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1 SISTEMA DE EQUAÇÕES LINEARES I Conceitos iniciais Eliminação Gaussiana 2 SISTEMA DE EQUAÇÕES LINEARES I Conceitos iniciais e Eliminação Gaussiana Prof. Antônio Luís Valente ALGEBRA LINEAR – ENGENHARIA AGROINDUSTRIAL/FURG – AULA 7 Adaptado de “Álgebra Linear” Alfredo Steinbruch & Paulo Winterle (2006) 3 Um terreno de 8000 m2 deve ser dividido em dois lotes. O lote maior deverá ter 1000 m2 mais que o lote menor. Calcule a área que cada um deverá ter: Situação-problema I Mapa Santo Antônio da Patrulha - RS A=8000m2 4 LOTE X LOTE Y 1000 8000 yx yx Solução: :incógnitas duas com equações duas de sistema um temos menor lote ao destinada área ay maior lote ao destinada área ax Sendo 5 4500 10003500 logo 3500 2/7000 800010002 8000)1000( 1000 8000 x x y y y yy yx yx Logo, o maior lote terá uma área de 4500m2 e o menor terá um área de 3500m2 LOTE X LOTE Y 66 Situação-problema II: Na natureza, as coisas estão sempre mudando, se transformando, e o ser humano, para garantir a sua sobrevivência e melhorar sua existência, precisa conhecer e dominar estes processos de mudança. Um dos métodos encontrados para se descrever estas transformações foi o de procurar nestas o que permanece constante durante a mudança. OzHyO xH 222 O que permanece constante nessa mudança? Como os átomos não são modificados, o número de átomos de cada elemento no início da reação deve ser igual ao número de átomos desse mesmo elemento no fim da reação. Fonte: Boldrini et al.(1980) :OH de moléculas z produzindo O de moléculasy a reagem H de moléculasx :modo seguinte dodescrever podemos que mudança um é Esta ?precisamos oxigênio de e hidrogênio de quanto Mas, O).(H águaproduzir para )(O oxigênio o com reage )(H hidrogênio o que Sabemos 222 2 22 77 OzHyO xH 222 0z2y 02z2x 2 z yz2y 0z2y zx2z 2x 02z2x tz 2 t y tx tz Fazendo livre. variávela é z t 2 4 x 2 4 y 1 2 z 2 4 O4H2O4H O2HO2H 222 222 :equações as satisfazer devem z y, x,incógnitas nossas as Portanto, z.2y oxigênio, o para e 2z,2x ter devemos hidrogênio o para Assim, Sistema de equações 8 1. INTRODUÇÃO Estas equações são lineares 73 yx 13 2 1 zxy 732 4321 xxxx Não envolvem quaisquer produtos ou raízes de variáveis. Todas as variáveis ocorrem somente na primeira potência e não aparecem como argumentos de funções trigonométricas, logarítmicas ou exponenciais. 9 Equações lineares podem ter uma ou mais variáveis. Esse tipo de equação ocorre regularmente no campo da matemática aplicada. Acontece naturalmente durante a modelagem de um fenômeno, sendo particularmente útil quando equações não-lineares podem ser reduzidas para equações lineares. 10 423 xzzyx senxy 53 yx Estas equações são não lineares 054 34 xxx 922 yx 10. yx 11 732 yx byaxa 21 e b ,aa 21 São constantes reais x e y bxaxaxaxa nn ... 332211 São as variáveis Mais geralmente, podemos escrever: Equação linear: 12 2. EQUAÇÃO LINEAR Equação linear é uma equação da forma: bxaxaxaxa nn ... 332211 teindependen termoo é e , variáveisdas escoeficient srespectivo os são, s);(incógnita variáveisas são, qual na n321 321 b ,...a,a,aa ,...x,x,xx n 78852 4321 xxxx 13 3. SOLUÇÃO OU RAÍZES DE UMA EQUAÇÃO LINEAR Os valores das variáveis que transformam uma equação linear em identidade, isto é, que satisfazem à equação, constituem sua solução. Essas valores são denominados raízes da equação linear. 