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35 SISTEMAS LINEARES Equação linear: é toda equação da forma: bxaxaxa nn =+++ L2211 , onde naaa ,,, 21 L são números reais que recebem o nome de coeficientes das incógnitas nxxx L,, 21 e b é um número real chamado termo independente. Obs: Quando b = 0, a equação recebe o nome de linear homogênea. Exemplos: Equações Lineares Equações Não-Lineares 3x – 2y + 4z = 7 xy - 3z + t = 8 x + y –3z - 7 t = 0 (homogênea) x 2 - 4y = 3t - 4 –2x + 4z = 3t – y + 4 x - y + z = 7 Sistema Linear: Um conjunto de equações lineares da forma: =++++ =++++ =++++ mnmnmmm nn nn bxaxaxaxa bxaxaxaxa bxaxaxaxa L M L L 332211 22323222121 11313212111 é um sistema linear de m equações e n incógnitas. O sistema acima pode ser rescrito na forma de um produto de matrizes AX=B, ou seja: = m n mnmmm n n b b b x x x x aaaa aaaa aaaa M M 2 1 3 2 1 321 2232221 1131211 . ... ............ ... ... Utilizando matrizes, podemos representar este sistema da seguinte forma: mnmm n n aaa aaa aaa ... ............ ............ ... ... 21 22221 11211 . nx x x ... ... 2 1 = nb b b ... ... 2 1 ↑ ↑ ↑ matriz constituída matriz coluna matriz coluna pelos coeficientes constituída pelas dos termos das incógnitas incógnitas independentes Solução do Sistema Linear: Chamamos de solução do sistema a n-upla de números reais ordenados ( )nrrr ,,, 21 L que é, simplesmente, solução de todas equações do sistema. 36 Matrizes associadas a um Sistema Linear Matriz incompleta: É a matriz A, formada pelos coeficientes da incógnitas do sistema. Matriz Completa ou matriz aumentada: É a matriz B, que obtemos ao acrescentarmos à matriz incompleta uma última coluna formada pelos termos independentes das equações do sistema. Ex: Considere o sistema: =++− =++ =−+ 42 74 032 zyx zyx zyx Matriz incompleta: A= − − 1 12 1 14 132 Matriz completa: B = 4 7 0 1 1 1- 1 1 3 2- 4 2 Sistemas Homogêneos: Um sistema é homogêneo quando os termos independentes de todas as equações são nulos. Ex: =+ =−+− =+− 0 3 2 034 0 23 yx zyx zyx Soluções de um Sistema Homogêneo: A n-upla (0, 0, 0, ..., 0) é sempre solução de um sistema linear homogêneo com n incógnitas e recebe o nome de solução trivial. Quando existem, as demais soluções são chamadas não-triviais. Classificação de um sistema linear quanto ao número de soluções Exemplos: S1: =− =+ 12 8 yx yx Tem solução única: o par ordenado (3, 5). Portanto, é SPD. S2: =+ =+ 1622 8 yx yx Tem infinitas soluções: {(x,8-x)}, Portanto, é SPI. 37 S3: =−− =+ 10 10 yx yx Não tem solução. Portanto, é SI. Sistema Normal: Um sistema é normal quando tem o mesmo número de equações (m) e de incógnitas (n) e o determinante da matriz incompleta associada ao sistema é diferente de zero, ou seja, se m = n e det A ≠ 0, o sistema é normal. Obs.: Todo sistema normal é possível e determinado, portanto tem solução única. Ex: Determinar Rk ∈ , de modo que o sistema =+ =+ 5 3 kyx ykx seja normal. Resposta: { }11/ −≠≠∈ kekRk Regra de Cramer: Todo sistema normal tem uma única solução dada por D D x ii = , onde { }ni , 3, ,2 ,1 L∈ , D = detA é o determinante da matriz incompleta associada ao sistema