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Disciplina: ÁLGEBRA, Ano Escolar: 2º. Aula nº: 15 Título: Sistemas Lineares. Nº do PE.: Aula Rest.: Data: ___/___/___ RESUMO TEÓRICO SISTEMA LINEARES EQUAÇÃO LINEAR. SOLUÇÃO Uma equação linear a n incógnita sobre lR é uma equação da forma onde a1, a2, a3 , ... an e b são números reais conhecidos e x1, x2, ... xn são as incógnitas. Os números a1, a2, ..., an são chamados coeficientes e b é o termo independente. Uma solução da equação a1 x1 + a2x2 + ... + anxn = b é um conjunto ordenado de números reais ( ) para o qual a sentença a1 1 + a2 2 + ... + an n = b é verdadeira. Conjunto-solução ou conjunto-verdade é o conjunto de todas as soluções da equação. Uma equação linear a n incógnitas, n > 1, pode ser indeterminada ( quando possui infinitas soluções ) ou impossível ( quando não possui solução ). Exemplos Considerando a equação linear x + 2y – 3z = 6 temos: Os coeficientes são 1, 2 e –3 e o termo independente é 6. Para x = 5, y = 2 e z =1 temos x + 2y – 3z = (5) + 2(2) – 3(1) = 6; logo ( 5, 2, 1) é uma solução da equação. Para x = 4, y = 3 e z = 2 temos x + 2y – 3z = (4) + 2(3) – 3(2) = 4; logo ( 4, 3, 2) não é solução da equação. Podemos obter soluções da equação atribuindo valores para y e para z e depois calculando x. Por exemplo, para y = 1 e z = 2 vem x + 2 (1) – 3(2) = 6 , logo x = 10; então ( 10, 1, 2 ) é solução da equação. Para y = e z = vem x + 2 + 3 ; então o conjunto solução da equação é V = { ( 6 - 2 + 3 , , ) ; lR, lR}. Trata-se de uma equação indeterminada. A equação linear 0x + 0y + 0z = 3 não possui solução. É uma equação impossível. SISTEMA LINEAR. SOLUÇÃO Um sistema linear a n incógnitas é um conjunto de duas ou mais equações lineares a n incógnitas, consideradas simultaneamente. Uma seqüência ordenado de números reais ( é solução do sistema se for solução de todas as equações do sistema. Conjunto-solução ou conjunto-verdade é o conjunto de todas as soluções do sistema. Um sistema linear a n incógnitos pode ser classificado em determinado ( quando possui uma única solução ), indeterminado ( quando possui infinitas soluções ) ou impossível ( quando não possui solução). Exemplos Considerando o sistema S é um sistema linear de 2 equações a 3 incógnitas; ( 2, 0, 1) é solução de S, porque ( 1, 1, 1) é solução da 1ª equação, pois (1) + (1) + 2(1) = 4, mas não é solução da 2ª equação, pois (1) – (1) – 2(1) 0. Então não é solução do sistema; S possui outras soluções, como por exemplo ( 2, 2, 0), (2, -2,2), (2, 10, -4), (2, -4, 3) etc. Logo, S é um sistema indeterminado. Considerando o sistema S é um sistema linear de 3 equações a 3 incógnitas; ( 1, 3, 2) é a única solução de S; logo é um sistema determinado. EXERCÍCIOS Verifique se é solução da equação 5x – 2y + 4 z = 10; a) ( 4, 7, 1) b) ( -1, -10, 2 ) c) ( 2, -1 , - ) d) ( -4, -3, 6) Dê três soluções da equação 2x + y + 6z = 18. Determine o conjunto-solução de cada equação. a) x + y – z = 1. B) 0x + 0y + 0z = 1 Determine o conjunto-solução de cada equação. x – y – z = 0 2x + y + 0z = 1 0x + 2y – z = 2 0x + 0y + 2z = 3. Calcule sabendo que ( 1; ; -1; + 1 ) é solução da equação Verifique se é solução do sistema a) ( -6, 0, 7) b) ( 1, 1, 2) c) ( 4, 1, 0) d) ( 14, 2, -7) Calcule a e b sabendo que ( 3, - 1, 7) é solução do sistema Calcule sabendo que ( -1; 3; 0; ) é uma solução dos sistema . Classifique em determinado, indeterminado ou impossível. a) b) MATRIZES ASSOCIADAS A UM SISTEMA LINEAR Consideremos o sistema linear Denominamos matriz completa de S a matriz onde colocamos em cada linha, ordenadamente, os coeficientes e o termo independente de cada equação de S. A matriz dos coeficientes (matriz incompleta) é denominada matriz incompleta de S. REGRA DE CRAMER Dado um sistema linear de n equações a n incógnitas, se o determinante D da matriz dos coeficientes for diferente de zero, então, S é possível e determinado. A única solução é onde Dj, j { 1, 2, ..., n } , é o determinante obtido substituindo em D a coluna j pela coluna dos termos independentes. Exemplos Resolver o sistema Temos: D = = - 25, Dx = = - 50, Dy = = 0, Dz = = - 125. Então: x = O conjunto-solução é V = {( 2, 0, 5)}. EXERCÍCIOS 18) Resolva aplicando a regra de Cramer: 19) Resolva os sistemas. a) b) 20) Se . 