Exemple préliminaire Généralités Définitions Addition des matrices Produit par un réel Produit des matrices Puissance d une matrice.

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1 /44 Matrices Partie 1 : Calcul matriciel Laurent Debize BTS SIO

2 2/44 Exemple préliminaire Généralités Définitions Addition des matrices Produit par un réel Produit des matrices Puissance d une matrice Exemple préliminaire Généralités Définitions Addition des matrices Produit par un réel Produit des matrices Puissance d une matrice Préliminaire Le produit 1 ligne par 1 colonne Produit des matrices Puissance d une matrice

3 3/44 Exemple préliminaire Généralités Définitions Addition des matrices Produit par un réel Produit des matrices Puissance d une matrice Exemple préliminaire Trois élèves A, B et C ont obtenu sur 2 semestres et dans 4 matières les résultats ci-dessous : 1 er semestre Français Anglais Maths SVT Élève A Élève B Élève C e semestre Français Anglais Maths SVT Élève A Élève B Élève C On peut résumer ces valeurs dans deux tableaux S 1 et S 2 que l on appellera matrices : S 1 = et S 2 =

4 /44 Total annuel Pour obtenir le total annuel des points obtenus par chaque élève on ajoute les résultats de chaque semestre : Points sur l année Français Anglais Maths SVT Élève A Élève B Élève C On peut écrire le total annuel des points dans le tableau S : S = On dit que S est la matrice somme des matrices S 1 et S 2. On note S = S 1 + S 2 et l on a : S = =

5 5/44 Exemple préliminaire Généralités Définitions Addition des matrices Produit par un réel Produit des matrices Puissance d une matrice Moyenne annuelle Pour obtenir la moyenne annuelle obtenue par chaque élève on divise par 2 la somme annuelle : Moyenne annuelle Français Anglais Maths SVT Élève A Élève B Élève C On peut écrire la moyenne annuelle dans le tableau M. On note M = 1 S et l on a : M = =

6 6/44 Exemple préliminaire Généralités Définitions Addition des matrices Produit par un réel Produit des matrices Puissance d une matrice Coefficients Les élèves peuvent s orienter dans 2 filières d étude distinctes. Pour définir leur meilleur profil on étudie leurs résultats suivant les coefficients retenus dans chacune des filières. Ces coefficients sont répartis par matières de la façon suivante : Filière 1 Filière 2 Français 2 4 Anglais 3 4 Maths 7 5 SVT Les coefficients sont indiqués dans la matrice C =

7 7/44 Exemple préliminaire Généralités Définitions Addition des matrices Produit par un réel Produit des matrices Puissance d une matrice Coefficients On a donc les deux tableaux suivants : Filière 1 Filière 2 Français 2 4 Anglais 3 4 Maths 7 5 SVT 3 2 Moyenne annuelle Français Anglais Maths SVT Élève A Élève B Élève C Quelle est la moyenne générale de chaque élève en fonction de chaque filière? Moyenne générale Élève A Élève B Élève C Filière 1 Filière = = = = = = 153

8 /44 Coefficients Le total des points suivant les filières est indiqué dans le tableau P cidessous : P = On dit que la matrice P est le produit de la matrice M par la matrice C. On note P = M C et l on a : =

9 10/44 Exemple préliminaire Généralités Définitions Addition des matrices Produit par un réel Produit des matrices Puissance d une matrice Préliminaire Le produit 1 ligne par 1 colonne Produit des matrices Puissance d une matrice

10 1/44 Généralités Définitions Définition On appelle matrice réelle de dimension n p tout tableau rectangulaire de nombres réels comportant n lignes et p colonnes. Les matrices à n lignes et n colonnes sont appelées matrices carrées d ordre n. Exemples ( ) A = est une matrice 2 3 (lire matrice 2, 3 ) ( ) 1 0 B = est une matrice carrée d ordre C = 3 est une matrice 3 1 appelée matrice colonne. 7 D = ( ) est une matrice 1 4 appelée matrice ligne.

11 12/44 Généralités Définitions Remarque Une matrice A de dimension n p est encore notée (a ij ) pour 1 i n et 1 j p où a ij désigne le terme de la ligne i et de la colonne j. On peut ainsi noter la matrice A de dimension 3 3 : a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33

12 13/44 Exercice 1

13 4/44 Définitions Généralités Définitions La matrice (a ij ) telle que a ij = 0 pour tout couple (i, j) est appelée matrice nulle. On note la note 0. Dans l ensemble des matrices { carrées d ordre n, aij = 1 si i = j la matrice (a ij ) telle que a ij = 0 si i j est appelée matrice identité et est notée I n. Exemple Pour les matrices carrées d ordre 3, la matrice nulle est : 0 = Et la matrice identité est : I 3 =

14 15/44 Généralités Définitions Définition - identité des matrices Soient A = (a ij ) et B = (b ij ) deux matrices de dimension n p. A = B si et seulement si pour tout couple (i, j) : a ij = b ij Exemple ( ) ( ) a Soient A = et B = 0 3 b 3 A = B si et seulement si a = 3 et b = 0.