14 823 321 xxx Solução de uma Equação Linear Podemos escrever também RAÍZES DA EQUAÇÃO x, y, z ...para evitar subscritos Quando os sistemas contém um grande número de variávies. É mais eficiente usar variáveis subscritas como xo,x1, x2.... 8)3(2)2()5( 8)1(26)0( 8)1(24)2( 3 pois equação da soluçãouma é (5,-2,3) terno o 3 pois equação da soluçãouma é (0,6,-1) terno o 3 pois equação da soluçãouma é (2,4,1) terno o :que Dizemos 82zy3x linear equação a Dada 15 4. SISTEMA DE EQUAÇÕES LINEARES A um conjunto de equações lineares se dá nome de sistema de equações lineares. m nmnmmm nn nn nn bxaxaxaxa bxaxaxaxa bxaxaxaxa bxaxaxaxa ... ........................................................ ... ... ... 332211 33333232113 22323222112 11313212111 24482 16224 10642 321 321 321 xxx xxx xxx 24482 16224 10642 zyx zyx zyx ou podemos escrever assim: 16 m nmnmmm nn nn nn bxaxaxaxa bxaxaxaxa bxaxaxaxa bxaxaxaxa ... ........................................................ ... ... ... 332211 33333232113 22323222112 11313212111 O subscrito duplo nos coeficientes das variáveis é um recurso útil que é usado para especificar a localização do coeficiente no sistema. O primeiro subscrito no coeficiente aij indica a equação na qual o coeficiente ocorre e o segundo subscrito indica qual variável ele multiplica. a12 ocorre na primeira equação e multiplica a variável x2 17 Um sistema de equacões lineares (abreviadamente, sistema linear) é um conjunto finito de equações lineares nas mesmas variáveis. Em matemática, a teoria de sistemas lineares é um ramo da álgebra linear, uma matéria que é fundamental para a matemática moderna. Algoritmos computacionais para achar soluções são uma parte importante da álgebra linear numérica, e tais métodos têm uma grande importância na engenharia, física, química, ciência da computação e economia. Um sistema de equações não-lineares freqüentemente pode ser aproximado para um sistema linear, uma técnica útil quando se está fazendo um modelo matemático ou simulação computadorizada de sistemas complexos. 18 5. FORMA MATRICIAL DE UM SISTEMA LINEAR m nmnmmm nn nn nn bxaxaxaxa bxaxaxaxa bxaxaxaxa bxaxaxaxa ... ........................................................ ... ... ... 332211 33333232113 22323222112 11313212111 Como duas matrizes são iguais se, e somente se, suas entradas correspondentes são iguais, nós podemos substituir as m equações do sistema por uma única equação matricial: n 3 2 1 nmn3m32m211m nn3333232113 n2n323222112 n1n313212111 b ... b b b xa...xaxaxa ................................................. xa...xaxaxa xa...xaxaxa xa...xaxaxa A matriz mx1 à esquerda desta equação pode ser escrita como um produto n 3 2 1 n 3 2 1 mnm3m2m1 3n333231 2n232221 1n131211b ... b b b x ... x x x a...aaa ............... a...aaa a...aaa a...aaa Denotando estas matrizes por A, X e B, respectivamente, o sistema original de m equações em n incógnitas foi substituída pela única equação matricial BAX A - Matriz dos coeficientes do sistema bAx 19 EXERCÍCIO 1 B.AX matricial equação única uma como dado lineares equações de sistema o expressem que B e X A, matrizes Encontre 04x5xx 1xx9x 75x3x2x a) 321 321 321 27x9x3x 0x9x5x2x 38xx5x 1x3x4x b) 432 4321 421 431 20 0 1 7 3451 119 532 2 1 , B x x x , X Aa) 2 0 3 1 7130 1952 8015 1304 4 3 2 1 , B x x x x , X Ab) SOLUÇÃO EXERCÍCIO 1 21 6. MATRIZ AMPLIADA m nmnmmm nn nn nn bxaxaxaxa bxaxaxaxa bxaxaxaxa bxaxaxaxa ... ........................................................ ... ... ... 332211 33333232113 22323222112 11313212111 mmnmmm n n n baaaa baaaa baaaa baaaa ... .................. ... ... ... 321 33333231 22232221 11131211 É uma abreviação da escrita de um sistema de m equações lineares. Cada linha dessa matriz é uma representação uma equação correspondente no sistema. SISTEMA DE EQUAÇÕES MATRIZ AMPLIADA Para isto, coloca-se ao lado da matriz dos coeficientes das variáveis, separadas por uma traço vertical, a matriz-coluna dos termos independentes. 22 0563 1342 92 321 321 321 xxx xxx xxx 0563 1342 9211 EXEMPLO - Matriz Ampliada Quando construímos a matriz ampliada, as incógnitas devem estar escritas na mesma ordem em cada equação e as constantes que não multiplicam incógnitas (termos independentes) devem estar à direita, após o traço. Termos independentes 23 1724 12248 852 32 321 31 xx xxx xx EXERCÍCIO 2 Encontre a matriz ampliada do sistema abaixo: 24 SOLUÇÃO EXERCÍCIO 2 17240 12248 8502 25 7. SOLUÇÃO DE UM SISTEMA LINEAR Os valores das variáveis que transformam simultaneamente as equações de um sistema linear em identidade,isto é, que satisfazem todas as equações do sistema, constituem sua solução. Esses valores são denominados raízes do sistema de equações lineares. 26 8. SOLUÇÃO DE UM SISTEMA LINEAR Na resolução de sistemas de equações, onde a matriz A é quadrada, podemos empregar uma regra prática conhecida como REGRA DE GRAMER. A Regra de Cramer dá a solução de um sistema de equações lineares em termos de determinantes. O método recebeu este nome em homenagem a Gabriel Cramer (1704 - 1752). RECORDANDO... 8.1 MÉTODO DE CRAMER 27 nnnn2n21n1 2n2n222112 1n1n212111 bxa...xaxa ........................................ bxa...xaxa bxa...xaxa Seja o sistema :maneira seguinteda obtido é x incógnita cada de valor O i D Dx x ii n21 i i b,..,b ,b conhecidos tesindependen termos pelos procurada incógnita da escoeficient dos coluna a se-ndo substituiobtém seque tedeterminanDx sistema)do nte(determina incógnitas das escoeficient pelos formado tedeterminan D sistema;do variáveis x nnn2n1 2n2221 1n1211 a...aa ............ a...aa a...aa A detD nnn2n 2n222 1n121 1 a...ab ............ a...ab a...ab Dx nnnn1 2n221 1n111 2 a...ba ............ a...ba a...ba Dx nn2n1 22221 11211 n b...aa ............ b...aa b...aa Dx 28 13y2x 4y3x 11D2)9 32 13 detAD 32 13 A ( 1x 11 11 D Dx x11 31- 14 Dx 1y 11 11- D Dy y11 1-2 43 Dy Exemplo 1 – Método de Cramer 29 Exemplo 2 – Método de Cramer 32z3yx 03z2y4x 1zy3x 231 324 113 A 60 231 324 113 detAD 6 1 60 10 D Dx x10 233 320 111 Dx 6 5 60D Dy y5 231- 34 113 Dy 50 00 3 1 60D Dz z 331- 04 13 Dz 20 202 1 30 EXERCÍCIO ALUNOS – Método de Cramer 2zy3x 3zy2x 8z2yx 3z2,y1,x 45Dz 30Dy 15Dx 15D 31 8.2 MÉTODO DA SUBSTITUIÇÃO (2 incógnitas) Este método consiste em isolar uma incógnita numa equação e substituí-la na outra equação do sistema dado, recaindo-se numa equação do 1º grau com uma única incógnita. 