e iD é o determinante obtido através da substituição, na matriz incompleta, da coluna i pela coluna formada pelos termos independentes. Ex: Resolver com o auxílio da Regra de Cramer, os seguintes sistemas: a) =− =+ 332 72 yx yx Resposta: S={(x, y)} = {(3, 1)} b) =+− =−+ =++ ++ + 2222 9222 7222 11 1 zyx zyx zyx ou =+− =−+ =++ 22.22.22 9222.2 7222 11 1 zyx zyx zyx Dica: Substituir: cba yx === z2 e 2,2 , obtendo um sistema linear: =+− =−+ =++ 222 92 7 cba cba cba Resposta: {(2, 1, 0)} c) =−+− =−− =++ 03 0 2 043 zyx zyx zyx Resposta: {(0, 0, 0)}. 38 DISCUSSÃO DE UM SISTEMA LINEAR Para discutir um sistema linear de n equações e n incógnitas, calculamos o determinante D da matriz incompleta. Assim: Se ⇒≠ 0D Sistema é possível e determinado (SPD), ou seja tem solução única. Se ⇒= 0D Sistema pode ser possível e indeterminado (SPI) ou impossível (SI). Observações: Se o 0=D , sistema poderá ser SPI ou SI. Para identificar se é SPI ou SI será necessário encontrar todos os iD ’s tal que: • Se todos os iD forem iguais a 0, é um SPI • Se pelo menos um iD diferente de zero, é um SI. Exemplos: S1: =+− =−+ =+− 623 432 3 zyx zyx zyx , é SPD. S2: =−+ =−+ =++ 0233 43 2 1 2 zyx zyx zyx , é SI. S3: −=++− −=++− =++ 134 2 2 12 3 zyx zyx zyx , é SPI. Sistemas equivalentes: Dois sistemas são equivalentes quando possuem o mesmo conjunto solução. Ex: =+ =+ = 832 3 1 yx yx S e =+ =+ = 52 3 2 yx yx S o par ordenado (x, y) = (1, 2) satisfaz ambos e é único. Logo, 21 e SS são equivalentes: . ~ 21 SS Propriedades dos sistemas equivalentes 1) Trocando de posição as equações de um sistema, obtem-se um outro sistema equivalente. Ex: =++ =+ = = =+ = =++ = Izyx III zy II - zx S III z y II - zx Izyx S )(12 )(2 )(3 e )(2 )(3 )(12 21 2) Multiplicando uma ou mais equações de um sistema por um número k, k *R∈ , obtemos um sistema equivalente ao anterior. Ex: Dado ( ) ( ) =− =+ = IIyx Iyx S 0 32 1 , multiplicando a equação (II) por 3, obtem-se: =− =+ = 03 3 32 2 yx yx S . 3) Adicionando a uma das equações de um sistema o produto de outra equação desse mesmo sistema por um número k, k *R∈ , obtemos um sistema equivalente ao anterior. 39 Ex: Dado ( ) ( ) =− =+ = IIyx Iyx S 1 42 1 , substituindo neste sistema a equação (II) pela soma da equação (I), multiplicada por (-1), com a equação (II), obtemos: 33 42 2 −=− =+ = y yx S Sistema escalonado Considerando um sistemas genérico m x n, ou seja: =++++ =++++ =++++ = mnmnmmm nn nn bxaxaxaxa bxaxaxaxa bxaxaxaxa S L M L L 332211 22323222121 11313212111 , ele está escalonado quandoos coeficientes aij, com i > j , são todos nulos. Ex: = =− = 32 6 3)1 1 y yx S = =− =+− = -54z 2 32 9 z 4 )2 2 zy yx S =− =+− = 0z 4 8542)3 3 y zyx S = =++ =+−+ = 73 422 1232 )4 4 t tzy tzyx S Observação: A técnica de escalonar um sistema linear é muito utilizada, pois pode-se encontrar soluções para sistemas que não tenham o mesmo número de equações e incógnitas (o que não é permitido na Regra de Cramer). Além disso, quando resolver sistemas lineares cujo número de equações (e de incógnitas) excede três, não é conveniente utilizar a Regra de Cramer, por se tornar muito trabalhosa. Procedimentos para escalonar um sistema Utilizar as operações elementares. 