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8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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Rsolution de systmes linaires : Mthodesdirectes
PolytechParis-UPMC
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Proprits mathmatiq
Rappels mathmatiqu
Exemples
Proprits
Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Proprits mathmatiques - p. 2/51
Proprits mathmatiques
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Rappels mathmatiques
Soit rsoudre le systme linaireAx = b.
A
Mn(IR) :
matrice carre de dimension n
n
x, b IRn : vecteurs de dimension n.
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Rappels mathmatiques
Soit rsoudre le systme linaireAx = b.
A
Mn(IR) :
matrice carre de dimension n
n
x, b IRn : vecteurs de dimension n.
CNS dexistence de la solution :
Le systme Ax = b a une solution unique si et seulement si sondterminant est non nul.
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Rappels mathmatiques
Soit rsoudre le systme linaireAx = b.
A
Mn(IR) :
matrice carre de dimension n
n
x, b IRn : vecteurs de dimension n.
CNS dexistence de la solution :
Le systme Ax = b a une solution unique si et seulement si sondterminant est non nul.
Si le dterminant est nul : Si b Im(A) le systme a une infinit de solutions Si b IRn Im(A) le systme na pas de solution
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Exemple 1 :2x1 + 3x2 = 54x1 3x2 = 1
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Exemples
Exemple 1 :2x1 + 3x2 = 54x1 3x2 = 1
Le dterminant vaut D = 18, le systme a une solution uniquex1 = 1, x2 = 1
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Exemples
Exemple 1 :2x1 + 3x2 = 54x1 3x2 = 1
Le dterminant vaut D = 18, le systme a une solution uniquex1 = 1, x2 = 1
Exemple 2 :2x1 + 3x2 = 5
4x1 + 6x2 = 10
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Exemples
Exemple 1 :2x1 + 3x2 = 54x1 3x2 = 1
Le dterminant vaut D = 18, le systme a une solution uniquex1 = 1, x2 = 1
Exemple 2 :2x1 + 3x2 = 5
4x1 + 6x2 = 10
Le dterminant vaut D = 0, le systme a une infinit de solutions :(1, 1) + (3, 2), ( IR).
E l
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Exemple 1 :2x1 + 3x2 = 54x1 3x2 = 1
Le dterminant vaut D = 18, le systme a une solution uniquex1 = 1, x2 = 1
Exemple 2 :2x1 + 3x2 = 5
4x1 + 6x2 = 10
Le dterminant vaut D = 0, le systme a une infinit de solutions :(1, 1) + (3, 2), ( IR).
Exemple 3 :2x1 + 3x2 = 5
4x1 + 6x2 = 9
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Exemple 1 :2x1 + 3x2 = 54x1 3x2 = 1
Le dterminant vaut D = 18, le systme a une solution uniquex1 = 1, x2 = 1
Exemple 2 :2x1 + 3x2 = 5
4x1 + 6x2 = 10
Le dterminant vaut D = 0, le systme a une infinit de solutions :(1, 1) + (3, 2), ( IR).
Exemple 3 :2x1 + 3x2 = 5
4x1 + 6x2 = 9
Le dterminant vaut D = 0, le systme na pas de solution.
P it
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Proprits
On ne change pas la solution dun systme linaire lorsque :
P it
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Proprits
On ne change pas la solution dun systme linaire lorsque :
on permute deux lignes,
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Proprits
On ne change pas la solution dun systme linaire lorsque :
on permute deux lignes,
on permute deux colonnes,
Proprits
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Proprits
On ne change pas la solution dun systme linaire lorsque :
on permute deux lignes,
on permute deux colonnes,
on multiplie une ligne par un rel non nul,
Proprits
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Triangularisation
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Proprits
On ne change pas la solution dun systme linaire lorsque :
on permute deux lignes,
on permute deux colonnes,
on multiplie une ligne par un rel non nul,
on ajoute une ligne une autre.
Proprits
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Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
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Proprits
On ne change pas la solution dun systme linaire lorsque :
on permute deux lignes,
on permute deux colonnes,
on multiplie une ligne par un rel non nul,
on ajoute une ligne une autre.
Nous allons donc utiliser ces transformations pour se ramener uncas simple.
Proprits
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Proprits
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Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
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Proprits
On ne change pas la solution dun systme linaire lorsque :
on permute deux lignes,
on permute deux colonnes,
on multiplie une ligne par un rel non nul,
on ajoute une ligne une autre.
Nous allons donc utiliser ces transformations pour se ramener uncas simple.
! Ces proprits sont vraies dansIR pas dansIF
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Principe gnral des
algorithmes
Les matrices triangulai
Algorithme de remont
Mthodes
Mthodes (suite)
Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
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Principe gnral des algorithmes
Les matrices triangulaires
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Les matrices triangulai
Algorithme de remont
Mthodes
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Ce quil reste faire
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triangularisation
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Les matrices triangulaires
Pour certaines matrices, il est simple de calculer une solution.Dfinition Une matriceA = (aij )1i,jn est triangulairesuprieure (respectivement infrieure) si
i, j t.q. j > i (resp. j > i)
aij = 0Si A est une matrice triangulaire suprieure, et si aucun lmentdiagonal nest nul, la solution du systme Ax = b est :
xn =
bn
ann
xi =bi
nj=i+1 aij xj
aii
Si A est une matrice triangulaire infrieure, et si aucun lment
diagonal nest nul, la solution du systme Ax = b est :
x1 =b1
a11
xi =bi
i1j=1 aij xj
aii
Algorithme de remonte
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Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
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Algorithme de remonte
Dans le cas des matrices triangulaires suprieures, lalgorithme estdonc le suivant.
