^2 = A \times A, A3=A×A×A=A2×A=A×A2A^3 = A \times A \times A = A^2 \times A = A \times A^2.

Calcul des premières puissances

Pour calculer les premières puissances d'une matrice, on applique simplement la définition de manière itérative.

Exemple : Soit A=(1101)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}.

  • A0=I2=(1001)A^0 = I_2 = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}
  • A1=A=(1101)A^1 = A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}
  • A2=A×A=(1101)(1101)=((1×1)+(1×0)(1×1)+(1×1)(0×1)+(1×0)(0×1)+(1×1))=(1201)A^2 = A \times A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} (1 \times 1) + (1 \times 0) & (1 \times 1) + (1 \times 1) \\ (0 \times 1) + (1 \times 0) & (0 \times 1) + (1 \times 1) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}
  • A3=A2×A=(1201)(1101)=((1×1)+(2×0)(1×1)+(2×1)(0×1)+(1×0)(0×1)+(1×1))=(1301)A^3 = A^2 \times A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} (1 \times 1) + (2 \times 0) & (1 \times 1) + (2 \times 1) \\ (0 \times 1) + (1 \times 0) & (0 \times 1) + (1 \times 1) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 3 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}

On observe un motif : il semblerait que An=(1n01)A^n = \begin{pmatrix} 1 & n \\ 0 & 1 \end{pmatrix}.

Cas particuliers :

  • Pour une matrice diagonale D=(d100d2)D = \begin{pmatrix} d_1 & 0 \\ 0 & d_2 \end{pmatrix}, ses puissances sont très simples à calculer : Dn=(d1n00d2n)D^n = \begin{pmatrix} d_1^n & 0 \\ 0 & d_2^n \end{pmatrix}.
  • Si AA est une matrice telle que Ak=0A^k = 0 pour un certain kk (matrice nilpotente), ses puissances finissent par s'annuler.

Utilisation de la récurrence pour les puissances

Quand un motif est observé pour les puissances d'une matrice, la démonstration par récurrence est l'outil idéal pour le prouver rigoureusement.

Pour prouver une propriété P(n)P(n) concernant AnA^n pour tout entier n0n \geq 0 :

  1. Initialisation : Vérifier que la propriété P(0)P(0) (ou P(1)P(1)) est vraie. Par exemple, montrer que A0=InA^0 = I_n correspond bien à la formule trouvée.
  2. Hérédité : Supposer que la propriété P(k)P(k) est vraie pour un certain entier k0k \geq 0 (hypothèse de récurrence). C'est-à-dire, supposer que AkA^k a la forme prédite. Ensuite, démontrer que la propriété P(k+1)P(k+1) est également vraie. Pour cela, calculer Ak+1=Ak×AA^{k+1} = A^k \times A en utilisant l'hypothèse de récurrence.
  3. Conclusion : Si l'initialisation et l'hérédité sont vérifiées, alors la propriété P(n)P(n) est vraie pour tout entier n0n \geq 0.

Exemple (suite) : Pour A=(1101)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, montrons par récurrence que An=(1n01)A^n = \begin{pmatrix} 1 & n \\ 0 & 1 \end{pmatrix} pour tout n0n \geq 0.

  1. Initialisation : Pour n=0n=0, A0=(1001)A^0 = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}. La formule donne (1001)\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}. La propriété est vraie pour n=0n=0.
  2. Hérédité : Supposons que Ak=(1k01)A^k = \begin{pmatrix} 1 & k \\ 0 & 1 \end{pmatrix} pour un certain k0k \geq 0. Calculons Ak+1A^{k+1} : Ak+1=Ak×A=(1k01)(1101)A^{k+1} = A^k \times A = \begin{pmatrix} 1 & k \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} Ak+1=((1×1)+(k×0)(1×1)+(k×1)(0×1)+(1×0)(0×1)+(1×1))=(11+k01)A^{k+1} = \begin{pmatrix} (1 \times 1) + (k \times 0) & (1 \times 1) + (k \times 1) \\ (0 \times 1) + (1 \times 0) & (0 \times 1) + (1 \times 1) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 1+k \\ 0 & 1 \end{pmatrix} Ceci correspond bien à la formule pour n=k+1n=k+1. La propriété est héréditaire.
  3. Conclusion : D'après le principe de récurrence, An=(1n01)A^n = \begin{pmatrix} 1 & n \\ 0 & 1 \end{pmatrix} pour tout n0n \geq 0.

