Depuis la Troisième, tu sais qu’une égalité comme possède une infinité de solutions : tous les couples qui la vérifient, et que ces couples, placés dans un repère, dessinent une droite. Ce chapitre franchit une étape décisive : on impose à un couple de vérifier deux équations à la fois. On parle alors de système, et le résoudre revient, comme tu vas le découvrir, à repérer le point commun à deux droites — quand il existe.
Cette question n’a rien d’abstrait. Comparer deux tarifs de transport, répartir une somme entre deux prix de sacs au marché, retrouver l’âge de deux personnes à partir de deux indices, mélanger deux produits pour obtenir une quantité et un coût donnés : toutes ces situations se traduisent par un système de deux équations à deux inconnues. Savoir le poser, puis le résoudre proprement, est l’une des compétences les plus utiles de toute l’algèbre du lycée.
Par rapport à la Troisième, trois choses changent. D’abord, tu vas disposer de deux méthodes de résolution systématiques — substitution et combinaison — au lieu de tâtonnements. Ensuite, l’interprétation graphique devient un outil à part entière : sécantes, parallèles ou confondues, la position relative de deux droites se lit directement sur les coefficients de leurs équations, grâce à un nombre appelé déterminant. Enfin, tu apprendras à traiter des inéquations à deux inconnues, dont la solution n’est plus un point mais toute une région du plan.
À la fin du chapitre, tu sauras résoudre un système par les deux méthodes, l’interpréter géométriquement, discuter du nombre de solutions sans calcul superflu, représenter un système d’inéquations, et modéliser un problème concret de la vie courante par un système.
1Résolution par substitution et combinaison
1.1 Écriture d’un système linéaire
Soient , , , , , des nombres réels. Un système de deux équations à deux inconnues et s’écrit :
Résoudre ce système, c’est trouver l’ensemble de tous les couples qui vérifient simultanément les deux équations. Un tel couple s’appelle une solution du système.
Chaque équation, prise isolément, est celle d’une droite (sauf cas dégénéré où ). Résoudre le système, c’est donc chercher les points communs à ces deux droites — nous y reviendrons en détail dans la section 2. Retiens dès maintenant un outil de diagnostic rapide, que nous justifierons complètement en section 3.
On appelle déterminant du système le nombre :
Si , le système possède une unique solution : c’est le cas le plus fréquent, celui que traitent les méthodes ci-dessous. Si , il faut approfondir l’étude : c’est l’objet de la section 3.
Pour le système , on a , , , .
- : une unique solution existe
1.2 La méthode par substitution
1. Dans l’une des deux équations, on isole une inconnue (celle dont le coefficient est le plus simple, souvent ).
2. On remplace cette inconnue par son expression dans l’autre équation : on obtient une équation à une seule inconnue.
3. On résout cette équation, puis on revient calculer la seconde inconnue.
4. On vérifie le couple obtenu dans les deux équations de départ.
Résolvons .
- de (1) : on isole
- on remplace dans (2) :
- on revient à :
Vérification dans (2) : . ✓ D’où .
Résolvons .
- de (2) : coefficient devant dans (2)
- on remplace dans (1) :
- d’où
Vérification dans (1) : . ✓ D’où .
La substitution se fait toujours dans l’équation qui n’a pas servi à isoler l’inconnue. Remplacer dans la même équation donne une identité qui ne renseigne sur rien : c’est l’erreur la plus fréquente en début d’apprentissage.
1.3 La méthode par combinaison linéaire
1. On choisit une inconnue à éliminer. On multiplie chaque équation par un nombre bien choisi (le second membre compris !) pour que cette inconnue ait des coefficients opposés dans les deux équations.
2. On additionne les deux équations membre à membre : l’inconnue choisie disparaît.
3. On résout l’équation à une inconnue restante, puis on substitue pour obtenir la seconde.
Résolvons en éliminant .
- :
- : coefficients de opposés : et
- on additionne :
- dans (1) :
D’où — on retrouve, sans surprise, le déterminant calculé plus haut.
Résolvons : les coefficients de sont déjà opposés ( et ), on additionne directement.
- :
- dans (1) :
D’où .
Bien avant l’écriture algébrique moderne, les scribes babyloniens résolvaient déjà des systèmes de deux équations à deux inconnues. Des tablettes d’argile datées d’environ , conservées aujourd’hui au British Museum, posent des problèmes du type : « la somme de deux longueurs vaut tant, leur produit ou une combinaison vaut tant » — et donnent une méthode de résolution rédigée en langage courant, sans aucun symbole.
Il faudra attendre le mathématicien grec Diophante d’Alexandrie, vers , pour voir apparaître un embryon de notation symbolique dans son traité Arithmetica. La méthode de substitution que tu utilises aujourd’hui est, dans son principe, exactement celle des scribes babyloniens : seule l’écriture a changé.