Donnees : A = (A[i, j])1i,jn, b = (b[i])1indebut
x[n] b[n]
A[n,n]
pour i = n 1 . . . 1 fairesum 0pour k = i + 1 . . . n faire
sum sum + A[i, k] x[k]x[i] b[i]sum
A[i,i]
fin
Algorithme de remonte
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Ce quil reste faire
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Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
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Conditionnement
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Algorithme de remonte
Dans le cas des matrices triangulaires suprieures, lalgorithme estdonc le suivant.
Donnees : A = (A[i, j])1i,jn, b = (b[i])1indebut
x[n] b[n]
A[n,n]
pour i = n 1 . . . 1 fairesum 0pour k = i + 1 . . . n faire
sum sum + A[i, k] x[k]x[i] b[i]sum
A[i,i]
fin
partir dun systme dquations linaires quelconques,
Algorithme de remonte
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Ce quil reste faire
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triangularisation
Conditions
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Algorithme de remonte
Dans le cas des matrices triangulaires suprieures, lalgorithme estdonc le suivant.
Donnees : A = (A[i, j])1i,jn, b = (b[i])1indebut
x[n] b[n]
A[n,n]
pour i = n 1 . . . 1 fairesum 0pour k = i + 1 . . . n faire
sum sum + A[i, k] x[k]x[i] b[i]sum
A[i,i]
fin
partir dun systme dquations linaires quelconques,on triangularise le systme,
Algorithme de remonte
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Ce quil reste faire
Triangularisation
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triangularisation
Conditions
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Conditionnement
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Algorithme de remonte
Dans le cas des matrices triangulaires suprieures, lalgorithme estdonc le suivant.
Donnees : A = (A[i, j])1i,jn, b = (b[i])1indebut
x[n] b[n]
A[n,n]
pour i = n 1 . . . 1 fairesum 0pour k = i + 1 . . . n faire
sum sum + A[i, k] x[k]x[i] b[i]sum
A[i,i]
fin
partir dun systme dquations linaires quelconques,on triangularise le systme,on rsout le systme triangulaire,
Algorithme de remonte
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Ce quil reste faire
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triangularisation
Conditions
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Conditionnement
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go t e de e o te
Dans le cas des matrices triangulaires suprieures, lalgorithme estdonc le suivant.
Donnees : A = (A[i, j])1i,jn, b = (b[i])1indebut
x[n] b[n]
A[n,n]
pour i = n 1 . . . 1 fairesum 0pour k = i + 1 . . . n faire
sum sum + A[i, k] x[k]x[i] b[i]sum
A[i,i]
fin
partir dun systme dquations linaires quelconques,on triangularise le systme,on rsout le systme triangulaire,
pour cela on utilise des permutations de lignes et de colonnes etdes combinaisons linaires de lignes.
Mthodes
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Mthodes
Mthodes (suite)
Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Principe gnral des algorithmes - p. 9/51
Pour rsoudre le systme Ax = b, il faut appliquer les modifications la fois la matrice A et au vecteur b.Il y a deux cas possibles :
Mthodes
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Mthodes
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Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Principe gnral des algorithmes - p. 9/51
Pour rsoudre le systme Ax = b, il faut appliquer les modifications la fois la matrice A et au vecteur b.Il y a deux cas possibles :
On souhaite rsoudre une seule quation Ax = b.
Mthodes
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Mthodes
Mthodes (suite)
Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Principe gnral des algorithmes - p. 9/51
Pour rsoudre le systme Ax = b, il faut appliquer les modifications la fois la matrice A et au vecteur b.Il y a deux cas possibles :
On souhaite rsoudre une seule quation Ax = b.On travaille sur la matrice [A b] qui a n lignes et n + 1 colonnes
Cest llimination de GAUSS
Mthodes
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Les matrices triangulai
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Mthodes
Mthodes (suite)
Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Principe gnral des algorithmes - p. 9/51
Pour rsoudre le systme Ax = b, il faut appliquer les modifications la fois la matrice A et au vecteur b.Il y a deux cas possibles :
On souhaite rsoudre une seule quation Ax = b.On travaille sur la matrice [A b] qui a n lignes et n + 1 colonnes
Cest llimination de GAUSS
Pour rsoudre le systme, il fautUne triangularisation,
Une remonte (solution dun systme triangulaire).
Mthodes (suite)
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algorithmes
Les matrices triangulai
Algorithme de remont
Mthodes
Mthodes (suite)
Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Principe gnral des algorithmes - p. 10/51
On doit rsoudre plusieurs systmes avec la mme matriceAx = b1. . . Ax = bk.
Mthodes (suite)
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Principe gnral des
algorithmes
Les matrices triangulai
Algorithme de remont
Mthodes
Mthodes (suite)
Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Principe gnral des algorithmes - p. 10/51
On doit rsoudre plusieurs systmes avec la mme matriceAx = b1. . . Ax = bk.
On dcompose A en produit de deux matrices triangulaires (Uest suprieure et L infrieure) :
A = L U
Mthodes (suite)
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Principe gnral des
algorithmes
Les matrices triangulai
Algorithme de remont
Mthodes
Mthodes (suite)
Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Principe gnral des algorithmes - p. 10/51
On doit rsoudre plusieurs systmes avec la mme matriceAx = b1. . . Ax = bk.
On dcompose A en produit de deux matrices triangulaires (Uest suprieure et L infrieure) :
A = L U
Une rsolution se fait grce deux systmes triangulaires
Axk = bk
Lyk = bkU xk = yk
Cest la dcomposition LU
Mthodes (suite)
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algorithmes
Les matrices triangulai
Algorithme de remont
Mthodes
Mthodes (suite)
Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Principe gnral des algorithmes - p. 10/51
On doit rsoudre plusieurs systmes avec la mme matriceAx = b1. . . Ax = bk.