15 16/44 Exercice 2

16 17/44 Exemple préliminaire Généralités Définitions Addition des matrices Produit par un réel Produit des matrices Puissance d une matrice Préliminaire Le produit 1 ligne par 1 colonne Produit des matrices Puissance d une matrice

17 8/44 Addition des matrices Produit par un réel Définition Soient A = (a ij ) et B = (b ij ) deux matrices de dimension n p. L addition des matrices est définie par : A + B = (a ij + b ij ) Le produit externe des matrices est défini, pour k R, par : k A = (k a ij )

18 19/44 Addition des matrices Produit par un réel Méthode : Comment additionner deux matrices? vérifier que les deux matrices ont même taille additionner coefficient par coefficient, aux place identiques dans les deux matrices Méthode : Comment multiplier une matrice par un réel k? multiplier chaque coefficient de la matrice par k

19 20/44 Addition des matrices Produit par un réel Exemples ( ) ( ) Si A = et B = alors : ( ) A + B = ( ) A = 6 10 ( 8 ) A + 3 B =

20 21/44 Addition des matrices Produit par un réel Ces calculs peuvent également s effectuer à la calculatrice... Sur TI-82 : Matrice puis EDIT puis sélectionner une matrice Donner la taille de la matrice et la remplir Pour l utiliser : Matrice puis NOMS et sélectionner la matrice Sur TI-89 : APPS Data Matrix Editor new Donner un nom à la matrice et donner sa dimension, puis éditer la matrice saisir A+B, 2A... Casio 35+ Menu Run Maths puis F3 Mat (ou Menu Mat) puis Exe Saisir les dimensions de la matrice Saisir Mat A + Mat B, 2*Mat A...

21 22/44 Addition des matrices Produit par un réel Propriétés de la somme Soient A, B et C trois matrices de dimension n p. Commutativité : A + B = B + A Associativité : (A + B) + C = A + (B + C) Élément neutre est la matrice nulle 0 : A + 0 = 0 + A = A Si A = (a ij ), alors la matrice ( a ij ) est appelée matrice opposée de A, et est notée A Elle vérifie : A + ( A) = ( A) + A = 0 ( 1) A = A A B = A + ( B) Notation La somme finie de n termes A + A + + A est notée n A.

22 23/44 Addition des matrices Produit par un réel Propriétés du produit externe Soient a et b deux réels, A et B deux matrices de dimension n p. Alors : a (b A) = (ab) A (a + b) A = a A + b A a (A + B) = a A + a B 1 A = A

23 24/44 Exercice 3

24 25/44 Exemple préliminaire Généralités Définitions Addition des matrices Produit par un réel Produit des matrices Puissance d une matrice Préliminaire Le produit 1 ligne par 1 colonne Produit des matrices Puissance d une matrice

25 26/44 Préliminaire Le produit 1 ligne par 1 colonne Définition On considère les matrices A = ( ) a 1 a 2 a n et B = b 2 Le produit de la matrice A par la matrice B, noté A B ou AB, est une matrice carrée d ordre 1 définie par : AB = ( a 1 b 1 + a 2 b a n b n ) b 1 b n Exemple Si A = ( ) et B = alors AB = ( ( 3) ( 1) ) = ( 5 )

26 27/44 Produit des matrices Définition Soient A = (a ij ) une matrice n p et B = (b ij ) une matrice p q. On appelle produit de la matrice A par la matrice B, et l on note A B ou AB, la matrice C = (c ij ) de dimension n q définie par : c ij = p a ik b kj = a i1 b 1j + a i2 b 2j + + a ip b pj k=1

27 28/44 Produit des matrices Méthode : Comment multiplier deux matrices entre elles? Soient A et B deux matrices. Pour effectuer le produit A B : vérifier que le nombre de colonnes de A est égal au nombre de lignes de B placer la matrice A en bas à gauche et la matrice B en haut à droite pour calculer le coefficient ligne i colonne j dans la matrice A B : isoler la ligne i dans A isoler la colonne j dans B faire les produits des termes deux à deux, l un dans la ligne de A, l autre dans la colonne de B faire la somme des résultats obtenus placer ce résultat à l intersection de la ligne de A et de la colonne de B recommencer pour tous les coefficients

28 9/44 Produit des matrices Méthode : Comment multiplier deux matrices entre elles? Prenons une matrice A de dimension 3 4 et une matrice B de dimension 4 5. Premièrement nous remarquons que A a 4 colonnes et B a 4 lignes, donc le produit est possible. Ensuite nous plaçons les matrices et calculons par exemple le coefficient ligne 2 colonne 3 : b 13 b 23 b 33 b 43 a 21 a 22 a 23 a 24 c 23

29 30/44 Produit des matrices Exemple ( ) ( ) Soient A = et B = Calculons ( C = ) AB( et D = ) BA :( ) C = = ( 3 5 ) ( 2 1 ) ( 10 2 ) D = = On peut vérifier à l aide de la calculatrice.