2Interprétation graphique
Une équation de droite peut s’écrire sous deux formes, et savoir passer de l’une à l’autre est indispensable pour tout ce chapitre.
2.1 Forme réduite et forme cartésienne
Toute droite non parallèle à l’axe des ordonnées admet une équation réduite :
où est le coefficient directeur (la pente) et l’ordonnée à l’origine (l’image de ). Toute droite du plan, sans exception, admet aussi une équation cartésienne :
Si , on isole dans :
D’où et . Si , la droite est verticale d’équation : elle n’a pas d’équation réduite .
La droite a pour équation réduite :
- ,
2.2 Résoudre un système graphiquement
Résoudre le système , c’est chercher les points communs aux droites et qu’elles représentent. Le couple solution est constitué des coordonnées du (ou des) point(s) d’intersection.
Reprenons le système résolu par substitution en 1.2, de solution . Sous forme réduite, il s’écrit : deux droites de pentes opposées et , donc sécantes (pentes différentes).
1. On met chaque équation sous forme réduite . 2. On trace les deux droites dans un même repère (deux points suffisent pour chacune). 3. On lit les coordonnées du point d’intersection. 4. On vérifie ce résultat par le calcul : une lecture graphique ne donne, en général, qu’une valeur approchée.
Une lecture graphique n’a jamais la précision d’un calcul. Si les coordonnées lues ne sont pas des nombres « ronds », c’est le signal qu’il faut résoudre algébriquement (substitution ou combinaison) pour obtenir la valeur exacte.
3Systèmes sans solution ou à une infinité de solutions
Tous les systèmes n’ont pas une unique solution. Reprenons le déterminant annoncé en ouverture du chapitre, et allons jusqu’au bout de la discussion.
3.1 Trois cas possibles
Soit le système , de droites associées et , et de déterminant .
- Si : les droites sont sécantes, le système a une unique solution.
- Si et les deux équations ne sont pas proportionnelles : les droites sont strictement parallèles, le système n’a aucune solution.
- Si et les deux équations sont proportionnelles : les droites sont confondues, le système a une infinité de solutions.
Plaçons-nous dans le cas où et (le cas des droites verticales se traite de façon analogue). Les formes réduites sont avec , et avec .
- ,
Donc équivaut à même coefficient directeur : les droites sont parallèles, au sens large (ce qui inclut le cas confondu). Deux droites parallèles distinctes () n’ont, par définition, aucun point commun. Deux droites parallèles confondues () ont tous leurs points en commun. Réciproquement, si , les droites ne sont pas parallèles : elles sont sécantes, en un unique point. C.Q.F.D.
3.2 Reconnaître les deux cas particuliers
Étudions , soit : même coefficient directeur , mais .
- :
- égalité fausse : impossible
La combinaison mène à une égalité fausse : le système n’a aucune solution, . Les droites sont strictement parallèles.
Étudions . On remarque que (2) (1).
- :
- égalité toujours vraie : identité
La combinaison donne une identité : les deux équations décrivent la même droite. Le système a une infinité de solutions, tous les couples avec .
Obtenir en combinant deux équations ne signifie pas que « et peuvent être n’importe quels réels » ! Cela signifie que les deux équations sont équivalentes : les solutions sont tous les couples vérifiant l’une des deux équations (elles disent la même chose). est libre, mais reste lié à par l’équation de la droite.
Le mathématicien genevois Gabriel Cramer publie en , dans son Introduction à l’analyse des lignes courbes algébriques, une méthode générale pour résoudre un système d’équations linéaires à l’aide de rapports de déterminants — ce que l’on appelle aujourd’hui la règle de Cramer. Le nombre que tu utilises dans ce chapitre en est le cas le plus simple, pour deux équations à deux inconnues.
Cramer n’a pas inventé seul cette idée : des traces d’un raisonnement analogue apparaissent chez le mathématicien japonais Seki Takakazu dès , de façon totalement indépendante. La théorie complète des déterminants ne sera développée qu’au XIXe siècle, notamment par Cauchy.
4Systèmes d’inéquations
Une inéquation à deux inconnues n’a plus, en général, une solution unique ni même un ensemble fini de solutions : sa solution est une région entière du plan.
4.1 Inéquation linéaire à deux inconnues
Une inéquation linéaire à deux inconnues et est une inégalité du type (ou , , ). L’ensemble des couples solutions se représente par un demi-plan, délimité par la droite frontière d’équation .
1. On trace la droite frontière : en trait plein si l’inégalité est large ( ou , frontière incluse), en pointillé si elle est stricte ( ou , frontière exclue). 2. On choisit un point test n’appartenant pas à la droite (souvent l’origine , si elle convient). 3. Si ses coordonnées vérifient l’inégalité, on hachure le demi-plan qui le contient ; sinon, l’autre demi-plan.