On dcompose A en produit de deux matrices triangulaires (Uest suprieure et L infrieure) :
A = L U
Une rsolution se fait grce deux systmes triangulaires
Axk = bk
Lyk = bkU xk = yk
Cest la dcomposition LU
Il faut une triangularisation pour prparer la matrice etdeux remontes par vecteur bk.
Ce quil reste faire
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Principe gnral des
algorithmes
Les matrices triangulai
Algorithme de remont
Mthodes
Mthodes (suite)
Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
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Comment triangulariser ?
Ce quil reste faire
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Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Principe gnral des algorithmes - p. 11/51
Comment triangulariser ?
Quelles conditions ?
Ce quil reste faire
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Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Les matrices triangulai
Algorithme de remont
Mthodes
Mthodes (suite)
Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Principe gnral des algorithmes - p. 11/51
Comment triangulariser ?
Quelles conditions ?
Que faire pour les matrices singulires ?
Ce quil reste faire
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algorithmes
Les matrices triangulai
Algorithme de remont
Mthodes
Mthodes (suite)
Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Principe gnral des algorithmes - p. 11/51
Comment triangulariser ?
Quelles conditions ?
Que faire pour les matrices singulires ?
Que faire pour les matrices rectangulaires ?
Ce quil reste faire
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Principe gnral des
algorithmes
Les matrices triangulai
Algorithme de remont
Mthodes
Mthodes (suite)
Ce quil reste faire
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Principe gnral des algorithmes - p. 11/51
Comment triangulariser ?
Quelles conditions ?
Que faire pour les matrices singulires ?
Que faire pour les matrices rectangulaires ?
Conditionnement du problme ?
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Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 12/51
Triangularisation
Triangularisation simple
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Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 13/51
Contrairement ce quon dit parfois, cette mthode a t rapportepour la premire fois par CHANG TSANG au 2e sicle avant JC. Onlappelle aussi mthode fang-cheng.
La mthode utilise :la multiplication par un scalaire
la somme de deux lignes.
Le but de la mthode est dannuler progressivement les coefficientsqui se trouvent sous la diagonale.
Triangularisation
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Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 14/51
On commence avec A une matrice n lignes et m colonnes
Triangularisation
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Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 14/51
On commence avec A une matrice n lignes et m colonnes
Il y a n tapes :
Triangularisation
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Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
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limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 14/51
On commence avec A une matrice n lignes et m colonnes
Il y a n tapes :
ltape k, on annule sous la diagonale les coefficients de lacolonne k :
Triangularisation
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Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
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limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 14/51
On commence avec A une matrice n lignes et m colonnes
Il y a n tapes :
ltape k, on annule sous la diagonale les coefficients de lacolonne k :
On appelle ke pivot (p(k)) le coefficient de la diagonalep(k) = ak,k
chaque ligne i > k on soustrait la ligne k multiplie par ai,kp(k)
:
q = ai,k
j,k j m on faitai,j = ai,j ak,j .
q
p(k)
Triangularisation
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Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 14/51
On commence avec A une matrice n lignes et m colonnes
Il y a n tapes :
ltape k, on annule sous la diagonale les coefficients de lacolonne k :
On appelle ke pivot (p(k)) le coefficient de la diagonalep(k) = ak,k
chaque ligne i > k on soustrait la ligne k multiplie par ai,kp(k)
:
q = ai,k
j,k j m on faitai,j = ai,j ak,j .
q
p(k)
Par dfinition i > k lorsque j = k on fait lopration :
ai,k = ai,k ai,k= 0
en pratique il ne faut pascalculer ces coefficients pour viterles erreurs de calcul.
Triangularisation
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Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 14/51
On commence avec A une matrice n lignes et m colonnes
Il y a n tapes :
ltape k, on annule sous la diagonale les coefficients de lacolonne k :
On appelle ke pivot (p(k)) le coefficient de la diagonalep(k) = ak,k
chaque ligne i > k on soustrait la ligne k multiplie par ai,kp(k)
:
q = ai,k
j,k j m on faitai,j = ai,j ak,j .
q
p(k)
Par dfinition i > k lorsque j = k on fait lopration :
ai,k = ai,k ai,k= 0
en pratique il ne faut pascalculer ces coefficients pour viterles erreurs de calcul.
Lalgorithme ne fonctionne pas si lun des pivots est nul.
Algorithme de triangularisation
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Triangularisation - p. 15/51
Donnees : A = (A[i, j]),n le nb de lignes,m le nb de colonnesdebut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]
pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . m faire
A[i, j] = A[i, j] A[k, j].
q
p
fin
retourner A la matricetriangulaire
Algorithme de triangularisation
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Triangularisation - p. 15/51
Donnees : A = (A[i, j]),
n le nb de lignes,m le nb de colonnesdebut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]
pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . m faire
A[i, j] = A[i, j] A[k, j].
q
p
fin
retourner A la matricetriangulaire
A
Algorithme de triangularisation
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Triangularisation - p. 15/51
Donnees : A = (A[i, j]),
n le nb de lignes,m le nb de colonnesdebut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]
pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . m faire
A[i, j] = A[i, j] A[k, j].
q
p
fin
retourner A la matricetriangulaire
A(k1)
0
Algorithme de triangularisation
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Triangularisation - p. 15/51
Donnees : A = (A[i, j]),
n le nb de lignes,m le nb de colonnesdebut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]
pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . m faire
A[i, j] = A[i, j] A[k, j].