21) Calcule z no sistema 22) Resolva o sistema 23) Resolva o sistema 24) Resolva o sistema 25) Se , calcule x, y e z em função de a, b e c. SISTEMAS EQUIVALENTE, ESCALONAMENTO. Aplicando a regra de Cramer podemos, por exemplo, resolver sistemas lineares de 3 equações que tenham três incógnitas e apresentem o determinante da matriz incompleta D ( 0. Como fazer se D = 0? E no caso dos sistemas de 2 equações a 3 incógnita? E os de 4 equações a 3 incógnita? Um método geral para resolver sistemas lineares é o método de escalonamento, que emprega as operações elementares sobre as equações do sistema. Dado um sistema linear S, denominamos operações elementares sobre as equações de S as seguintes operações: 1ª) trocar de lugares entre si duas equações; 2ª) multiplicar uma equação por um número real não nulo; 3ª) somar a uma equação uma outra equação do sistema previamente multiplicada por um número real. Como exemplo, vamos considerar o sistema linear S 1º) Trocando de lugares as duas equações, obtemos o sistema S É evidente que S1 e S possuem o mesmo conjunto-solução. 2º) Se multiplicarmos a primeira equação de S pelo número real k, k 0, obteremos o sistema S Se um par ordenado de números reais ( ) é solução de S , temos que ( ) também é solução de S e, reciprocamente, se ( ) é solução de S também é solução de S , porque �� EMBED Equation.3 Logo, S e S têm o mesmo conjunto-solução. 3º) Agora vamos somar à Segunda equação de S a primeira multiplicada pelo número real k, obtendo o sistema Se ( ) é uma solução de S , então é solução também de S3 e, reciprocamente, se ( ) é solução de S3 também é de S . Logo, S3 e S têm o mesmo conjunto-solução. Sistemas equivalentes Dizemos que dois sistemas lineares são equivalente quando um deles pode ser obtido a partir do outro por meio de um número finito de aplicações das operações elementares. Exemplo Os sistemas lineares e são equivalente , porque S2 é obtido a partir de S1 somando-se a primeira equação à Segunda. Propriedade Ao aplicar uma operação elementar sobre um sistema linear, obtemos um novo sistema que tem o mesmo conjunto-solução do primeiro. Decorre, então, a seguinte propriedade: Escalonamento de sistemas a duas incógnitas Para resolver um dado sistema linear podemos aplicar as operações elementares para transformá-lo num sistema equivalente e mais simples, através da “eliminação de incógnitas”. (Eliminar uma incógnita numa equação significa substituir esta equação por outra em que tal incógnita tenha coeficiente zero.) Nos sistemas lineares com mais de duas equações, deixamos a incógnita x com coeficiente não nulo apenas na 1ª equação e a eliminamos nas demais; nestas, deixamos a incógnita y com coeficiente não nulo apenas na 2ª equação e a eliminamos nas demais. Um sistema linear na forma escalonada também é chamado sistema escalonado. Observamos que, ao escalonar um sistema a duas incógnitas: 1º) se ocorrer uma equação da forma 0x + 0y = 0, ela pode ser suprimida pois aceita qualquer solução.Neste caso, devemos resolver o sistema formado pelas equações restantes; 2º) se ocorrer uma equação da forma 0x + 0y = c, com c 0, então o sistema é impossível. Exemplos Resolver o sistema Temos: Somamos à 2ª eq. A 1ª multiplicada por 2; somamos à 3ª eq. a 1ª multiplicada por 5. Somamos à 3ª. eq. a 2ª multiplicada por ( -1 ). Suprimimos a 3ª. eq. , que aceita qualquer solução, e calculamos as incógnitas. O conjunto-solução é V = {( -13, -2 )}. O sistema é possível e determinado. Resolver o sistema Começaremos trocando de lugares a 1ª e 2ª equações. Temos: Somamos à 2ª eq. a 1ª multiplicada por ( -2); somamos à 3ª. eq. a 1ª multiplicada por ( -3). Dividimos a 2ª eq. por 17 ( equivale a multiplicar por ) Somamos a 3ªeq. a 2ª multiplicada por ( -29). Como a equação 0x + 0y = 12 não possui solução, o sistema dado é impossível. O conjunto-solução é V =(. EXERCÍCIOS Resolva cada sistema pelo método do escalonamento. Resolva os sistemas seguintes aplicando o método de escalonamento de cada um. DISCUSSÃO DE SISTEMAS LINEARES Considerando o sistema linear ( nas incógnitas x e y) S o determinante da matriz incompleta é D = Notemos que D = 0 k² - 1 = 0 ( k = 1 ou k = -1 ). Então, se k 1 e k -1, concluímos ( pela regra de Cramer ) que S é um sistema determinado. Caso k =1, substituindo no sistema, a matriz completa ficará sendo Escalonando essa matriz ( somando à 2ª linha a 1ª multiplicada por –1) obtemos Como a equação 0x + 0y = -2 é impossível, o sistema S é neste caso, impossível. Caso k = -1, a matriz completa ficará sendo . Adicionando a primeira linha à Segunda obtemos . Suprimindo a equação 0x + 0y = 0, o sistema ficará reduzido a uma equação com duas incógnitas: - x + y = 1 . Neste caso, o sistema S é indeterminado. OBS: EXERCÍCIOS Nos exercícios de (a) a (f) discuta os sistemas lineares de incógnitas x e y. Nos exercícios de (a) a (h) discuta os sistemas de incógnitas x, y e z. 03) Calcule a e b de modo que o sistema seja indeterminado. 04) Sob que condição o sistema admite uma infinidade de soluções? 05) Para que valores de k o sistema admite apenas uma solução? 06) Dê a condição para que o sistema não tenha solução. 07) Dê a condição para que o sistema tenha solução. 08) Dê os valores de m para os quais o sistema admite uma única solução. ( Sugestão : 2m³ - 3m² + 1 = 2m³ - 2m² - m² + 1 ) Para que valor de a o sistema não tem solução? Determine a e b de modo que o sistema tenha infinitas soluções. 8. SISTEMAS HOMOGÊNEOS Um sistema linear onde os termos independentes em todas as equações são iguais a zero é denominado sistema homogêneo. Por exemplo, os sistemas S1 e S2 são sistemas homogêneos. Solução Trivial O par (0, 0) é solução de todo sistema homogêneo a duas incógnitas. Observe que (0, 0), isto é, x = y = 0, é solução de S1 e também de S2. A solução (0, 0) é denominada solução trivial ou solução nula ou solução imprópria . Todo sistema homogêneo a n incógnitas admite a solução trivial (0; 0; 0; ...; 0). Discussão Todo sistema linear homogêneo é sistema possível, pois admite pelo menos uma solução ( a trivial). Assim, um sistema linear homogêneo só pode ser classificado em sistema determinado: tem apenas a solução trivial, ou sistema indeterminado: tem a solução trivial e outras soluções, denominadas soluções próprias. No caso de um sistema linear homogêneo S de n equações a n incógnitas, sendo D o determinante da matriz incompleta , temos: Exemplos Classificar e resolver os sistemas homogêneos: a) b) Temos: a) D = Como D 0 o sistema é determinado. ( Admite apenas a solução trivial). Logo, V = {(0, 0)} b) D = Como D = 0 o sistema é indeterminado. ( Admite a solução trivial e soluções próprias.) Fazendo x = vem y = 2 Logo, V = {( ); }. EXERCÍCIOS Resolva os sistemas homogêneos. c) d) Classifique em determinado ou indeterminado: a) b) Para que valores de k o sistema é determinado? Discuta o sistema em função dos valores do parâmetro real k. Para que valores de m o sistema admite apenas a solução trivial ? Discuta o sistema homogêneo Para que valores de o sistema admite apenas a solução trivial? Para que valores de m o sistema admite soluções distintas da solução ( 0, 0, 0)? Considere o sistema linear S: Prove que S é possível e indeterminado. Encontre a solução geral de S. Para que valores de a o sistema admite soluções próprias ? Para que valores de o sistema admite soluções distintas da trivial ? Discuta em função dos valores do parâmetro real o sistema Calcule os valores de