1) Resolver os sistemas a seguir, por escalonamento: a. =+ =−+ =+− 2z 2y- x 0 423x 5 z 2 zy yx Resposta: forma escalonada = −=− =+ 67 8 2 2 8 26 8 13 z zy zyx- e solução: {(2, 1, 2)} 40 b. =+ =++ =+− 22 3 12 32 z - yx z yx zy x Resposta: forma escalonada = −=− =+ 2- 0 5 5 3 2 zy zyx- e o sistema é impossível. c. −=++ −=+−+ =−++ 322 1 22 6 t zy- x tz yx t zy x Resposta: forma escalonada =−+ =+−− =−++ 30 612 13- 3 4 6 tz tzy t z yx e o sistema possível e indeterminado. O sistema está escalonado. Entretanto, o número de equações (m) é menor que o número de incógnitas (n). Assim, o sistema é possível e indeterminado, admitindo infinitas soluções. A diferença entre o número de incógnitas (n) e o número de equações (m) de um sistema nessas condições é chamada grau de liberdade GL. + + − = α α α α , 2 5 ,3, 2 1S , sendo R∈α . Para cada valor que seja atribuído a α , é possível encontrar uma quádrupla que é solução para o sistema. OBS.: Se GL >1, então escolhe-se valores K , , βα a todas as incógnitas livres (que não iniciam equações). 41 EXERCÍCIOS 1) Verifique se os sistemas abaixo são normais: a) −=+− =++ =++ 4z2yx 5z2y3x2 1zyx b) =++− =++ =−− 19z6y6x 17z7y4x 6zy3x c) =+ =−+ =++ 9y4x3 0zyx 8zy3x2 2) Determine os valores de k∈R, para que os sistemas sejam normais: a) =++− =++− =++ 0kzyx2 0z3kyx 0z2kyx b) +=−+ =+− k31y2x)1k( k2y4x)1k( c) =++ =++ =++ 1z9y4xk 7z3y2kx 1zyx 2 3) Resolva os seguintes sistemas lineares: a) −=− =+ 4y3x2 5yx3 b) =++ −=+− =−+ 0zyx2 5z4yx3 9z3y2x c) = − − = − − 1 3x5 2y7 y3 x21 4) Determine para quais valores de k o sistema =+ =+ 2kyx2 3y2x é: a) possível e determinado; b) possível e indeterminado; c) impossível. 5) (UFPR) O sistema de equações =++ =++ =−+ QPzyx4 6zyx 10z3yx7 é: a) Impossível, se P ≠ -1 e Q ≠ 8. 42 b) Indeterminado, se P ≠ -1 e Q ≠ 8. c) Indeterminado, se P ≠ -1 e Q=8. d) Impossível, se P=-1 e Q ≠ 8. e) Impossível, se P ≠ -1 e Q=8. 6) Escalone, classifique e resolva os sistemas abaixo: a) =+ =+ 2yx5 1y3x b) =++ =+− 0zyx4 6 2 zyx2 c) =+− −=−+ =+− 8z3yx3 5z2y2x 9zy3x2 d) =−+ =−+ =++ 6zy4x3 4z2y3x2 2zyx e) =+ =+ =− 34y3x5 3yx3 7y4x 7) (Fatec-SP) Dois casais foram a um barzinho. O primeiro pagou R$ 5,40 por 2 latas de refrigerante e uma porção de batatas fritas. O segundo pagou R$ 9,60 por 3 latas de refrigerante e 2 porções de batatas fritas. Nesse local e nesse dia, a diferença entre o preço de uma porção de batas fritas e o preço de uma lata de refrigerante era de: a)R$2,00 b)R$1,80 c)R$1,75 d)R$1,50 e)R$1,20 8) (Unifor-CE)Um pacote tem 48 balas: algumas de hortelã e as demais de laranja. Se a terça parte do dobro do número de balas de hortelã excede a metade do de laranjas em 4 unidades, então nesse pacote há: a) igual número de balas dos dois tipos b) duas balas de hortelã a mais que de laranja c) 20 balas de hortelã d) 26 balas de laranja e) duas balas de laranja a mais que de hortelã 9) (UCDB-MT) O sistema =−−+ =−+− =−+ =−++− 02572 06104 022 022 zyx zyx zyx zyx é: a) impossível b) homogêneo c) determinado d) indeterminado com uma variável arbitrária. e) Indeterminado com duas variáveis arbitrárias. 