q
p
fin
retourner A la matricetriangulaire
0
p(1)
p(k1)
a12. . .
a1k. . .
a1
akk+1 akakk
ak+1k+1 ak+1ak+1k
... ... . . . ...
ank ank+1 an
Algorithme de triangularisation
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Triangularisation - p. 15/51
Donnees : A = (A[i, j]),
n le nb de lignes,m le nb de colonnesdebut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]
pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . m faireA
[i, j
] =A
[i, j
] A
[k, j
]. q
p
fin
retourner A la matricetriangulaire
0
p(1)
p(k1)
a12. . .
a1k. . .
a1
akk+1 akakk
ak+1k+1 ak+1ak+1k
... ... . . . ...
ank ank+1 an
Algorithme de triangularisation
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Triangularisation - p. 15/51
Donnees : A = (A[i, j]),
n le nb de lignes,m le nb de colonnesdebut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]
pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . m faireA
[i, j
] =A
[i, j
] A
[k, j
]. q
p
fin
retourner A la matricetriangulaire
0
p(1)
p(k1)
a12. . .
a1k. . .
a1
akk+1 akp
ak+1k+1 ak+1ak+1k
... ... . . . ...
ank ank+1 an
Algorithme de triangularisation
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Triangularisation - p. 15/51
Donnees : A = (A[i, j]),
n le nb de lignes,m le nb de colonnesdebut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]
pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . m faireA
[i, j
] =A
[i, j
] A
[k, j
]. q
p
fin
retourner A la matricetriangulaire
0
p(1)
p(k1)
a12. . .
a1k . . .
a1
akk+1 akp
ak+1k+1 ak+1ak+1k
... ... . . . ...
ank ank+1 an
Algorithme de triangularisation
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Triangularisation - p. 15/51
Donnees : A = (A[i, j]),
n le nb de lignes,m le nb de colonnesdebut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]
pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . m faireA
[i, j
] =A
[i, j
] A
[k, j
]. q
p
fin
retourner A la matricetriangulaire
0
p(1)
p(k1)
a12. . .
a1k . . .
a1
akk+1 akp
ak+1k+1 ak+1q
... ... . . . ...
ank ank+1 an
Algorithme de triangularisation
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Triangularisation - p. 15/51
Donnees : A = (A[i, j]),
n le nb de lignes,m le nb de colonnesdebut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]
pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . m faireA[i, j] = A[i, j] A[k, j]. q
p
fin
retourner A la matricetriangulaire
0
p(1)
p(k1)
a12. . .
a1k . . .
a1
akk+1 akp
ak+1k+1 ak+10
... ... . . . ...
ank ank+1 an
Algorithme de triangularisation
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Triangularisation - p. 15/51
Donnees : A = (A[i, j]),
n le nb de lignes,m le nb de colonnesdebut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]
pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . m faireA[i, j] = A[i, j] A[k, j]. q
p
fin
retourner A la matricetriangulaire
0
p(1)
p(k1)
a12. . .
a1k . . .
a1
akk+1 akp
0 a
k+1k+1ak+1
... ... . . . ...
ank ank+1 an
Algorithme de triangularisation
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Triangularisation - p. 15/51
Donnees : A = (A[i, j]),
n le nb de lignes,m le nb de colonnesdebut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]
pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . m faireA[i, j] = A[i, j] A[k, j]. q
p
fin
retourner A la matricetriangulaire
0
p(1)
p(k1)
a12. . . a
1k . . .
a1
akk+1 akp
0 a
k+1k+1 a
k+1
... ... . . . ...ank ank+1 an
Algorithme de triangularisation
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Triangularisation - p. 15/51
Donnees : A = (A[i, j]),
n le nb de lignes,m le nb de colonnesdebut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]
pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . m faireA[i, j] = A[i, j] A[k, j]. q
p
fin
retourner A la matricetriangulaire
0
p
(1)
p(k1)
a12
. . . a1k . . . a
1
akk+1 akp
0 a
k+1k+1 a
k+1
... ... . . . ...
0 a
nk+1 a
n
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Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 16/51
Pour rsoudre lquation Ax = b (n quations, n inconnues).
limination de GAUSS
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Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 16/51
Pour rsoudre lquation Ax = b (n quations, n inconnues).Construire la matrice [Ab] (n colonnes n + 1 lignes).
limination de GAUSS
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Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 16/51
Pour rsoudre lquation Ax = b (n quations, n inconnues).Construire la matrice [Ab] (n colonnes n + 1 lignes).
Triangulariser la matrice.
limination de GAUSS
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Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 16/51
Pour rsoudre lquationAx
=b
(n
quations,n
inconnues).Construire la matrice [Ab] (n colonnes n + 1 lignes).
Triangulariser la matrice.
Appliquer lalgorithme de remonte
limination de GAUSS
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Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 16/51
Pour rsoudre lquation Ax=
b (n quations, n inconnues).
Construire la matrice [Ab] (n colonnes n + 1 lignes).
Triangulariser la matrice.
Appliquer lalgorithme de remonte
2 n3
3 oprations pour la triangularisation, n2 pour la remonte.
P it th ti
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Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 16/51
Pour rsoudre lquation Ax=
b (n quations, n inconnues).
Construire la matrice [Ab] (n colonnes n + 1 lignes).
Triangulariser la matrice.
Appliquer lalgorithme de remonte
2 n3
3 oprations pour la triangularisation, n2 pour la remonte.