Représentons . Frontière : , en trait plein. Test en :
- vrai
vérifie l’inégalité : on hachure le demi-plan qui contient l’origine, sous la droite.
Pour isoler dans une inéquation, on divise parfois par un nombre négatif : dans ce cas, et dans ce cas seulement, le sens de l’inégalité s’inverse. Par exemple (on a divisé par ).
4.2 Système de deux inéquations : intersection de demi-plans
La solution d’un système de plusieurs inéquations est l’intersection des demi-plans solutions de chaque inéquation. Graphiquement, on hachure chaque demi-plan (ou l’on éclaircit la zone rejetée) : la région restée doublement (ou triplement…) hachurée est la solution du système.
Représentons — on reconnaît les droites et de la section 2.
Testons le point : ✓, ✓, ✓ — les trois inégalités sont vraies, appartient à la région solution. Testons : ✓ mais est faux — ce point est rejeté.
La région solution est ici le triangle plein , sommets compris : les trois frontières sont en trait plein car les trois inégalités sont larges ( ou ). Si l’une d’elles avait été stricte, le côté correspondant aurait été tracé en pointillé et exclu de la solution.
5Problèmes de modélisation
C’est ici que tout le chapitre prend son sens : transformer une situation racontée en mots en un système que l’on sait désormais résoudre, puis revenir au contexte de départ pour répondre à la question posée.
5.1 La méthode de mise en équation
1. On choisit clairement les deux inconnues, en précisant leur nature et leur unité (« soit le nombre de… », « soit le prix en F CFA de… »). 2. On traduit chaque information de l’énoncé par une équation. 3. On résout le système par substitution ou combinaison. 4. On vérifie que la solution est cohérente avec le contexte (un âge, une quantité, un prix ne sont jamais négatifs), puis on conclut par une phrase répondant à la question posée.
5.2 Problème de tarifs — le marché Sandaga
Au marché Sandaga, à Dakar, une couturière hésite entre deux fournisseurs de tissu. Le fournisseur A facture F CFA le mètre, sans frais. Le fournisseur B facture F CFA le mètre, plus F CFA de frais de livraison fixes. À partir de combien de mètres le fournisseur B devient-il plus avantageux ?
Soit le nombre de mètres achetés, et le coût total en F CFA. On modélise :
- on égalise :
Les deux fournisseurs coûtent le même prix pour mètres ( F CFA). Comme , le fournisseur A est le moins cher en dessous de m ; au-delà, c’est le fournisseur B qui devient avantageux.
5.3 Problème d’âges
Aujourd’hui, l’âge d’Awa est le triple de celui de son frère Ibrahima. Dans ans, il ne sera plus que le double. Quels sont leurs âges actuels ?
Soit l’âge actuel d’Ibrahima et celui d’Awa (en années).
- aujourd’hui :
- dans ans :
- on développe (2) :
- on substitue (1) dans :
- d’où
Vérification : dans ans, Ibrahima aura ans et Awa ans, et . ✓ Les âges ( et ans) sont positifs et vraisemblables : Ibrahima a 8 ans et Awa 24 ans.
5.4 Problème de mélange
Un producteur veut obtenir kg d’un mélange de deux engrais coûtant au total F CFA. L’engrais A coûte F CFA le kg, l’engrais B coûte F CFA le kg. Quelle masse de chaque engrais faut-il mélanger ?
Soit la masse (en kg) d’engrais A, celle d’engrais B.
- masse totale :
- coût total : , soit
- de (1) :
- dans (2) :
- d’où
Il faut mélanger 4 kg d’engrais A et 6 kg d’engrais B (coût : F CFA ✓).
Fiche mémo
- Système : ; une solution est un couple vérifiant les deux équations.
- Substitution : isoler une inconnue dans une équation, remplacer dans l’autre, résoudre, puis revenir.
- Combinaison : multiplier pour rendre les coefficients d’une inconnue opposés, additionner, résoudre, puis substituer.
- Déterminant .
- : droites sécantes, solution unique. : droites parallèles (au sens large).
- Si : combinaison ⇒ égalité fausse (parallèles distinctes) ; égalité toujours vraie infinité de solutions (confondues).
- Forme réduite : pente, ordonnée à l’origine. Forme cartésienne , avec , si .
- Deux droites : mêmes pentes ⟺ parallèles ; et ⟺ confondues ; ⟺ sécantes.
- Inéquation : demi-plan. Trait plein si ou ; pointillé si ou .
- Pour choisir le demi-plan : tester un point hors de la droite (souvent ).
- Système d’inéquations : la solution est l’intersection des demi-plans.
- Diviser une inéquation par un nombre négatif inverse son sens.