30 31/44 Exercice 4

31 32/44 Produit des matrices Autre exemple ( ) ( ) Soient A =, B = et C = A est une matrice 2 2, B est une matrice 2 3 et C est une matrice 3 2. Quelle est la taille de la matrice AB? 2 3 Quelle est la taille de la matrice BA? produit non défini Quelle est la taille de la matrice BC? 2 2 Quelle est la taille de la matrice CB? 3 3 Quelle est la taille de la matrice AC? produit non défini Quelle est la taille de la matrice CA? 3 2

32 33/44 Remarques Produit des matrices On a AB BA : la multiplication des matrices n est pas commutative. Les matrices AB et BA peuvent avoir des tailles différentes. Le produit AB peut exister sans que le produit BA n existe. Le produit d une matrice n p par une matrice p q donne une matrice n q : le nombre de colonnes de la matrice A doit être égal au nombre de lignes de la matrice B. Le produit de 2 matrices carrées d ordre n est une matrice carrée d ordre n. Si A est une matrice carrée d ordre n alors : AI n = I n A = A et en particulier I n I n = I n.

33 34/44 Exercice 5

34 35/44 Produit des matrices Propriété : associativité Soient A une matrice n p, B une matrice p q et C une matrice q r. Alors : (AB)C = A(BC) On dit que la multiplication des matrices est associative et le produit A(BC) est noté ABC.

35 36/44 Produit des matrices Exemple ( ) ( ) Soient A =, B = et C = La matrice AB étant une matrice 2 3, et la matrice BC une matrice 2 2, ( les matrices ) ( (AB)C et A(BC) ) ( sont des matrices ) AB = = ( ) 0 1 ( ) D où (AB)C = = ( ) 0 1 ( ) BC = = D où A(BC) = ( ) ( ) = ( )

36 37/44 Exercice 6

37 38/44 Produit des matrices Propriétés Soient A, B et C trois matrices et k un réel. Lorsque les produits sont définis : A(B + C) = AB + AC (A + B)C = AC + BC (k.a)b = A(k.B) = k.(ab) Exemple Pour A, B et I n matrices carrées d ordre n : (2A 3I n )(3B + 2I n ) = 2A(3B + 2I n ) 3I n (3B + 2I n ) = 6AB + 4AI n 9I n B 6I n I n = 6AB + 4A 9B 6I n

38 39/44 Produit des matrices Remarque L égalité AB = 0 n entraîne ( ) pas nécessairement ( ) A = 0 ou B = Par exemple si A = et B =, on a bien AB = 0, alors que A 0 et B 0.

39 40/44 Puissance d une matrice Le produit de 2 matrices carrées d ordre n étant une matrice carrée d ordre n, l associativité du produit permet de définir la puissance d une matrice. Définition Soit A une matrice carrée d ordre n. On appelle puissance de la matrice A et l on note A n la matrice définie par : { A 1 = A A n+1 = A A n = A n A si n 1

40 1/44 Puissance d une matrice Exemple( ) 0 1 Soit A =. Alors : 1 0 A 1 = A( ) 1 0 A 2 = 0 1 ( ) 0 1 A 3 = ( 1 ) A 4 = 0 1

41 2/44 Puissance d une matrice Conséquence : identités remarquables pour les matrices carrées (A + B)(A B) = A 2 AB + BA B 2 (A + B) 2 = A 2 + AB + BA + B 2 (A B) 2 = A 2 AB BA + B 2 Exemples : développement d expressions matricielles (A + I n ) 2 = A 2 + AI n + I n A + I 2 n = A 2 + 2A + I n (A I n ) 2 = A 2 AI n I n A + I 2 n = A 2 2A + I n (2A + 3B) 2 = 4A 2 + 6AB + 6BA + 9B 2 (A + 2I n )(A 3I n ) = A 2 3AI n + 2I n A 6I 2 n = A 2 A 6I n

42 43/44 Puissance d une matrice Remarque Pour les factorisations on notera, par exemple, que A 2 2A = A (A 2 I n ) et non A 2 2 A = A (A 2) car l expression A - 2 n a pas de sens.

43 44/44 Exercice 7

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