Par exemple :
1 2 3
1 1 2
1 1 1
x =
4
5
6
Proprits mathmatiq
Exemple
triangularisation
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Proprits mathmatiq
Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 17/51
triangularisation
1 2 3
1 1 2
1 1 1
Proprits mathmatiq
Exemple
triangularisation
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Proprits mathmatiq
Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 17/51
triangularisation
1 2 3 4
1 1 2 5
1 1 1 6
Proprits mathmatiq
Exemple
triangularisation
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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Proprits mathmatiq
Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 17/51
triangularisation
1 2 3 4
1 1 2 5
1 1 1 6
1 2 3 4
0 1 1 1
0 1 2 2
Proprits mathmatiq
Exemple
triangularisation
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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p q
Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 17/51
triangularisation
1 2 3 4
1 1 2 5
1 1 1 6
1 2 3 4
0 1 1 1
0 1 2 2
1 2 3 4
0 1 1 1
0 0 1 1
Proprits mathmatiq
Exemple
triangularisation remonte
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Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 17/51
triangularisation
1 2 3 4
1 1 2 5
1 1 1 6
1 2 3 4
0 1 1 1
0 1 2 2
1 2 3 4
0 1 1 1
0 0 1 1
remonte
Proprits mathmatiq
Exemple
triangularisation remonte
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
70/191
Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 17/51
triangularisation
1 2 3 4
1 1 2 5
1 1 1 6
1 2 3 4
0 1 1 1
0 1 2 2
1 2 3 4
0 1 1 1
0 0 1 1
remonte
x3 =1
1= 1
Proprits mathmatiq
Exemple
triangularisation remonte
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Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 17/51
t a gu a sat o
1 2 3 4
1 1 2 5
1 1 1 6
1 2 3 4
0 1 1 1
0 1 2 2
1 2 3 4
0 1 1 1
0 0 1 1
remonte
x3 =1
1= 1
x2 =1 (1 (1))
1= 0
Proprits mathmatiq
Exemple
triangularisation remonte
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Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 17/51
g
1 2 3 4
1 1 2 5
1 1 1 6
1 2 3 4
0 1 1 1
0 1 2 2
1 2 3 4
0 1 1 1
0 0 1 1
x3 =1
1= 1
x2 =1 (1 (1))
1= 0
x1 =
4 (3 (1) + 2 0)
1= 7
Proprits mathmatiq
Exemple
triangularisation remonte
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Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Triangularisation simpl
Triangularisation
Algorithme de triangul
limination de GAUSS
Exemple
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Triangularisation - p. 17/51
g
1 2 3 4
1 1 2 5
1 1 1 6
1 2 3 4
0 1 1 1
0 1 2 2
1 2 3 4
0 1 1 1
0 0 1 1
x3 =1
1= 1
x2 =1 (1 (1))
1= 0
x1 =
4 (3 (1) + 2 0)
1= 7
Donc
x = 70
1
Proprits mathmatiq
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Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 18/51
Forme matricielle de la triangularisation
Proprits mathmatiq
Dcomposition LU
Pour prparer la matrice on souhaite la factoriser en deux
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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Principe gnral desalgorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 19/51
matrices triangulaires :
A =
L
11
.. . 1
Up1
p2
.. .p3
Pour construire L et U on utilise llimination de GAUSS en sesouvenant des oprations faites.
Proprits mathmatiq
Dcomposition LU
Pour prparer la matrice on souhaite la factoriser en deux
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Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 19/51
matrices triangulaires :
A =
L
11
.. . 1
Up1
p2
.. .p3
Pour construire L et U on utilise llimination de GAUSS en sesouvenant des oprations faites.En effet la fin de la triangularisation, on obtient U :
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
A
Proprits mathmatiq
Dcomposition LU
Pour prparer la matrice on souhaite la factoriser en deux
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Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 19/51
matrices triangulaires :
A =
L
11
.. . 1
Up1
p2
.. .p3
Pour construire L et U on utilise llimination de GAUSS en sesouvenant des oprations faites.En effet la fin de la triangularisation, on obtient U :
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
p1
A
Proprits mathmatiq
Dcomposition LU
Pour prparer la matrice on souhaite la factoriser en deux
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algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 19/51
matrices triangulaires :
A =
L
11
.. . 1
Up1
p2
.. .p3
Pour construire L et U on utilise llimination de GAUSS en sesouvenant des oprations faites.En effet la fin de la triangularisation, on obtient U :
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
p1
p2
A
Proprits mathmatiq
P i i l d
Dcomposition LU
Pour prparer la matrice on souhaite la factoriser en deux
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algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 19/51
matrices triangulaires :
A =
L
11
.. . 1
U
p1
p2
.. .p3
Pour construire L et U on utilise llimination de GAUSS en sesouvenant des oprations faites.En effet la fin de la triangularisation, on obtient U :
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
p1
p2
...pn
U
Proprits mathmatiq
P i i l d
Dcomposition LU
Pour prparer la matrice on souhaite la factoriser en deux
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Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 19/51
matrices triangulaires :
A =
L
11
.. . 1
U
p1
p2
.. .p3
Pour construire L et U on utilise llimination de GAUSS en sesouvenant des oprations faites.En effet la fin de la triangularisation, on obtient U :
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
p1
p2
...pn
U
Une tape de llimination revient multiplier A par une matriceM(k) quelle est la forme de cette matrice ?
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
Soientke colonne
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Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 20/51
mki = aikakk
et M(k) =
1 . . .1
. . . 1
mkk+1...mkn
k colonne
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
Soientke colonne
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Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 20/51
mki = aikakk
et M(k) =
1 . . .1
. . . 1
mkk+1...mkn
Alors :
A =
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCAA
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
Soientke colonne
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Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 20/51
mki = aikakk
et M(k) =
1 . . .1
. . . 1
mkk+1...mkn
Alors :
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
11
...