Chapitre 4

Inverse d'une Matrice Carrée

Définition de l'inverse d'une matrice

Une matrice carrée AA de dimension n×nn \times n est dite inversible s'il existe une autre matrice carrée BB de même dimension telle que : A×B=B×A=InA \times B = B \times A = I_nInI_n est la matrice identité de dimension nn. Si une telle matrice BB existe, elle est unique et est appelée l'inverse de AA, notée A1A^{-1}. Si une matrice n'a pas d'inverse, elle est dite singulière ou non inversible.

Calcul de l'inverse d'une matrice 2x2

Pour une matrice A=(abcd)A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} de dimension 2×22 \times 2, son inverse A1A^{-1} existe si et seulement si son déterminant est non nul. Le déterminant de AA est det(A)=adbc\det(A) = ad - bc.

Si det(A)0\det(A) \neq 0, alors l'inverse est donnée par la formule directe : A1=1det(A)(dbca)=1adbc(dbca)A^{-1} = \frac{1}{\det(A)} \begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix} = \frac{1}{ad-bc} \begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}

Exemple : Soit A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}. det(A)=(1×4)(2×3)=46=2\det(A) = (1 \times 4) - (2 \times 3) = 4 - 6 = -2. Puisque det(A)=20\det(A) = -2 \neq 0, AA est inversible. A1=12(4231)=(213/21/2)A^{-1} = \frac{1}{-2} \begin{pmatrix} 4 & -2 \\ -3 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2 & 1 \\ 3/2 & -1/2 \end{pmatrix} Pour vérifier, on peut calculer AA1A A^{-1} : (1234)(213/21/2)=((1×2)+(2×3/2)(1×1)+(2×1/2)(3×2)+(4×3/2)(3×1)+(4×1/2))=(2+3116+632)=(1001)=I2\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} -2 & 1 \\ 3/2 & -1/2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} (1 \times -2) + (2 \times 3/2) & (1 \times 1) + (2 \times -1/2) \\ (3 \times -2) + (4 \times 3/2) & (3 \times 1) + (4 \times -1/2) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2+3 & 1-1 \\ -6+6 & 3-2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} = I_2

La condition d'inversibilité pour une matrice 2x2 est que son déterminant soit non nul.

Méthode de Gauss-Jordan pour l'inversion

Pour les matrices de dimension supérieure à 2×22 \times 2, la méthode de Gauss-Jordan est une technique systématique pour trouver l'inverse, si elle existe.

Le principe est de former une matrice augmentée en plaçant la matrice AA à gauche et la matrice identité InI_n à droite : [AIn][A | I_n]. Ensuite, on applique une série d'opérations élémentaires sur les lignes de cette matrice augmentée, dans le but de transformer la partie gauche (AA) en la matrice identité (InI_n). Les mêmes opérations étant appliquées à la partie droite, celle-ci se transformera alors en A1A^{-1}.

Les opérations élémentaires sur les lignes sont :

  1. Échanger deux lignes (LiLjL_i \leftrightarrow L_j).
  2. Multiplier une ligne par un scalaire non nul (LikLiL_i \leftarrow kL_i, avec k0k \neq 0).
  3. Ajouter à une ligne un multiple d'une autre ligne (LiLi+kLjL_i \leftarrow L_i + kL_j).

Le but est d'arriver à la forme [InA1][I_n | A^{-1}]. Si la partie gauche ne peut pas être transformée en InI_n (par exemple, une ligne entière de zéros apparaît), alors la matrice AA n'est pas inversible.

Exemple (matrice 3×33 \times 3) : Soit A=(123014001)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 4 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}. On forme la matrice augmentée : [AI3]=(123100014010001001)[A | I_3] = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & | & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 4 & | & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & | & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} Objectif : rendre la partie gauche identité. On commence par les colonnes de droite pour les coefficients non diagonaux.