a, b e c de modo que o sistema seja homogêneo e admita soluções próprias. O sistema homogêneo é determinado ou indeterminado? Calcule k de modo que a equação tenha apenas a solução nula PROBLEMAS PROPOSTOS Resolva os sistemas: a) b) Resolva os sistemas: a) b) Há três anos Carlinhos tinha o triplo da idade de André e daqui a três anos a idade de Carlinhos será o dobro da de André. Quais são suas idades hoje? Se Danilo der Cz$ 2.500,00 a Edu, os dois ficarão com a mesma quantia; mas se Edu der Cz$ 2.200,00 a Danilo este ficará com o dobro do primeiro. Quanto tem cada um ? Resolva o sistema Resolva o sistema Determine, sob a forma mais simples possível, o valor de x no sistema sendo a 1 e a -2. Resolva pela regra de Cramer o sistema Determine a e b de modo que sejam equivalentes os sistemas: e Discuta e resolva: Discuta e resolva o sistema Discuta e resolva o sistema , onde a 0 e b 0. Resolva o sistema Discutir o sistema Dadas as matrizes A = e X = , determine os valores de para os quais a equação AX = admite solução X Sejam os valores distintos de para os quais a equação Para quais valores de a o sistema linear admite solução? Qual é a relação que a, b e c devem satisfazer de modo que o sistema tenha pelo menos uma solução? CARACTERÍSTICAS DE UMA MATRIZ – TEOREMA DE ROUCHÉ-CAPELLI Matriz escalonada Dada a matriz A = ( aij)m x n, dizemos que A é uma matriz escalonada ou que está na forma escalonada se o número de zeros que precedem o primeiro elemento não nulo de uma linha aumenta, linha após linha, até que restem eventualmente apenas linhas nulas. Exemplo As matrizes A, B, C estão na forma escalonada. A = B = C = Matrizes linha-equivalente Dizemos que a matriz A’ é linha-equivalente à matriz A, se A’ for obtida de A por meio de uma seqüência finita de operações, chamadas operações elementares sobre linhas. Tais operações são: Troca de posição de duas linhas. Multiplicação de uma linha qualquer por um número K 0. Substituição de uma linha, pela soma desta com outra qualquer. Com estas três operações podemos, dada uma matriz A, encontrar uma matriz A’ na forma escalonada, linha-equivalente a A. Exemplo Dada a matriz Vamos encontrar uma matriz A’ escalonada, linha-equivalente a A Temos (-1) substituição da 2ª linha pela soma as mesma com a 1ª multiplicada por –3 (-3) substituição da 3ª linha pela soma damesma com 1ª multiplicada por –3 (-1) substituição da 3ª linha pela soma da mesma com 2ª multiplicada por –1. A matriz A’ = É uma matriz escalonada linha-equivalente a A. Notemos que as operações elementares sobre linhas de uma matriz A são análogas às operações para o escalonamento de um sistema linear. Tal fato será evidenciado quando, mais adiante, estudaremos o teorema de Rouché-Capelli. Característica de uma matriz Seja A uma matriz qualquer e A’ uma matriz escalonada, linha-equivalente a A. Chamamos de característica da matriz A, e indicamos por (A), ao número de linhas não nulas de A’. Exemplos 1º) A = , escalonando a matriz A, obteremos: A’ = . Logo, (A) = 2. 2º) A = , escalonando a matriz A, obteremos: A’ = . Logo, (A) = 2. 3º) A = , escalonando a matriz A, obteremos: A’ = . Logo, (A) = I. Determine as características das seguintes matrizes: O que é característica de uma matriz? Qual é a característica da matriz abaixo ? Justificando a resposta, calcule a característica da matriz: Qual o valor máximo da característica de uma matriz 3 x 4 ? Discuta, segundo os valores do parâmetro a, as características das seguintes matrizes: a) b) Determine m de modo que a características da matriz seja igual a 2. Determine m de modo que a característica da matriz seja 3. TEOREMA DE ROUCHÉ-CAPELLI Consideremos um sistema linear Sejam A e B as matrizes incompletas e completa do sistema, isto é: A = B = Então Se (A) = (B) = n O sistema é possível e determinado Se (A) = (B) < n O sistema é possível e indeterminado Se (A) < (B) O sistema é impossível