1
M(1)A =
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
p
1
A(1)
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
Soientke colonne
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p g
algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 20/51
mki = aikakk
et M(k) =
1 . . .1
. . . 1
mkk+1...mkn
Alors :
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
11
...
1M(2)
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
11
...
1
M(1)A =
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
p
1
p2 A(2)
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
Soientke colonne
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 20/51
mki = aikakk
et M(k) =
1 . . .1
. . . 1
mkk+1...mkn
Alors :
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
1
...
1
1M(n1)
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
1
1
...
1M(2)
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
1
1
...
1
M(1)A =
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
p
1
p2
...pn
U
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
Soientke colonne
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceL
Inverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 20/51
mki = aikakk
et M(k) =
1 . . .1
.. . 1
mkk+1...mkn
Alors :
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
1
...
1
1M(n1)
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
1
1
...
1M(2)
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
1
1
...
1
M(1)A =
0BBBBBBBB@
1CCCCCCCCA
p
1
p2
...pn
U
Nous avons doncM A = U
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
Calcul de la matrice L
A-t-on obtenu les matrices U et L de la dcomposition ?
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algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 21/51
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
l ith
Calcul de la matrice L
A-t-on obtenu les matrices U et L de la dcomposition ?
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 21/51
le produit de deux matrices triangulaires infrieures esttriangulaire infrieure,Linverse dune matrice triangulaire infrieure est une matricetriangulaire infrieure.
Lorsquelle existe la dcomposition est unique.Cela nous prouve que la matrice U obtenue est celle de ladcomposition LU et que la matrice M est linverse de la matrice Lrecherche.
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Calcul de la matrice L
A-t-on obtenu les matrices U et L de la dcomposition ?
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 21/51
le produit de deux matrices triangulaires infrieures esttriangulaire infrieure,Linverse dune matrice triangulaire infrieure est une matricetriangulaire infrieure.
Lorsquelle existe la dcomposition est unique.Cela nous prouve que la matrice U obtenue est celle de ladcomposition LU et que la matrice M est linverse de la matrice Lrecherche.
Pour calculer la matrice L il faut :
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Calcul de la matrice L
A-t-on obtenu les matrices U et L de la dcomposition ?
l d i d d i i l i i f i
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 21/51
le produit de deux matrices triangulaires infrieures esttriangulaire infrieure,Linverse dune matrice triangulaire infrieure est une matricetriangulaire infrieure.
Lorsquelle existe la dcomposition est unique.Cela nous prouve que la matrice U obtenue est celle de ladcomposition LU et que la matrice M est linverse de la matrice Lrecherche.
Pour calculer la matrice L il faut :
Inverser les M(i),
Calculer le produit :
L = M(1)1
M(2)1
M(3)1
M(n1)1
Inverse de la matrice M(i)
On peut montrer que :
ie l
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Forme matricielle de la triangularisation - p. 22/51
1. . .1
. .. 1X
ie colonne
1. . .1
. .. 1Y
je colonne
=
1. . .
1
1. . .
1X+
Y
ie colonne
si i = j
1. . .1. . .
1.
. . 1
X
Y
ie colonne je colonne
si i < j
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Calcul de L
Donc M(k) est inversible dinverse L(k) avec : 1
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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algorithmes
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 23/51
M(k) =
1 . . .1
. . . 1
mkk+1
mkn
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Calcul de L
Donc M(k) est inversible dinverse L(k) avec : 1
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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g
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 23/51
M(k) =
1 . . .1
. . . 1
mkk+1
mkn
L(k) =
1. . .
1
. . .1
mkk+1
mkn
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Calcul de L (suite)
La matrice L de la dcomposition est :
L L(1) L(2) L(n1)
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 24/51
L = L(1) L(2) L(n 1)
=
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Calcul de L (suite)
La matrice L de la dcomposition est :
L = L(1) L(2) L(n1)
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
95/191
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 24/51
L = L( ) L( ) L( )
=
1
m12 1
. . . 1 mkk+1 1
...
. . . 1
m1n . . . mkn . . . mn1n 1
Rappel : les mki sont les coefficients de llimination de GAUSS
m
k
i =
aik
akk
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Algorithme
Donnees : A = (A[i, j]), n le nombre de lignes et colonnesdebut
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Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 25/51
debut
pour k = 1 . . . n fairep A[k, k]pour i = k + 1 . . . n faire
q A[i, k]A[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . n faireA[i, j] = A[i, j] A[k, j]. q
p
finretourner
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Algorithme
Donnees : A = (A[i, j]), n le nombre de lignes et colonnesdebut
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 25/51
debut
U A
pour k = 1 . . . n fairep U[k, k]pour i = k + 1 . . . n faire
q U[i, k]U[i, k] 0
pour j = k + 1 . . . n faireU[i, j] = U[i, j] U[k, j]. q
p
finretourner U la matrice triangulaire sup erieure,
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Algorithme
Donnees : A = (A[i, j]), n le nombre de lignes et colonnesdebut
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
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Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 25/51
debut
U AL Ipour k = 1 . . . n faire
p U[k, k]pour i = k + 1 . . . n faire
q U[i, k]U[i, k] 0
L[i, k] qppour j = k + 1 . . . n faire
U[i, j] = U[i, j] U[k, j]. qp
finretourner U la matrice triangulaire sup erieure,L la matrice triangulaire inf erieure
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Exemple
Dcomposition de la matrice1 2 3
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Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 26/51
1 2 3
1 1 2
1 1 1
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Exemple
Dcomposition de la matrice1 2 3
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
100/191
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 26/51
3
1 1 2
1 1 1
U(0) =
1 2 3
1 1 2
1 1 1
L(0) =
1 0 0
0 1 0
0 0 1
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Exemple
Dcomposition de la matrice1 2 3
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
101/191
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 26/51
1 1 2
1 1 1
U(0) =
1 2 3
1 1 2
1 1 1
L(0) =
1 0 0
0 1 0
0 0 1
U(1) =
1 2 30 1 10 1 2
L(1) = 1 0 01 1 0
1 0 1
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Exemple
Dcomposition de la matrice1 2 3
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
102/191
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Dcomposition LU
Calcul de la matriceLInverse de la matrice
Calcul deL
Calcul deL (suite)
Algorithme
Exemple
Conditions
Recherche de pivots m
Conditionnement
Forme matricielle de la triangularisation - p. 26/51
1 1 2
1 1 1
U(0) =
1 2 3
1 1 2
1 1 1
L(0) =
1 0 0
0 1 0
0 0 1
U(1) =
1 2 30 1 10 1 2
L(1) = 1 0 01 1 01 0 1
U(2) = 1 2 30 1 1
0 0 1
L(2) = 1 0 01 1 01 1 1
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
103/191
Triangularisation
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Conditions
Pivots nuls
Exemple
Exemple (suite)
Recherche de pivots m
Conditionnement
Conditions - p. 27/51
Conditions
Conditions
Cet algorithme est applicable sur A ssi tous les pivotsp(k) sont non nuls.