  1. L2L24L3L_2 \leftarrow L_2 - 4L_3 pour annuler le 4 en (2,3)(2,3) : (123100010014001001)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & | & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & | & 0 & 1 & -4 \\ 0 & 0 & 1 & | & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}
  2. L1L13L3L_1 \leftarrow L_1 - 3L_3 pour annuler le 3 en (1,3)(1,3) : (120103010014001001)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & | & 1 & 0 & -3 \\ 0 & 1 & 0 & | & 0 & 1 & -4 \\ 0 & 0 & 1 & | & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}
  3. L1L12L2L_1 \leftarrow L_1 - 2L_2 pour annuler le 2 en (1,2)(1,2) : (100125010014001001)\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & | & 1 & -2 & 5 \\ 0 & 1 & 0 & | & 0 & 1 & -4 \\ 0 & 0 & 1 & | & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} La partie gauche est maintenant la matrice identité. La partie droite est l'inverse de AA. A1=(125014001)A^{-1} = \begin{pmatrix} 1 & -2 & 5 \\ 0 & 1 & -4 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}

Propriétés de l'inverse

L'inverse d'une matrice possède plusieurs propriétés utiles :

  • L'inverse d'un produit : (AB)1=B1A1(AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}. Attention à l'ordre ! Ceci est dû à la non-commutativité du produit matriciel.
  • L'inverse de l'inverse : (A1)1=A(A^{-1})^{-1} = A.
  • L'inverse d'un multiple scalaire : (kA)1=1kA1(kA)^{-1} = \frac{1}{k}A^{-1} (pour k0k \neq 0).
  • L'inverse de la transposée : (AT)1=(A1)T(A^T)^{-1} = (A^{-1})^T. (La transposée ATA^T est obtenue en échangeant les lignes et les colonnes de AA).
  • La matrice identité est son propre inverse : I1=II^{-1} = I.

Chapitre 5

Applications des Matrices

Résolution de systèmes linéaires

Un système d'équations linéaires peut être écrit sous forme matricielle, ce qui simplifie grandement sa résolution, surtout pour de grands systèmes.

Considérons un système de nn équations à nn inconnues :

{a11x1+a12x2++a1nxn=b1a21x1+a22x2++a2nxn=b2an1x1+an2x2++annxn=bn\begin{cases} a_{11}x_1 + a_{12}x_2 + \dots + a_{1n}x_n &= b_1 \\ a_{21}x_1 + a_{22}x_2 + \dots + a_{2n}x_n &= b_2 \\ \vdots \\ a_{n1}x_1 + a_{n2}x_2 + \dots + a_{nn}x_n &= b_n \end{cases}

Ce système peut être écrit sous la forme matricielle compacte : AX=BAX = B, où :

  • A=(a11a1nan1ann)A = \begin{pmatrix} a_{11} & \dots & a_{1n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{n1} & \dots & a_{nn} \end{pmatrix} est la matrice des coefficients.
  • X=(x1xn)X = \begin{pmatrix} x_1 \\ \vdots \\ x_n \end{pmatrix} est la matrice colonne des inconnues.
  • B=(b1bn)B = \begin{pmatrix} b_1 \\ \vdots \\ b_n \end{pmatrix} est la matrice colonne des constantes.

Si la matrice AA est inversible (c'est-à-dire si det(A)0\det(A) \neq 0), alors on peut multiplier l'équation AX=BAX = B par A1A^{-1} à gauche : A1(AX)=A1BA^{-1}(AX) = A^{-1}B (A1A)X=A1B(A^{-1}A)X = A^{-1}B InX=A1BI_n X = A^{-1}B X=A1BX = A^{-1}B La solution du système est donc directement donnée par le produit de l'inverse de la matrice des coefficients par la matrice des constantes.

Exemple : Résoudre le système {x+2y=53x+4y=11\begin{cases} x + 2y = 5 \\ 3x + 4y = 11 \end{cases} Sous forme matricielle : (1234)(xy)=(511)\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 5 \\ 11 \end{pmatrix}. On a A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}, X=(xy)X = \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}, B=(511)B = \begin{pmatrix} 5 \\ 11 \end{pmatrix}. Nous avons déjà calculé A1=(213/21/2)A^{-1} = \begin{pmatrix} -2 & 1 \\ 3/2 & -1/2 \end{pmatrix}. Donc, X=A1B=(213/21/2)(511)=((2×5)+(1×11)(3/2×5)+(1/2×11))=(10+1115/211/2)=(14/2)=(12)X = A^{-1}B = \begin{pmatrix} -2 & 1 \\ 3/2 & -1/2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 5 \\ 11 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} (-2 \times 5) + (1 \times 11) \\ (3/2 \times 5) + (-1/2 \times 11) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -10+11 \\ 15/2 - 11/2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 4/2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}. La solution est x=1x=1 et y=2y=2. Cette méthode est particulièrement efficace pour les systèmes de grande taille, où elle est implémentée dans des algorithmes numériques.

