Exercice 1 — matrices et système (5 points), dans l'esprit des sessions Informatique 2022–2026
On considère les matrices
- Inverse de .
- Calculer le déterminant de et en déduire que est inversible. (On notera la matrice inverse de .)
- Calculer et vérifier que .
- En déduire que , puis écrire la matrice .
- On considère le système suivant, où , et sont des réels :
- Donner l'écriture matricielle de .
- Résoudre alors le système dans .
- Pour tout nombre complexe , on considère , où , et sont des réels tels que et ( désigne la partie imaginaire de ).
- Montrer que et que .
- Montrer que les conditions et sont équivalentes au système
- En déduire que .
- Résolution de l'équation .
- Vérifier que, pour tout nombre complexe , .
- Résoudre alors dans l'équation .
Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche
1.a Idée : développer suivant la première ligne ; une matrice carrée est inversible si et seulement si son déterminant est non nul.
donc : la matrice est inversible.
1.b Produit ligne par colonne (par exemple, le coefficient de la ligne 2, colonne 1 vaut ) :
En ajoutant coefficient par coefficient, les termes hors diagonale s'annulent (, , , …) et les termes diagonaux valent , et , soit : .
1.c Idée : factoriser par pour faire apparaître un produit égal à . , donc , ce qui donne :
2.a On pose et : les coefficients de sont exactement ceux de , donc .
2.b Idée : est inversible, on multiplie à gauche par . :
La solution unique de est . Vérification : , et .
3.a On remplace par , puis on regroupe parties réelle et imaginaire (, , sont réels) :
soit . Avec et :
soit .
3.b Idée : un nombre complexe est nul si et seulement si ses parties réelle et imaginaire sont nulles. et ; la condition s'écrit . Les deux conditions équivalent donc au système annoncé.
3.c Ce système est le système de la question 2, les inconnues s'appelant , , au lieu de , , . D'après 2.b, , et . On remplace : , et , d'où .
4.a On développe :
.
4.b Idée : un produit est nul si et seulement si l'un de ses facteurs est nul ; le facteur du second degré se résout avec son discriminant. ou . Pour cette équation du second degré :
: une racine carrée de est . Les solutions sont et .
L'ensemble des solutions de est .