Comment tre sur que ces pivots ne seront pas nuls ?
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
104/191
Conditions - p. 28/51
Conditions
Cet algorithme est applicable sur A ssi tous les pivotsp(k) sont non nuls.
Comment tre sur que ces pivots ne seront pas nuls ?
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
105/191
Conditions - p. 28/51
Thorme Llimination de GAUSS fonctionne sur une matriceA = (aij )1i,jn si et seulement si toutes ses matrices principales ( en coin )
Ak = (aij )1i,jk sont inversibles
a11 a12
a21 a22
a13
a23a31 a32 a33
. . .
. . .
. . .
......
.... . .
a1n
a2na3n
...
an1 an2 an3 . . . ann
Conditions
Cet algorithme est applicable sur A ssi tous les pivotsp(k) sont non nuls.
Comment tre sur que ces pivots ne seront pas nuls ?
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
106/191
Conditions - p. 28/51
Thorme Llimination de GAUSS fonctionne sur une matriceA = (aij )1i,jn si et seulement si toutes ses matrices principales ( en coin )
Ak = (aij )1i,jk sont inversibles
a11 a12
a21 a22
a13
a23a31 a32 a33
. . .
. . .
. . .
......
.... . .
a1n
a2na3n
...
an1 an2 an3 . . . ann
A1
Conditions
Cet algorithme est applicable sur A ssi tous les pivotsp(k) sont non nuls.
Comment tre sur que ces pivots ne seront pas nuls ?
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
107/191
Conditions - p. 28/51
Thorme Llimination de GAUSS fonctionne sur une matriceA = (aij )1i,jn si et seulement si toutes ses matrices principales ( en coin )
Ak = (aij )1i,jk sont inversibles
a11 a12
a21 a22
a13
a23a31 a32 a33
. . .
. . .
. . .
......
.... . .
a1n
a2na3n
...
an1 an2 an3 . . . ann
A2
Conditions
Cet algorithme est applicable sur A ssi tous les pivotsp(k) sont non nuls.
Comment tre sur que ces pivots ne seront pas nuls ?
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
108/191
Conditions - p. 28/51
Thorme Llimination de GAUSS fonctionne sur une matriceA = (aij )1i,jn si et seulement si toutes ses matrices principales ( en coin )
Ak = (aij )1i,jk sont inversibles
a11 a12
a21 a22
a13
a23a31 a32 a33
. . .
. . .
. . .
......
.... . .
a1n
a2na3n
...
an1 an2 an3 . . . ann
A3
Conditions
Cet algorithme est applicable sur A ssi tous les pivotsp(k) sont non nuls.
Comment tre sur que ces pivots ne seront pas nuls ?
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
109/191
Conditions - p. 28/51
Thorme Llimination de GAUSS fonctionne sur une matriceA = (aij )1i,jn si et seulement si toutes ses matrices principales ( en coin )
Ak = (aij )1i,jk sont inversibles
a11 a12
a21
a22
a13
a23
a31 a32 a33
. . .
. . .
. . .
......
.... . .
a1n
a2n
a3n
...
an1 an2 an3 . . . ann
A4
Conditions
Cet algorithme est applicable sur A ssi tous les pivotsp(k) sont non nuls.
Comment tre sur que ces pivots ne seront pas nuls ?
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
110/191
Conditions - p. 28/51
Thorme Llimination de GAUSS fonctionne sur une matriceA = (aij )1i,jn si et seulement si toutes ses matrices principales ( en coin )
Ak = (aij )1i,jk sont inversibles
a11 a12
a21
a22
a13
a23
a31 a32 a33
. . .
. . .
. . .
......
.... . .
a1n
a2n
a3n
...
an1 an2 an3 . . . ann
An = A
Conditions
Cet algorithme est applicable sur A ssi tous les pivotsp(k) sont non nuls.
Comment tre sur que ces pivots ne seront pas nuls ?
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
111/191
Conditions - p. 28/51
Thorme Llimination de GAUSS fonctionne sur une matriceA = (aij )1i,jn si et seulement si toutes ses matrices principales ( en coin )
Ak = (aij )1i,jk sont inversibles
a11 a12
a21
a22
a13
a23
a31 a32 a33
. . .