La méthode de Gauss (ou d'élimination de Gauss) est une autre approche pour résoudre les systèmes linéaires, qui est souvent plus efficace numériquement que le calcul explicite de l'inverse pour les grandes matrices. Elle consiste à transformer la matrice augmentée [AB][A | B] en une forme échelonnée par des opérations élémentaires sur les lignes.

Modélisation de phénomènes discrets

Les matrices sont largement utilisées pour modéliser l'évolution de systèmes discrets, où l'état du système change à des intervalles de temps réguliers.

  • Matrices de transition : Elles décrivent le passage d'un état à un autre dans un système. Chaque élément pijp_{ij} de la matrice représente la probabilité ou le taux de transition de l'état jj vers l'état ii.
  • Chaînes de Markov : Ce sont des modèles mathématiques de systèmes dont l'état futur ne dépend que de l'état actuel et non des états passés. Les matrices de transition sont au cœur des chaînes de Markov. Si EkE_k est un vecteur colonne représentant la distribution des états à l'instant kk, et TT est la matrice de transition, alors Ek+1=TEkE_{k+1} = T E_k. Donc, En=TnE0E_n = T^n E_0, où E0E_0 est la distribution initiale des états. Le calcul des puissances de matrices est donc essentiel ici.

Exemple simplifié : Imaginez une population se déplaçant entre une ville (V) et la campagne (C). Si 80% des habitants de V restent à V et 20% vont à C chaque année, et 30% des habitants de C vont à V et 70% restent à C. La matrice de transition TT serait : T=(0.80.30.20.7)(colonnes = origine, lignes = destination)T = \begin{pmatrix} 0.8 & 0.3 \\ 0.2 & 0.7 \end{pmatrix} \quad \text{(colonnes = origine, lignes = destination)} Si la population initiale est 1000 habitants en ville et 0 à la campagne : E0=(10000)E_0 = \begin{pmatrix} 1000 \\ 0 \end{pmatrix}. Après 1 an : E1=TE0=(0.80.30.20.7)(10000)=(800200)E_1 = T E_0 = \begin{pmatrix} 0.8 & 0.3 \\ 0.2 & 0.7 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1000 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 800 \\ 200 \end{pmatrix}. Après 2 ans : E2=TE1=T2E0E_2 = T E_1 = T^2 E_0, et ainsi de suite.

Transformations géométriques (introduction)

En géométrie, les matrices permettent de représenter et de composer des transformations géométriques dans le plan ou dans l'espace. C'est le fondement de l'infographie 2D et 3D.

  • Rotation : Une rotation d'un angle θ\theta autour de l'origine dans le plan est représentée par la matrice : Rθ=(cosθsinθsinθcosθ)R_\theta = \begin{pmatrix} \cos \theta & -\sin \theta \\ \sin \theta & \cos \theta \end{pmatrix} Si un point PP a pour coordonnées (x,y)(x,y), son vecteur colonne est P=(xy)\vec{P} = \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}. Le point transformé PP' aura pour coordonnées P=RθP\vec{P'} = R_\theta \vec{P}.
  • Homothétie (mise à l'échelle) : Une homothétie de facteur kk est représentée par : Hk=(k00k)H_k = \begin{pmatrix} k & 0 \\ 0 & k \end{pmatrix}
  • Symétrie : Par exemple, la symétrie par rapport à l'axe des abscisses est : Sx=(1001)S_x = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}

La composition de transformations correspond au produit matriciel. Si l'on applique d'abord une transformation T1T_1 puis une transformation T2T_2, la transformation résultante est T2T1T_2 T_1. L'ordre est important !

Exemple : Faire tourner un point de 90° dans le sens trigonométrique, puis le redimensionner par un facteur 2. Rπ/2=(cos(π/2)sin(π/2)sin(π/2)cos(π/2))=(0110)R_{\pi/2} = \begin{pmatrix} \cos(\pi/2) & -\sin(\pi/2) \\ \sin(\pi/2) & \cos(\pi/2) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} H2=(2002)H_2 = \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix} La matrice de la transformation composée est M=H2Rπ/2=(2002)(0110)=(0220)M = H_2 R_{\pi/2} = \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & -2 \\ 2 & 0 \end{pmatrix}. Si le point initial est (1,0)(1,0), (0220)(10)=(02)\begin{pmatrix} 0 & -2 \\ 2 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 2 \end{pmatrix}. Le point est transformé en (0,2)(0,2).

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