- Modéliser : choisir les inconnues avec unité, traduire chaque donnée, résoudre, vérifier le contexte, conclure par une phrase.
6Exercices corrigés
Quinze exercices, du plus direct au plus exigeant, pour t’entraîner sur toutes les notions du chapitre. Cherche d’abord seul, rédige ta réponse, puis compare avec le corrigé.
Résous par substitution : .
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- de la 2e :
- dans la 1re :
Vérification : et . ✓ .
Résous par combinaison : .
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Les coefficients de sont déjà opposés ( et ).
- on additionne :
- dans la 2e :
Vérification : . ✓ .
Donne le coefficient directeur et l’ordonnée à l’origine de la droite .
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D’où et .
Calcule le déterminant de et précise la position relative des deux droites.
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: les droites sont parallèles au sens large. Or et mais : les équations ne sont pas proportionnelles. Les droites sont strictement parallèles : .
Le couple est-il solution de ?
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- 1re équation vérifiée
- 2e équation vérifiée
Les deux équations sont vérifiées : oui, est solution du système.
Résous , puis vérifie ta solution sur la Figure 6.
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- : on élimine directement
- dans (2) :
, ce que confirme le point d’intersection lu sur la figure ci-dessous.
Résous .
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On chasse d’abord les dénominateurs.
- :
- : soit
- on substitue :
.
Résous .
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On développe d’abord chaque équation.
- :
- : soit
- on substitue :
Vérification : . ✓ .
Pour quelle valeur de les droites et sont-elles parallèles ? Le système a-t-il alors une solution ?
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Deux droites sont parallèles lorsqu’elles ont le même coefficient directeur : il faut . Les ordonnées à l’origine, et , sont différentes quelle que soit la valeur de : pour , les droites sont donc strictement parallèles, et le système n’a aucune solution.
On considère, pour réel, le système .
- Exprime le déterminant en fonction de .
- Pour quelles valeurs de le système a-t-il une unique solution ?
- Étudie les cas et .
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1. Ici , , , .
2. Le système a une unique solution si et seulement si :
- et
3. Si : le système devient . La 2e équation vaut (1re) : les droites sont confondues, infinité de solutions. Si : . En multipliant (1) par : , qui contredit : les droites sont strictement parallèles, .
On reprend le triangle solution du système (Figure 4).
- Donne les coordonnées des sommets , , .
- Calcule la longueur .
- En déduire l’aire du triangle .
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1. est l’intersection de et , soit . est l’intersection de et , soit . est l’intersection de et , soit .
2. et ont la même abscisse : est vertical.
3. est la base du triangle ; la hauteur issue de est la distance horizontale entre et la droite .
- Aire
L’aire du triangle vaut unités d’aire.
La somme des âges d’Aïcha et de Mariam est ans. Il y a ans, Aïcha avait le double de l’âge de Mariam.
- Pose le système modélisant la situation.
- Résous-le.
- Vérifie et conclus.
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1. Soit l’âge actuel d’Aïcha et celui de Mariam.
2.
- (2) développée :
- dans (1) :
3. Il y a ans : Aïcha avait ans, Mariam ans, et . ✓ Les âges sont positifs et cohérents : Aïcha a 35 ans et Mariam 19 ans.
Location de vélos à Bamako. Le loueur A facture F CFA par heure, sans forfait. Le loueur B facture un forfait de F CFA plus F CFA par heure.
- Écris le système donnant le coût (en F CFA) en fonction de la durée (en heures) pour chaque loueur.
- Résous-le : à partir de combien d’heures les deux loueurs coûtent-ils le même prix ?
- Qui est le moins cher pour une location de heures ?
Voir le corrigé détaillé
1.
2.
À partir de 6 heures, les deux loueurs coûtent F CFA.
3. Pour : coûte F CFA, coûte F CFA. Le loueur A est le moins cher pour heures (en dessous de h).
Citerne à Ndjamena. Deux robinets, de débits constants et (en litres par minute), remplissent ensemble un bassin de L en minutes. Si le premier fonctionne seul min et le second seul min, ils versent L au total.
- Écris le système vérifié par et .
- Résous-le.
Voir le corrigé détaillé
1. , soit après simplification
2.
- :
- dans (1) :
Le premier robinet a un débit de 50 L/min, le second de 70 L/min.
Marché d’Abéché. Aminata achète sacs de mil et sacs de sorgho pour F CFA. Fatimé achète sacs de mil et sacs de sorgho pour F CFA. Quel est le prix d’un sac de chaque céréale ?
Voir le corrigé détaillé
Soit le prix (F CFA) d’un sac de mil, celui d’un sac de sorgho :
- :
- :
- on soustrait :
- dans (1) :
Un sac de mil coûte 1 500 F CFA, un sac de sorgho 2 000 F CFA.