. . .
. . .
......
.... . .
a1n
a2n
a3n
...
an1 an2 an3 . . . ann
Cela ne donne pas de moyen priori pour savoir si la mthode fonctionne.
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Pivots nuls
Le fait quune matrice principale Ak ne soit pas inversible ne signifiepasque la matrice A nest pas inversible.
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
112/191
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Conditions
Pivots nuls
Exemple
Exemple (suite)
Recherche de pivots m
Conditionnement
Conditions - p. 29/51
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Pivots nuls
Le fait quune matrice principale Ak ne soit pas inversible ne signifiepasque la matrice A nest pas inversible.
Par exemple :
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
113/191
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Conditions
Pivots nuls
Exemple
Exemple (suite)
Recherche de pivots m
Conditionnement
Conditions - p. 29/51
Par exemple :
0 11 1
1 1 01 1 10 1 1
ces matrices sont inversibles et peuvent tre triangularises par
une mthode un peu plus complexe.
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Pivots nuls
Le fait quune matrice principale Ak ne soit pas inversible ne signifiepasque la matrice A nest pas inversible.
Par exemple :
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
114/191
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Conditions
Pivots nuls
Exemple
Exemple (suite)
Recherche de pivots m
Conditionnement
Conditions - p. 29/51
Par exemple :
0 11 1
1 1 01 1 10 1 1
ces matrices sont inversibles et peuvent tre triangularises par
une mthode un peu plus complexe.
Lavis du mathmaticien :
si un pivot est nul, alors on permute deux lignes
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Pivots nuls
Le fait quune matrice principale Ak ne soit pas inversible ne signifiepasque la matrice A nest pas inversible.
Par exemple :
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
115/191
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Conditions
Pivots nuls
Exemple
Exemple (suite)
Recherche de pivots m
Conditionnement
Conditions - p. 29/51
Par exemple :
0 11 1
1 1 01 1 10 1 1
ces matrices sont inversibles et peuvent tre triangularises par
une mthode un peu plus complexe.
Lavis du mathmaticien :
si un pivot est nul, alors on permute deux lignes
car :Thorme Si tous les pivots possibles sont nuls alors la matriceest singulire
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Pivots nuls
Le fait quune matrice principale Ak ne soit pas inversible ne signifiepasque la matrice A nest pas inversible.
Par exemple :
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
116/191
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Conditions
Pivots nuls
Exemple
Exemple (suite)
Recherche de pivots m
Conditionnement
Conditions - p. 29/51
Par exemple :
0 11 1
1 1 01 1 10 1 1
ces matrices sont inversibles et peuvent tre triangularises par
une mthode un peu plus complexe.
Lavis du mathmaticien :
si un pivot est nul, alors on permute deux lignes
car :Thorme Si tous les pivots possibles sont nuls alors la matriceest singulire
Pourquoi cela nest-il pas satisfaisant ?
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Exemple
En modifiant lgrement la matrice prcdente :
1 1 01 1 1
x =
01
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
117/191
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Conditions
Pivots nuls
Exemple
Exemple (suite)
Recherche de pivots m
Conditionnement
Conditions - p. 30/51
1 1 10 1 1
x = 12
La solution est(1, 1, 1).
Appliquons la mthode de triangularisation avec 4 chiffresdcimaux de prcision en arrondi au plus prs.
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Exemple
En modifiant lgrement la matrice prcdente :
13 13 01 1 1
x =
01
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
118/191
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Conditions
Pivots nuls
Exemple
Exemple (suite)
Recherche de pivots m
Conditionnement
Conditions - p. 30/51
1 1 10 1 1
x 12
La solution est(1, 1, 1).
Appliquons la mthode de triangularisation avec 4 chiffresdcimaux de prcision en arrondi au plus prs.
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
Exemple
En modifiant lgrement la matrice prcdente :
13 13 01 1 1
x =
01
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
119/191
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Conditions
Pivots nulsExemple
Exemple (suite)
Recherche de pivots m
Conditionnement
Conditions - p. 30/51
1 1 10 1 1
x 12
La solution est(1, 1, 1).
Appliquons la mthode de triangularisation avec 4 chiffresdcimaux de prcision en arrondi au plus prs. La matrice A
devient :
A =
13
13 0
1 1 1
0 1 1
Proprits mathmatiq
Principe gnral des
algorithmes
Triangularisation
F t i i ll d l
Exemple
En modifiant lgrement la matrice prcdente :
13
13 0
1 1 1
x = 01
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
120/191
Forme matricielle de la
triangularisation
Conditions
Conditions
Pivots nulsExemple
Exemple (suite)
Recherche de pivots m
Conditionnement
Conditions - p. 30/51
0 1 1
2
La solution est(1, 1, 1).
Appliquons la mthode de triangularisation avec 4 chiffresdcimaux de prcision en arrondi au plus prs. La matrice A
devient :
A =
0.3333 0.3333 0
1 1 1
0 1 1
Exemple (suite)
0.3333 0.3333 01 1 10 1 1
x =
012
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
121/191
Conditions - p. 31/51
Exemple (suite)
0.3333 0.3333 00 1+0.9999 10 1 1
x =
012
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
122/191
Conditions - p. 31/51
Exemple (suite)
0.3333 0.3333 00 1E 4 10 1 1
x =
012
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-meth_dir_sys_lin (1)
123/191
Conditions - p. 31/51
Exemple (suite)
0.3333 0.3333 00 1E 4 10 1 1
x =
012
0 3333 0 3333 0
0
http://www.polytech.upmc.fr/http://www.upmc.fr/8/6/2019 cours2-me