Calculatrice Systèmes Linéaires (Cramer, Gauss-Jordan)
Calculatrice systèmes linéaires A x = b: règle de Cramer, elimination Gauss-Jordan, théorème Rouche-Capelli, systèmes sous/sur-determines et applications.
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Systèmes linéaires
Système A x = b avec n équations en m inconnues. Matricielle: A (n x m), x (m x 1), b (n x 1). Resoudre = trouver x satisfaisant toutes. Algèbre linéaire fondamentale.
Exemple numérique
Système 3x3: 2x_1 + x_2 - x_3 = 8, -3x_1 - x_2 + 2x_3 = -11, -2x_1 + x_2 + 2x_3 = -3. Solution x_1 = 2, x_2 = 3, x_3 = -1.
Regle de Cramer
A carree det != 0: x_i = det(A_i) / det(A). A_i remplace colonne i par b. Cramer 1750. O(n^4) inefficace n > 4.
Gauss-Jordan
Operations lignes. Reduire [A|b] en RREF. O(n^3). Standard production.
Decomposition LU
A = LU. L triangulaire inferieure, U superieure. L y = b, U x = y. Multi-b: O(n^2) chaque.
Théorème Rouche-Capelli
- rank(A) < rank(A|b): incompatible.
- = m: unique.
- < m: infinies (m-rank) libres.
Sous-determines
n < m. Infinies solutions. Norme min: pseudo-inverse Moore-Penrose.
Sur-determines
n > m. Pas solution exacte. Least squares: min ||Ax - b||^2. Équations normales.
Stabilité numérique
cond(A) sensibilite. =1 bon. >>1 mauvais. Pivot partiel. SVD robuste.
Méthodes iteratives
- Jacobi.
- Gauss-Seidel.
- SOR.
- Conjugate Gradient SPD.
- GMRES général.
Applications
- FEM éléments finis.
- Reseaux électriques Kirchhoff.
- Programmation linéaire simplex.
- Reseaux neuronaux backprop.
- Images filtres.
- Mecanique quantique.
- Chaines Markov.
- Regression polynomiale.
Modes calculatrice
Cinq: Gauss-Jordan, Cramer, verification, rang Rouche-Capelli, sous/sur-determines.
Histoire
Chine ancienne 200 av. J.-C. (Jiuzhang Suanshu): première méthode similaire. Cramer 1750: formules explicites. Gauss 1809 (Theoria Motus): elimination orbites. Jordan 1888: variante echelonnee reduite. Cholesky 1910: matrices symetriques. Wilkinson 1960s: analyse stabilité numérique. LAPACK 1992: standard moderne production.
La geometrie des systemes lineaires : intersections dans l'espace
Chaque equation lineaire represente geometriquement un objet plat : une droite en deux dimensions, un plan en trois, un hyperplan en general. Resoudre un systeme signifie trouver les points qui appartiennent simultanement a toutes ces surfaces, c'est-a-dire leur intersection. Cette vision geometrique eclaire immediatement pourquoi un systeme peut avoir une, une infinite ou aucune solution.
Si deux droites dans le plan se croisent en un point, le systeme a une solution unique. Si elles coincident, chaque point est solution et les solutions sont infinies. Si elles sont paralleles et distinctes, elles ne se rencontrent jamais et le systeme est impossible. En dimensions superieures la meme logique s'etend aux plans et hyperplans. Le theoreme de Rouche-Capelli traduit cette geometrie en arithmetique : en comparant le rang de la matrice des coefficients a celui de la matrice augmentee on etablit exactement lequel des trois cas se produit, sans besoin de visualiser.
Le conditionnement : quand de petites erreurs deviennent grandes
Tous les systemes lineaires ne sont pas aussi faciles a resoudre en pratique. Certains sont mal conditionnes : de petites variations dans les coefficients ou les termes constants produisent d'enormes variations dans la solution. Geometriquement cela correspond a des droites presque paralleles, dont le point d'intersection se deplace violemment au moindre changement de pente. Dans ces cas meme les inevitables erreurs d'arrondi de l'ordinateur peuvent rendre la solution numerique totalement peu fiable.
La gravite du probleme se mesure par le nombre de conditionnement de la matrice : une valeur proche de 1 indique un systeme bien pose, des valeurs enormes signalent un mauvais conditionnement. Un exemple classique est la matrice de Hilbert, dont les nombres de conditionnement croissent exponentiellement avec la dimension, en faisant un banc d'essai pour les algorithmes. Reconnaitre et gerer le mauvais conditionnement est essentiel en ingenierie et calcul scientifique, ou l'on recourt a des techniques comme le pivotage, la regularisation ou l'augmentation de la precision pour obtenir des resultats fiables.
Mis à jour en juillet 2026
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