10) (Cefet-PR) Para a festa do Natal, uma creche necessitava de 120 brinquedos. Recebeu uma doação de R$370,00. Esperava-se comprar carrinhos a R$2,00 cada, bonecas a R$3,00 e bolas a R$3,50. Se o número de bolas deveria ser igual ao número de bonecas e carrinhos juntos, a solução seria comprar: 43 a) 60 bonecas, 30carrinhos e 30 bolas b) 20 bonecas, 40carrinhos e 60 bolas c) 30 bonecas, 30carrinhos e 60 bolas d) 25 bonecas, 45carrinhos e 70 bolas e) 40 bonecas, 20carrinhos e 60 bolas 11) (Unificado- RJ) Para que valores de k existe uma única matriz y x , tal que ? 0 0 1 21 = ⋅ − −− y x k k a) k ≠ -1 b) k=-2 c) k=-2 ou k=1 c) k ≠ -2 e k ≠ 1 d) k ≠ 2 e k ≠ -1 12) (UF-AL) O sistema =− =+ 1 32 ybx yax , nas variáveis reais x e y, é: a) possível e determinado, ∀ a, b∈R. b) possível e indeterminado se a = 2b. c) possível e determinado se a ≠ 2b.∀ a, b∈R. d) possível e indeterminado se a = -2b. e) impossível se a = -2b. 13) (F. M. Triângulo Mineiro-MG) Em três mesas de uma lanchonete o consumo ocorreu da seguinte forma: Mesa Hambúrguer Refrigerante Porção de fritas 1ª 4 2 2 2ª 6 8 3 3ª 2 3 1 A conta da 1ª mesa foi R$18,00 e da 2ª mesa R$30,00. Com esses dados: a) é possível calcular a conta da 3ª mesa e apenas o preço unitário do refrigerante. b) é possível calcular a conta da 3ª mesa, mas nenhum dos preços unitários dos três componentes do lanche. c) é possível calcular a conta da 3ª mesa e além disso, saber exatamente os preços unitários de todos os componentes do lanche. d) não é possível calcular a conta da 3ª mesa, pois deveriam ser fornecidos os preços unitários dos componentes do lanche. e) é impossível calcular a conta da 3ª mesa e os preços unitários dos componentes do lanche, pois deve ter havido um erro na conta da 1ª ou da 2ª mesa. 14) Resolva os sistemas abaixo e classifique-os como SPS, SPI ou SI. a) =−+ =++ =−+ 12274 5432 432 zyx zyx zyx b) =+− =++ =−+ 13427 5423 432 xzy zxy zyx c) =+− =+− =+− 12962 5642 432 zyx zyx zyx 44 d) =++ =++ =++ 11464573221342134670213457322134 7866213421345732 zyx zyx zyx e) =+++ =+++ =+++ =+++ 16537 4375 0753 12753 wzyx wzyx wzyx wzyx f) =++ =+ =+ =+ 0 5 4 2 zyx yx zy zx g) −=+ =+−+ =++− 26 0222 12 yx tzyx tzyx 15) Determine para que valores de m e n o sistema =++ =−+ =+− nmzyx zyx zyx 3 42 132 seja: a) Indeterminado b) impossível 16) Seja o sistema −=++− =+− =−+ 2 52 032 321 321 321 1 xxx xxx xxx :S . a) Verifique se (2, -1, 1) é solução de S. b) Verifique se (0,0,0) é solução de S. 17) Seja o sistema: +=− −=+ 32 93 2 kyx kyx . Calcule k para que o sistema seja homogêneo. 18) Calcular m e n de modo que sejam equivalentes os sistemas: =+ =− 52 1 yx yx e =+ −=− 2 1 mynx nymx 19) Determine m para que ( )2,1,1 −− seja solução da equação 62 =−+ zymx . 20) Dada a equação 1 32 −=+ yx , ache α para que ( )1, +αα torne a sentença verdadeira. 21) Expresse matricialmente os sistemas: 45 a) =− =+ 03 52 yx yx b) =−+− =+ −=++ 253 0 12 cba ca cba 22) A expressão matricial de um sistema S é: − = − 7 4 13 52 b a . . Determine as equações de S. 23) Solucione os sistemas a seguir, utilizando a regra de Cramer. a) −=− =+ 432 52 yx yx b) =+ =− 93 143 yx yx 24) Calcule os valores de x, y e z nos sistemas: a) =−+ =+− =−+ 3233 932 22 zyx zyx zyx b) =−− =−− =−+ 03 05 010 zy zx yx 25) Resolva as equações matriciais: a) − = − 13 9 31 12 y x . b) = − 8 2 2 115 632 741 z y x . 