Chap. I. Calcul Matriciel

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1 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 1 Chap. I. Calcul Matriciel Printemps 2010

2 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 2 Dans tout ce qui suit, K désigne R ou C. 1 Dénitions et propriétés Un tableau rectangulaire, de nombres ( K ), de la forme a 11 a a 1n a 21 a a 2n.. (1) a m1 a m2... a mn est appelé matrice. Les nombres a ij sont appelés coecients de la matrice. Les lignes horizontales sont appelées rangées ou vecteurs rangées, et les lignes verticales sont appelées colonnes ou vecteurs

3 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 3 colonnes de la matrice. Une matrice à m rangées et n colonnes est appelée matrice de type (m, n). On note la matrice (??) par (a ij ). Exemple 1. : 1) La matrice nulle O = nuls a tous ses coecients 2) Une matrice (a 1,..., a n ) ayant une seule rangée est appelée matrice uniligne.

4 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 4 3) Une matrice matrice unicolonne. b 1 b 2.. b m ayant une seule colonne est appelée 1) Une matrice ayant le même nombre de rangées et de colonnes est appelées matrice carrée, et le nombre de rangées est appelé son ordre. 2) La matrice carrée (a ij ) telle que a ij = 0 si i j et a ii = 1 i est appelée matrice unité, notée par I, elle vérie AI = IA = A, A matrice carrée du même ordre que I. 3) Deux matrices (a ij ) et (b ij ) sont égales si et seulement si elles ont même nombre de rangées et le même nombre de colonnes et les éléments correspondants sont égaux ; c'est à dire a ij = b ij i, j.

5 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 5 2 Opérations sur les matrices 2.1 Addition La somme de deux matrices de type (m, n) (a ij ) et (b ij ) est la matrice (c ij ) de type (m, n) ayant pour éléments c ij = a ij + b ij pour i = 1,..., m et j = 1,..., n. Exemple 2. : Si A = alors A + B = et B = L'addition des matrices satisfait les propriétés suivantes : Pour A, B et C des matrices de type (m, n) on a : 1) A + B = B + A,

6 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 6 2) (A + B) + C = A + (B + C) 3) A + O = O + A = A où O est la matrice nulle 4) A + ( A) = O où A = ( a ij ). 2.2 Multiplication par un scalaire Soit A = (a ij ) et λ K, on dénit λa 11 λa λa 1n λa 21 λa λa 2n λa =.. λa m1 λa m2... λa mn Exemple 3. : Si A = (2 7 8), alors 3A = ( ) = (λa ij ). Cette multiplication vérie :

7 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 7 Pour A, B des matrices de type (m, n) 1) λ(a + B) = λa + λb 2) (λ + µ)a = λa + µa 3) λ(µa) = (λµ)a 4) 1A = A 2.3 Multiplication des matrices Soit A = (a ij ) une matrice de type (m, n) et B = (b kl ) une matrice de type (r, p), alors le produit AB ( dans cet ordre ) n'est déni que si n = r, et est la matrice C = (c il ) de type (m, p) dont les j=n éléments c il = a ij b jl. Exemple 4. : j=1

8 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 8 A = et B = , alors AB = 3(1) + 2(5) + ( 1)(6) 3(0) + 2(3) + ( 1)(4) 3(2) + 2(1) + ( 1)(2) 0(1) + 4(5) + 6(6) 0(0) + 4(3) + 6(4) 0(2) + 4(1) + 6(2) = Le produit matriciel vérie les propriétés suivantes : 1) λ(ab) = (λa)b, λ K 2) A(BC) = (AB)C

9 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 9 3) (A + B)C = AC + BC 4) C(A + B) = CA + CB Pour vu que les produits qui gurent dans les expressions soient dénis. Remarque 1. : 1) La multiplication matricielle n'est pas en général commutative, c.à.d AB BA. 2) La simplication n'est pas vraie en général, c.à.d AB = O n'entraîne pas, nécessairement A = O ou B = O. 3) Une matrice carrée A est inversible s'il existe B telle que AB = BA = I. Exemple 5. : 1) A = , B = , alors AB = et

10 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 10 BA = ) A = 1 1 O, B = AB = 0 0 = O 0 0 1) Une matrice du type a a a nn a ij = 0 pour i j est appelée matrice diagonale. O et pourtant c'est à dire

11 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 11 2) Une matrice du type a a a nn a 11 0 a a nn ou est appelée matrice triangulaire. La première vérie a ij = 0 pour i > j et la seconde a ij = 0 pour i < j. 3) Au lieu de AA on écrit tout simplement A 2, de même A 3 = A 2 A... 4) Si les lignes et les colonnes d'une matrice sont échangées, la

12 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 12 matrice obtenue est appelée transposée de la matrice d'origine ; la transposée de A est notée t A. 5) Si A = (a ij ), alors t A = (b ij ) avec b ij = a ji, on a t ( t A) = A. Exemple 6. : 1 4 Si A = ; alors t A = Matrices élémentaires 3.1 Opérations élémentaires sur une matrice Soit A une matrice, on appelle opération élémentaire sur A l'une des transformations suivantes :

13 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 13 1) Ajouter à une ligne ( resp à une colonne ) de A une autre ligne ( resp colonne ) multipliée par un scalaire. (R j R j + kr i ) 2) Multiplier une ligne ( resp une colonne ) de A par un scalaire non nul. (R i kr i ) 3) Permuter les lignes ( resp les colonnes ) de A. (R i R j ) Soit e une opération élémentaire sur les lignes et e(a) désigne les résultats obtenus après l'application de l'opération e sur une matrice A. Soit E la matrice obtenue après l'application de e sur la matrice unité I, c'est à dire E = e(i). E est alors appelée la matrice élémentaire correspondant à l'opération élémentaire e. Exemple 7. : Considérons la matrice unité d'ordre 3. 1) Permuter les lignes L 2 et L 3.

14 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 14 2) Remplacer ligne L 2 par 6L 2. 3) Remplacer ligne L 3 par 4L 1 + L 3. E 1 = 0 0 1, E 2 = E 3 = correspondantes. Théorème 1. : et sont les matrices élémentaires Soit e une opération élémentaire sur les lignes et E la matrice élémentaire correspondante d'ordre m, alors e(a) = EA pour toute matrice A de type (m, n). Les opérations élémentaires ont des opérations inverses du même

15 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 15 type 1) Permuter R i et R j est son propre inverse. 2) Remplacer R i par kr i et remplacer R i par 1 k R i sont inverses 3) Remplacer R j par kr i + R j et remplacer R j par kr i + R j sont inverses. Supposons que e est l'inverse d'une opération élémentaire sur les lignes e, et soit E et E les matrices correspondantes. Alors E est inversible et son inverse est E. En particulier un produit de matrices élémentaires est inversible. Théorème 2. : Soit A une matrice carrée, alors A est inversible si et seulement si A est un produit de matrices élémentaires.

16 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel Application pour déterminer l'inverse d'une matrice carrée Exemple 8. : Trouver l'inverse de la matrice A = si elle existe Pour ce faire nous écrivons la matrice unité à la droite de A et nous appliquons les mêmes opérations à cette matrice que celles eectuées sur A L 2 2L 1 L 3 4L

17 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel L 3 +L L 2 L 3 L 1 +2L 3 L 2 L 3

18 Printemps 2010 Chap. I. Calcul Matriciel 18 d'où A 1 = Ecrivons cette inverse sous forme de produit de matrices élémentaires : A 1 = BC avec B = C = et

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