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Leçon 6

Systèmes linéaires en géométrie

Vidéo 6 : Systèmes linéaires en géométrie · 4 min 15 s · sous-titres en français

Le cours écrit

Le programme le dit : « l'étude générale des systèmes linéaires n'est pas un objectif », mais beaucoup de questions de géométrie se traduisent par un système d'équations linéaires. On le résout dans des cas simples (par substitution, ou en ajoutant des lignes), puis on interprète ses solutions.

6.1 Trois vecteurs forment-ils une base ?

Au chapitre 3 : trois vecteurs forment une base s'ils ne sont pas coplanaires, et si u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} ne sont pas colinéaires, u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v}, w⃗\vec{w} sont coplanaires si et seulement si w⃗=au⃗+bv⃗\vec{w} = a\vec{u} + b\vec{v} pour deux réels aa et bb.

Méthode. 1. On vérifie que u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} ne sont pas colinéaires. 2. On écrit w⃗=au⃗+bv⃗\vec{w} = a\vec{u} + b\vec{v} coordonnée par coordonnée : trois équations, deux inconnues. 3. S'il n'y a pas de solution, w⃗\vec{w} n'est pas une combinaison de u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} : les trois vecteurs forment une base. S'il y en a une, ils sont coplanaires : ce n'est pas une base.

Exemple 23. u⃗ (1 ;0 ;1)\vec{u}\,(1\,;0\,;1), v⃗ (0 ;1 ;1)\vec{v}\,(0\,;1\,;1), w⃗ (1 ;1 ;0)\vec{w}\,(1\,;1\,;0). Les vecteurs u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} ne sont pas colinéaires (une coordonnée nulle chez l'un, pas chez l'autre). Le système w⃗=au⃗+bv⃗  ⟺  {a=1b=1a+b=0\vec{w} = a\vec{u} + b\vec{v} \iff \begin{cases} a = 1 \\ b = 1 \\ a + b = 0 \end{cases} donnerait 2=02 = 0 : il n'a pas de solution. (u⃗,v⃗,w⃗)(\vec{u}, \vec{v}, \vec{w}) est une base.

Avec w⃗′ (2 ;−1 ;1)\vec{w}'\,(2\,;-1\,;1) : a=2a = 2, b=−1b = -1, et la troisième équation a+b=1a + b = 1 est vérifiée. Donc w⃗′=2u⃗−v⃗\vec{w}' = 2\vec{u} - \vec{v} : les vecteurs u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v}, w⃗′\vec{w}' sont coplanaires, ce n'est pas une base.

On peut aussi dire : (u⃗,v⃗,w⃗)(\vec{u}, \vec{v}, \vec{w}) est une base si et seulement si la seule solution de au⃗+bv⃗+cw⃗=0⃗a\vec{u} + b\vec{v} + c\vec{w} = \vec{0} est a=b=c=0a = b = c = 0. Les mathématiciens parlent de vecteurs linéairement indépendants.

6.2 Coordonnées d'un vecteur dans une base

Si (u⃗,v⃗,w⃗)(\vec{u}, \vec{v}, \vec{w}) est une base, tout vecteur t⃗\vec{t} s'écrit de façon unique t⃗=xu⃗+yv⃗+zw⃗\vec{t} = x\vec{u} + y\vec{v} + z\vec{w} (chapitre 3). Pour trouver xx, yy, zz, on résout un système de trois équations à trois inconnues, qui a une solution unique.

Exemple 24. Dans la base de l'exemple 23, les coordonnées de t⃗ (3 ;0 ;1)\vec{t}\,(3\,;0\,;1). Le système {x+z=3y+z=0x+y=1\begin{cases} x + z = 3 \\ y + z = 0 \\ x + y = 1 \end{cases} se résout en ajoutant les trois lignes : 2(x+y+z)=42(x + y + z) = 4, donc x+y+z=2x + y + z = 2. Alors z=2−1=1z = 2 - 1 = 1 (avec la troisième ligne), x=2−0=2x = 2 - 0 = 2 (avec la deuxième) et y=2−3=−1y = 2 - 3 = -1 (avec la première). Donc t⃗=2u⃗−v⃗+w⃗\vec{t} = 2\vec{u} - \vec{v} + \vec{w} : ses coordonnées dans la base (u⃗,v⃗,w⃗)(\vec{u}, \vec{v}, \vec{w}) sont (2 ;−1 ;1)(2\,;-1\,;1).