EXERCÍCIOS Utilizando o teorema de Rouché-Capelli, classifique e resolva os seguintes sistemas: Dado o sistema: Para que valores de a e b este sistema é: a) possível? b) simplesmente indeterminado? c) duplamente indeterminado? Justifique as respostas utilizando o teorema de Rouché. Determine o valor de k, de modo que o sistema Seja: a) indeterminado b) impossível Sistemas equivalente possuem conjuntos-soluções iguais. (1) (2) (2) (3) (1) (2) (3) (2) h) � EMBED Equation.3 ��� i)� EMBED Equation.3 ��� j) � EMBED Equation.3 ��� l) � EMBED Equation.3 ��� h) � EMBED Equation.3 ��� i)� EMBED Equation.3 ��� j) � EMBED Equation.3 ��� l) � EMBED Equation.3 ��� m) � EMBED Equation.3 ��� n) � EMBED Equation.3 ��� o) � EMBED Equation.3 ��� D � EMBED Equation.3 ���0 � EMBED Equation.3 ��� S é determinado; D = 0 � EMBED Equation.3 ��� S é indeterminado ou impossível. D � EMBED Equation.3 ���0 � EMBED Equation.3 ��� S é determinado; D = 0 � EMBED Equation.3 ��� S é indeterminado . f)� EMBED Equation.3 ��� g)� EMBED Equation.3 ��� h)� EMBED Equation.3 ��� _1024231886.unknown _1024294389.unknown _1024296902.unknown _1024300877.unknown _1024310659.unknown _1054984863.unknown _1266325316.unknown _1266325640.unknown _1271834719.unknown _1271834746.unknown _1275663269.unknown _1266325696.unknown _1266325710.unknown _1266325722.unknown _1266325675.unknown _1266325544.unknown _1266325574.unknown _1266325455.unknown _1054984971.unknown _1054984985.unknown _1054984890.unknown _1024311605.unknown _1024311858.unknown _1024312016.unknown _1024312095.unknown _1024312143.unknown _1024312329.unknown _1024312051.unknown _1024311929.unknown _1024311978.unknown _1024311892.unknown _1024311725.unknown _1024311772.unknown _1024311669.unknown _1024311075.unknown _1024311411.unknown _1024311516.unknown _1024311258.unknown _1024311021.unknown _1024311035.unknown _1024310961.unknown _1024301776.unknown _1024309968.unknown _1024310134.unknown _1024310244.unknown _1024310043.unknown _1024309718.unknown _1024309893.unknown _1024301974.unknown _1024302199.unknown _1024302080.unknown _1024301916.unknown _1024301308.unknown _1024301495.unknown _1024301641.unknown _1024301358.unknown _1024301052.unknown _1024301080.unknown _1024301005.unknown _1024297634.unknown _1024300078.unknown _1024300625.unknown _1024300703.unknown _1024300828.unknown _1024300676.unknown _1024300535.unknown _1024300572.unknown _1024300195.unknown _1024299382.unknown _1024299840.unknown _1024299943.unknown _1024299488.unknown _1024298824.unknown _1024299151.unknown _1024298766.unknown _1024297160.unknown _1024297238.unknown _1024297304.unknown _1024297545.unknown _1024297283.unknown _1024297203.unknown _1024297214.unknown _1024297186.unknown _1024297028.unknown _1024297116.unknown _1024297141.unknown _1024297082.unknown _1024296990.unknown _1024297003.unknown _1024296939.unknown _1024295603.unknown _1024296432.unknown _1024296667.unknown _1024296814.unknown _1024296854.unknown _1024296789.unknown _1024296613.unknown _1024296624.unknown _1024296552.unknown _1024295853.unknown _1024296172.unknown _1024296383.unknown _1024296098.unknown _1024295748.unknown _1024295791.unknown _1024295710.unknown _1024294849.unknown _1024295026.unknown _1024295139.unknown _1024295511.unknown _1024295062.unknown _1024294955.unknown _1024294964.unknown _1024294912.unknown _1024294648.unknown _1024294705.unknown _1024294781.unknown _1024294687.unknown _1024294475.unknown _1024294522.unknown _1024294432.unknown _1024290885.unknown _1024292375.unknown _1024293356.unknown _1024293517.unknown _1024294283.unknown _1024294350.unknown _1024293549.unknown _1024293397.unknown _1024293457.unknown _1024293375.unknown _1024293046.unknown _1024293240.unknown _1024293340.unknown _1024293153.unknown _1024292962.unknown _1024293009.unknown _1024292412.unknown _1024291230.unknown _1024292010.unknown 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