26) Discuta os sistemas, analisando o valor de m, k, p e q: a) =− =+ myx ymx 2 b) =+ =+ 2 1 yx ykx 46 c) =++ =++ =−+ qpzyx zyx zyx 4 6 1037 27) Classifique, quanto ao número de soluções, os seguintes sistemas homogêneos. a) =+− =− 086 043 21 21 xx xx b) =++ =++ =++ 03 0422 0 zyx zyx zyx c) =+ =−− =++ 04 03 02 yx zyx zyx 28) Determine a e b para que o sistema =+ =+ byx ayx 44 126 seja indeterminado. 29) Calcule os valores de a para que o sistema =− =+ 04 123 yax yx seja compatível e determinado. 30) Dê os valores de a para que o sistema −=+− =++ −=+− 542 2 zyax azyx azy seja compatível e determinado. 31) Dê o valor de a para que o sistema =+++ =−+− =++ 054 02 02 azyx azyx yax seja impossível. 32) Determine o valor de k para que o sistema −=− =− =− kxy zx yz 332 224 143 seja indeterminado. 33) Ache m para que o sistema =++ =−+ =+− 023 054 032 zmyx zyx zyx tenha soluções próprias. 47 34) Qual o valor de p para que o sistema =− =++ =−+ 2 0 4 yx zpyx zypx admita uma solução única? 35) (Fuvest-SP) Para quais valores de k o sistema linear −=+ =+− =++ 2 323 1 kzy zyx zyx é compatível e determinado? 36) Escalone, classifique e resolva os sistemas lineares abaixo: a) =+ =+− =++ 02 833 132 zy zyx zyx b) =++ =−+ 5232 2 zyx zyx c) =++ =++ 032 3 zyx zyx Respostas 1) a) Sim b) Sim c) Não 2) a) S={k∈R | k ≠ 2 111± } b) S={k∈R | k ≠ 3 1 − } c) S={k∈R | k ≠ 2 e k ≠ 3} 3) a) S={(1, 2)} b) S={(2, -1, -3)} c)S={(-4, -3)} 4) a) k ≠ 4 b) ∃/ k ∈ R c) k = 4 5) d 6) a) possível e determinado; S= 14 3 , 14 5 b)possível e indeterminado; S= ∈α∀ α− α− R p/ ,4 , 4 4 c) possível e determinado; S= ( ){ }1 ,2,1 − d)possível e indeterminado; S= ( ){ }R p/ ,4 ,52 ∈α∀ααα− e) sistema impossível; S= { } 7) b 8) a 9) c 10) e 11) e 12) e 13) a 14) a) SI (0 = -1) b) SPI S={(x, y, z) = ( )ααα ,103,172 +−− } c) SI (0 = -3) d) SPD S={(x, y, z) = (1, -1, 2)} e) SPD S={(x, y, z, w) = (1, -1, 0, 2)} f) SI (0 = -11/2) 48 g) S={(x, y, z, t) = ++−− α ααα , 27 51 , 27 410 , 27 246 } 15) a) m = 2 e n = 5 b) m = 2 e n ≠ 5 16) a) é b) não é 17) k = -3 18) m = 0 e n = 1 19) -1 20) -8/5 23) a) {(1,2)} b) {(3,2)} 24) a) {(1,2,3)} b) {(6,4,1)} 25) a) 5 2 b) −1 2 1 26) a) SPD se 1−≠m SI se m = –1 b) SPD se 1≠k SI se k = 1 c) SPD se 1−≠p ; SPI se p = –1 e q = 8; SI se p = –1 e 8≠q 27) a) indeterminado. b) indeterminado. c) determinado 28) a = 6 e b = 8 29) 6−≠a 30) { }1 e 4 ≠−≠∈ aa/Ra 31) 1ou 4 =−= aa 32) k = 5 33) 13 3 =m 34){ }1−≠∈ p/Rp 35) ≠∈ 4 1k/Rk 36) a) Sistema possível e determinado, com S = {(1,-1,2)} b) Sistema possível e indeterminado, com S = {(1+5k, 1-4k, k)} c) Sistema possível e indeterminado, com S = {(9-2k, k-6, k)} 49 APLICAÇÕES DE SISTEMAS LINEARES 1. Três irmãos, Paula, Júlia e André, ao confrontarem suas contas de telefone celular, ficaram curiosos em saber quanto custou um minuto de cada tipo de ligação realizada. As rrês contas apresentaram ligações