Exemple 25 (retour au chapitre 3). Dans le cube, on avait lu sur la figure que (AB→,AD→,AG→)(\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AD}, \overrightarrow{AG}) est une base et que AE→=−AB→−AD→+AG→\overrightarrow{AE} = -\overrightarrow{AB} - \overrightarrow{AD} + \overrightarrow{AG}. Par le calcul :

  • AB→ (1 ;0 ;0)\overrightarrow{AB}\,(1\,;0\,;0) et AD→ (0 ;1 ;0)\overrightarrow{AD}\,(0\,;1\,;0) ne sont pas colinéaires, et AG→ (1 ;1 ;1)=aAB→+bAD→\overrightarrow{AG}\,(1\,;1\,;1) = a\overrightarrow{AB} + b\overrightarrow{AD} donnerait 1=01 = 0 par la troisième coordonnée : c'est une base ;
  • AE→ (0 ;0 ;1)=xAB→+yAD→+zAG→\overrightarrow{AE}\,(0\,;0\,;1) = x\overrightarrow{AB} + y\overrightarrow{AD} + z\overrightarrow{AG} donne x+z=0x + z = 0, y+z=0y + z = 0, z=1z = 1, donc z=1z = 1, x=−1x = -1, y=−1y = -1. On retrouve les coordonnées (−1 ;−1 ;1)(-1\,;-1\,;1).

6.3 Coplanarité et alignement

  • Quatre points AA, BB, CC, DD (avec AA, BB, CC non alignés) sont coplanaires si et seulement si le système AD→=aAB→+bAC→\overrightarrow{AD} = a\overrightarrow{AB} + b\overrightarrow{AC} a une solution. On peut aussi chercher une équation du plan (ABC)(ABC) et tester DD.
  • Trois points AA, BB, CC sont alignés si et seulement si le système AC→=kAB→\overrightarrow{AC} = k\overrightarrow{AB} (trois équations, une inconnue) a une solution.

Exemple 26. On reprend A(1 ;0 ;2)A(1\,;0\,;2), B(2 ;1 ;0)B(2\,;1\,;0), C(0 ;3 ;1)C(0\,;3\,;1) (exemple 14) et l'on pose D(1 ;4 ;−1)D(1\,;4\,;-1). AD→ (0 ;4 ;−3)\overrightarrow{AD}\,(0\,;4\,;-3) et le système {a−b=0a+3b=4−2a−b=−3\begin{cases} a - b = 0 \\ a + 3b = 4 \\ -2a - b = -3 \end{cases} donne a=ba = b, puis 4a=44a = 4 : a=b=1a = b = 1, et la troisième équation est vérifiée (−2−1=−3-2 - 1 = -3). Donc AD→=AB→+AC→\overrightarrow{AD} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AC} : les quatre points sont coplanaires (ABDCABDC est même un parallélogramme). Contrôle avec l'équation de (ABC)(ABC) : 5+12−4−13=05 + 12 - 4 - 13 = 0.

Avec D′(2 ;2 ;1)D'(2\,;2\,;1) : AD′→ (1 ;2 ;−1)\overrightarrow{AD'}\,(1\,;2\,;-1), les deux premières équations a−b=1a - b = 1 et a+3b=2a + 3b = 2 donnent b=14b = \frac14 et a=54a = \frac54, mais alors −2a−b=−114≠−1-2a - b = -\frac{11}{4} \neq -1. Pas de solution : D′D' n'est pas dans le plan (ABC)(ABC). Contrôle : 10+6+4−13=7≠010 + 6 + 4 - 13 = 7 \neq 0.

6.4 Interpréter les solutions

Question Système Interprétation
Un point est-il sur une droite ? trois équations, inconnue tt une solution : oui ; aucune : non
Une droite et un plan une équation, inconnue tt une solution : sécants ; aucune : strictement parallèles ; tout tt : droite contenue dans le plan
Deux droites non parallèles trois équations, inconnues tt et ss une solution : sécantes ; aucune : non coplanaires
Trois vecteurs (u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v} non colinéaires) w⃗=au⃗+bv⃗\vec{w} = a\vec{u} + b\vec{v} aucune solution : base ; une solution : coplanaires
Coordonnées dans une base trois équations, trois inconnues toujours une solution unique

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 11 et 12

  • Exercice 11 : bases et coordonnées
  • Exercice 12 : coplanarité et alignement

Exercices du chapitre (PDF, 135 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 151 Ko)

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