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Sup"GaliléeAnnée 2020/2021
MACS1Analyse numérique - TD6 & TD 7 - Corrigé
Méthodes directes pour la résolution des systèmes linéaires1Méthode de Gauss et factorisationLU
Exercice 1 : un exemple
Soient;;
PR. On considère le système linéaire suivant d"inconnuesx1;x2;x3: %x12x23x3
2x16x25x3
x12x27x3
(1) 1. Écrire le système (1)sous la formeAxxxbbb, avecAPM3pRq,xxxPR3;etbbbPR3, que l"on explicitera. 2. Est-ce que le système (1)admet une unique solution pour tout;; PR? 3.Montrer que Aadmet une unique factorisationLU.
Dans la suite on choisit1, 1et
2et on va résoudre le systèmeAxxxbbbde plusieurs façons :
(a) Résoudre le système (1)par l"algorithme de Gauss sans pivot. (b) Calculer l afacto risationLUdeApuis résoudre le système(1)en utilisant cette factorisationLU. (c) Résoudre le système (1)par l"algorithme de Gauss avec pivot partiel. (d)Calculer la facto risation
LUdePA(oùPest la matrice produit des matrices de permutations effectuées dansl"algorithme de Gauss avec pivot partiel), puis résoudre le système(1)en utilisant cette factorisation.
Correction1. On a
A 1 23 2 65 12 7 ; xxx x 1 x 2 x 3 ; bbb Aetbbbétant les données, etxxxPR3le vecteur inconnu.2. On calculedetpAq 240doncAest inversible. Le système admet donc une unique solution :xxxA1bbb, Pour tout
b bbPR3, c"est-à-dire pour tout;; PR.3. On choisit1, 1et
2. Vérifions queAadmet une unique factorisationLU. D"après le cours (ou l"exercice 3
ci-dessous), une condition suffisante est que les sous matrices principales deAsont inversibles. Ceci est bien le cas car :
detp1q detp1q 10,detp2q det1 2 2 620, etdetp3q detpAq 0.
3. (a) Le fait queAadmet une (unique) factorisationLUrevient à dire que l"on peut effectuer l"algorithme de Gauss sans
pivot. On regroupeAetbbb(en ajoutantbbbà droite deA) : 1 231 2 651 12 72 L2ÐL22L1
L3ÐL3L1
1 2310 2 13
04 101
L3ÐL32L2
1 2310 2 13
0 0 125
A p0qAbbbp0qbbbAp1qbbbp1qAp2qbbbp2qEn posantUAp2qetcccbbbp2qon est ramené à résoudre le système triangulaire supérieurUxxxccc, que l"on résout par
remontée : %12x3 5ñpermet de calculerx3:x3 5122x2x3 3ñpermet de calculerx2connaissantx3:x2 3124
x12x23x31ñpermet de calculerx1connaissantx2;x3:x173
1 (b) Pour trouver la factorisationLUdeAon reprend les étapes de l"algorithme de Gauss : 1 23 2 65 12 7 loooooooooomoooooooooonAAp0qÝÑ
L2ÐL2222L1
L3ÐL3111L1
1 23 0 2 1 04 10 loooooooooomoooooooooon A p1q 1 0 0 2 1 0 1 0 1 loooooooomoooooooon E p1q 1 23 2 65 12 7 loooooooooomoooooooooon A p0q L3ÐL3p222qL2
1 23 0 2 10 0 12
loooooooomoooooooon A p2q 1 0 0 0 1 0 0 2 1 looooooomooooooon E p2q 1 23 0 2 1 04 10 loooooooooomoooooooooon A p1qNotons queEp1qest inversible, etpEp1qq1
1 0 0 2 1 0 1 0 1 . De même,Ep2qest inversible, etpEp2qq1 1 0 0 0 1 0 02 1 Ainsi, à la fin de la 1ère étape de la méthode de Gauss on a : A p1qEp1qA; et à la fin de la 2ème étape on obtient : U defAp2qEp2qAp1qEp2qEp1qA:De l"égalité ci-dessus, on a
E p2qEp1qAUðñA pEp2qEp1qq1UðñA
pEp1qq1pEp2qq1 UðñALU
avecLdef pEp1qq1pEp2qq1 1 0 0 2 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 02 1 1 0 0 2 1 0 12 1Notons que pour obtenirLil suffit de partir de la matrice identitéIpuis de recopier dans cette matrice, en les changeant de
signe, les coefficients utilisés à chaque opération élémentaire 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 2 221 01
112221
I L pEp1qq1pEp2qq1
Si l"on souhaite directement trouver la factorisationLUdeAsans passer par les étapes de l"algorithme de Gauss, alors on
chercheL 1 0 0 211 031`321
etU u11u12u13
0u22u23
0 0u33
telles queLUA. Identifions les coefficients ligne par ligne : Étape 1 : identification de la première ligne deLUA: u11a111; u12a122; u13a13 3:
Étape 2 : identification de la deuxième ligne deLUA:21u11a212ñ`212;
21u12u22a226ñu222;
21u13u23a23 5ñu231:
Étape 2 : identification de la troisième ligne deLUA:31u11a311ñ`311;
31u12`32u22a32 2ñ`32 2;
31u13`32u23u33a337ñu3312:
2C"est cette méthode que l"on généralisera ci-dessous, dans l"exercice 2, pour écrire l"algorithme de calcul de la factorisationLU
d"une matriceAde dimension quelconque. Utilisons maintenant cette factorisationLUpour résoudre le systèmeAxxxbbb. On aAxxxbbbðñLUxxxbbb
ðñLyyybbbpuisUxxxyyy
On résout par descenteLyyybbbet on trouveyyy p1;3;5qt(notons queyyycccde la question (a)). Puis on résoutUxxxyyy
par remontée, et on trouvexxx p73 ;3124 ;512 qt.(c) Effectuons maintenant l"algorithme de Gauss avec pivot partiel. On commence par chercher dans la colonne 1 le plus grand
nombre en valeur absolue : ici 2 (à la 2ème ligne) et on permute la 2ème ligne avec la 1ère :
1 231 2 651 12 72 L2ØL1
2 651 1 231 12 72 Ensuite on effectue la 1ère étape de la méthode de Gauss : 2 651 1 231 12 72 L2ÐL212
12 12 L1 L3ÐL312
12 12 L1 2 651 011232
051925
2On cherche maintenant dans la colonne 2 à partir de la ligne 2 le plus grand nombre en valeur absolue : ici -5 (à la 3ème
ligne) et on permute la 3ème ligne avec la 2ème : 2 651 011232
051925
2 L3ØL2
2 651051925
2 011232 Puis on effectue la 2ème (et dernière) étape de la méthode de Gauss : 2 651
051925
2 011232 L
3ÐL315
15 15 L2 2 651051925
20 01251
En posant
U 2 65 051920 0125
etccc 1 52quotesdbs_dbs33.pdfusesText_39
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