1.2 Définition et exemples
Un système linéaire en les variables \(x_1,x_2,\dots,x_n\) est une famille d'équations du type suivant: \[ (*) \left\{ \begin{array}{ccccccccc} a_{11}x_1&+&a_{12}x_2&+&\cdots&+&a_{1n}x_n&=&b_1\\ a_{21}x_1&+&a_{22}x_2&+&\cdots&+&a_{2n}x_n&=&b_2\\ \vdots&&&&&&&\vdots&\\ a_{m1}x_1&+&a_{m2}x_2&+&\cdots&+&a_{mn}x_n&=&b_m \end{array} \right. \] Un tel système est dit ''\(m\times n\)'': il contient \(m\) équations, et \(n\) variables. Les nombres \(a_{kj}\) (\(1\leqslant k\leqslant m\), \(1\leqslant j\leqslant n\)) sont appelés les coefficients du système, les \(b_k\) (\(1\leqslant k\leqslant m\)) forment le second membre.

Remarque: Insistons sur le fait que les coefficients \(a_{ij}\), ainsi que le second membre, sont des nombres fixés qui ne dépendent pas des \(x_i\); en général ils sont donnés par une situation pratique.

On peut voir un système \((*)\) comme une famille de \(m\) contraintes que les variables \(x_1,\dots,x_n\) doivent satisfaire, où la \(k\)ème contrainte est \[ \begin{array}{ccccccccc} a_{k1}x_1&+&a_{k2}x_2&+&\cdots&+&a_{kn}x_n&=&b_k \end{array} \] (On appelle cette contrainte une équation linéaire.)

Résoudre un système linéaire

Considérons un système \(m\times n\) donné, comme \((*)\).

Une famille de nombres \((\bar{x}_1,\bar{x}_2,\dots,\bar{x}_n)\) est solution de \((*)\) si elle satisfait simultanément aux \(m\) contraintes spécifiées par \((*)\). L'ensemble des solutions de \((*)\) est noté \(S_{(*)}\).

Lorsqu'un système est compatible, le résoudre signifiera trouver toutes ses solutions. Dans ce cas, on devra aussi savoir décrire précisément \(S_{(*)}\). Voyons deux exemples simples.

Exemple: Le système \(2\times 2\) \[ (*) \left\{ \begin{array}{ccccccccc} x_1 &+& x_2 &=&1\\ x_1 &+& x_2 &=&0\\ \end{array} \right. \] est incompatible. En effet, quelle que soit la valeur de \(x_1\) et \(x_2\), la somme \(x_1+x_2\) ne peut pas être à la fois égale à \(1\) et à \(0\). Donc \(S_{(*)}=\varnothing\).

Exemple: Considérons le système \(1\times 2\) suivant: \[ \left\{ \begin{array}{ccccccccc} x_1 &+& x_2 &=&1\\ \end{array} \right. \] On trouve facilement des solutions: \((1,0)\), \((2,-1)\), \((3,-2)\), etc. Donc ce système est compatible, et semble même posséder une infinité de solutions. Pour décrire son ensemble de solutions précisément (pour n'en oublier aucune!), il suffit de remarquer que l'on peut toujours choisir une des variables, et prendre l'autre en fonction de façon à ce que la relation soit satisfaite. Par exemple, en choisissant \(x_1\), on garantit que la contrainte est satisfaite en prenant \[x_2=1-x_1\,.\] Lorsqu'on peut ainsi choisir une variable, appelée variable libre, on a avantage à y penser comme à un paramètre, et à utiliser une autre lettre pour la décrire. Si on utilise la lettre \(t\) pour ce paramètre, on a \[\begin{aligned} x_1&=t\,,\\ x_2&=1-t\,. \end{aligned}\] Les variables \(x_1\) et \(x_2\) étant exprimées en fonction des variables libres, on les appelle variables liées (ou variables de base). On peut finalement exprimer l'ensemble des solutions comme suit: \[ S=\{(t,1-t)\,:\,t\in \mathbb{R}\}\,. \]

Quiz 1.2-1 : Parmi les systèmes d'équations ci-dessous, lesquels sont des systèmes linéaires?
  1. \[ \left\{ \begin{array}{c} \sin(x_1) &+& x_2 &=&0\\ x_1 &+& \cos(x_2) &=&1 \end{array} \right. \]
  2. \[ \left\{ \begin{array}{c} x_1 &+& x_2 &+& x_3 &=& -1\\ x_1 &+& x_2 &-& x_3 &=& 0\\ && && 0 &=& 7 \end{array} \right. \]
  3. \[ \left\{ \begin{array}{c} x_1 &=& 1\\ x_1 &=& 2\\ x_1 &=& 3\\ x_1 &=& 4\\ x_1 &=& 5 \end{array} \right. \]
  4. \[ \left\{ \begin{array}{c} x_1 &+& 4x_2 &+& x_3 &=& 0\\ x_2 &-& 5x_2 &+& x_1 &=& -1\\ -2x_2 &+& x_1 &+& x_3 &=& x_4\\ 9x_1 &-& x_2 &+& x_4 &=& 3x_1 \end{array} \right. \]
  5. \[ \left\{ \begin{array}{c} x_1 &+& 3x_2 &+& 2x_3 &-& x_4 &=& 3\\ x_1 &+& x_2 &+& x_3 &+& x_1x_4 &=& -2\\ x_1 &+& x_4x_2 &+& x_3 &+& {x_4}^2 &=& 1 \end{array} \right. \]