para telefones fixos e móveis (celulares) e ligações internacionais para Buenos Aires, onde moram seus primos. A tabela informa o tempo (em minutos) das ligações que cada um efetuou e o valor correspondente da conta, já descontado o preço da assinatura. Fixo Móvel Internacional (Buenos Aires) Valor Paula 10 min 6 min 2 min 12,20 Júlia 14 min 4 min 3 min 13,40 André 8 min 5 min 5 min 14,70 Vamos denominar x, y e z os preços do minuto de ligação para telefones fixos, para telefones móveis e para Buenos Aires, respectivamente. Desta forma, • A conta de Paula é dada por: 10x + 6y + 2z = 12,20 • A conta de Júlia é dada por: 14x + 4y + 3z = 13,40 • A conta de André é dada por: 8x + 5y + 5z = 14,70 As três equações acima constituem um exemplo de aplicação de sistema linear. 2. (EU-RJ) Observe a tabela de compras realizadas por Mariana: Loja Produtos Preço unitário (R$) Despesa (R$) Caneta 3,00 A Lapiseira 5,00 50,00 Caderno 4,00 B Corretor 2,00 44,00 Sabendo que ela adquiriu a mesma quantidade de canetas e cadernos, além do maior número possível de lapiseiras, o número de corretores comprados foi igual a: a) 11 b) 12 c) 13 d) 14 3. (PUC) Alfeu, Bento e Cintia foram a uma certa loja e cada qual comprou camisasescolhidas entre três tipos, gastando nessa compra os totais de R$134,00, R$ 115,00 e R$ 48,00, respectivamente. Sejam as matrizes: = = z y x XeA 012 501 430 tais que: • os elementos de cada linha de A correspondem às quantidades dos três tipos de camisas compradas por Alfeu (1ª linha), Bento (2ª linha) e Cíntia (3ª linha); • os elementos de cada coluna de A Correspondem às quantidades de um mesmo tipo de camisa; • os elementos de X correspondem aos preços unitários, em reais, de cada tipo de camisa. Nessas condições, o total a ser pago pela compra de uma unidade de cada tipo de camisa é: a) R$53,00 b) R$55,00 c) R$57,00 d) R$62,00 e) R$65,00 50 4. (Vunesp-SP) Um orfanato recebeu uma certa quantidade x de brinquedos para ser distribuída entre as crianças. Se cada criança receber três brinquedos, sobrarão 70 brinquedos para serem distribuídos; mas, para que cada criança possa receber cinco brinquedos, serão necessários mais 40 brinquedos. O número de crianças do orfanato e a quantidade x de brinquedos que o orfanato recebeu são, respectivamente: a) 50 e 290 b) 55 e 235 c) 55 e 220 d) 60 e 250 e) 65 e 265 5. (U.F. Uberlândia-MG) Gumercindo decidiu dividir sua fazenda de 30 alqueires entre seus dois filhos João e José. Essa divisão seria diteramente proporcional à produção que cada filho conseguisse em uma plantação de soja. Eles produziram juntos 1,5 tonelada de soja, sendo que José produziu 250 kg a mais que João. Como foi dividida a Fazenda? 6. Ao ser indagado sobre o valor do pedágio, um caixa respondeu: “Quando passaram 2 carros de passeio e 3 ônibus, arrecadou-se a quantia de R$26,00; quando passaram 2 ônibus e 5 caminhões, a quantia arrecadada foi de R$47,00, e quando passaram 6 carros de passeio e 4 caminhões, arrecadou-se a quantia de R$52,00”. Qual foi o valor do pedágio para cada tipo de veículo citado?
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