Adloun

mathématiques (PTSI) · Chapitre 12 · Application directe du cours

Deux systèmes homogènes, deux conclusions opposées

Matrices · C. Systèmes linéaires · niveau 2

Énoncé

Montrer qu'un système de Cramer homogène n'a que la solution nulle, et qu'un système linéaire homogène ayant moins d'équations que d'inconnues possède toujours des solutions non nulles.

Corrigé

Stratégie : dans les deux cas, on compte les degrés de liberté. Le théorème du rang donne , où est le nombre d'inconnues — c'est-à-dire le nombre de colonnes. Tout est là.

Premier cas — le système de Cramer.

Le système s'écrit avec carrée inversible. Alors , et

donc : la seule solution est la solution nulle. On peut aussi le voir sans le théorème du rang, en multipliant à gauche par : de on tire .

Second cas — moins d'équations que d'inconnues.

Soit avec : équations, inconnues. Le rang de est la dimension de , qui est un sous-espace de ; donc

Le théorème du rang donne alors

Le noyau contient donc au moins une droite : il existe des solutions non nulles, et même un espace de solutions de dimension au moins .

⚠️ Le point délicat : le rang est majoré de DEUX façons. Il est plus petit que le nombre de colonnes — c'est le rang d'une famille de vecteurs — et plus petit que le nombre de lignes — c'est la dimension d'un sous-espace de . C'est la seconde majoration qui sert ici, et c'est celle qu'on oublie, parce qu'on pense spontanément le rang « du côté des colonnes ».

La lecture concrète. Deux équations linéaires homogènes ne peuvent jamais réduire au seul vecteur nul : il reste toujours au moins une droite de solutions. Plus généralement, on ne coince jamais un point avec moins d'équations que d'inconnues — d'où l'intuition, correcte, qu'il faut au moins autant d'équations que d'inconnues pour espérer l'unicité. Attention toutefois : cette condition est nécessaire, pas suffisante — un système de trois équations à trois inconnues peut parfaitement avoir un rang , et donc une droite de solutions.

Contrôle numérique. Prenons et : deux équations, trois inconnues. La matrice est de rang , donc le noyau est de dimension : c'est la droite engendrée par . Vérification : et . La théorie annonçait une dimension au moins , et c'est exactement ce qu'on trouve. ✔

Ce que l'exercice installe. Compter avant de calculer. Le théorème du rang répond à la question « combien de solutions ? » sans en résoudre une seule — et c'est ce comptage, pas le pivot, qui explique pourquoi les systèmes se comportent comme ils le font.

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