32 8.3 MÉTODO DA SUBSTITUIÇÃO (3 incógnitas) Isolar uma das incógnitas. x + 2y + z = 12 x = 12– 2y – z Nas outras duas equações substituímos o valor da incógnita isolada x – 3y + 5z = 1 12 – 2y – z – 3y + 5z = 1 –2y –3y –z + 5z = 1 – 12 –5y + 4z = – 11 2x – y + 3z = 10 2 (12 – 2y – z) – y + 3z = 10 24 – 4y – 2z – y + 3z = 10 –4y –y – 2z + 3z = 10 – 24 –5y + z = – 14 Essas duas equações constituirão um sistema com duas variáveis e duas incógnitas, que poderá ser resolvido por qualquer método. –5y + z = – 14 z = – 14 + 5y –5y + 4z = –11 –5y + 4 (–14 + 5y) = –11 –5y – 56 + 20y = –11 –5y + 20y = –11 + 56 15y = 45 y = 45 / 15 y = 3 z = – 14 + 5y z = –14 + 5 (3) z = –14 + 15 z = 1 33 Todo sistema de equações lineares tem ou nenhuma solução, ou exatamente uma, ou então uma infinidade de soluções. Anton&Rorres, (2001) 34 SISTEMA COMPATÍVEL Sistema Determinado Sistema Indeterminado SISTEMA INCOMPATÍVEL Quando admite solução Quando admite uma única solução Quando admite mais de uma solução (infinitas soluções) Quando não admite soluçãoS is te m a s d e E q u a ç õ e s L in e a re s * Chamado também sistema consistente * Chamado também sistema inconsistente 9. CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES (em função de suas soluções) 35 10. EXEMPLO DE SISTEMAS COM RESPEITO ÀS SUAS SOLUÇÕES Para ilustrar as possibilidades que podem ocorrer na resolução de sistema de equações lineares, vamos considerar um sistema arbitrário de duas equações lineares nas variáveis x e y: 222 111 cybxa cybxa Os gráficos destas equações são retas, digamos 21 e rr 36 A) As retas r1 e r2 podem ser paralelas, caso em que não há interseção e consequentemente não existe nenhuma solução do sistema: B) As retas r1 e r2 podem cortar-se em um único ponto, caso em que o sistema tem exatamente uma solução: C) As retas r1 e r2 podem coincidir, caso em que o existe uma infinidadede soluções para o sistema: x x x y y y Sistema Incompatível Sistema Compatível e Determinado Sistema Compatível e Indeterminado r1 2r r1 2r 2r r1 37 Sistema compatível e determinado (única solução): As equações lineares abaixo representam duas retas no plano cartesiano que têm o ponto (2,3) como interseção. Sistema com compatível e indeterminado (infinitas soluções): As equações lineares representam retas paralelas sobrepostas no plano cartesiano, logo existem infinitos pontos que satisfazem a ambas as equações (pertencem a ambas as retas). 4x + 2y = 100 8x + 4y = 200 Sistema Incompatível (que não tem solução): As equações lineares representam retas paralelas no plano cartesiano, logo, não existem pontos que pertençam às duas retas. 3x-2y=-2 3x-2y=2 12 yx 1 yx 1 xy 12 xy Exemplo de sistemas com respeito às suas soluções 3 2 y x 38 11. SISTEMA COMPATÍVEL Diz-se que um sistema de equações lineares é compatível quando admite solução, isto é, quando tem raízes. a)Determinado (admite uma única solução) b)Indeterminado (admite mais de uma solução) * Chamado também sistema consistente 39 11.1. SISTEMA COMPATÍVEL DETERMINADO Um sistema compatível é determinado quando admite uma única solução. O sistema 2543 1822 yx yx é compatível e determinado, pois tem como raízes unicamente 4 3 y x 40 152 103 yx yx 3 3 )1(10 1 1717 315220 15 3 220 15 3 10 2 3 10 xx y y yy y y y y y x 3)B(8, ponto2,1);A( Pontor reta 4)D(2, pontoC(1,-7); Pontos reta 1)I(3, Ponto:sistema do Solução Exemplo 1 - Sistema Compatível e Determinado Fonte: Dante,2001) 222 111 cybxa cybxa 41 Exemplo 2 - Sistema Compatível e Determinado http://pt.wikiversity.org/wiki/Ficheiro:Intersecting_Lines.svg 93 1 yx yx 42 Lembrando a equação geral do plano 0 dczbyax ),,( cban plano ao normal vetor um de scomponente as mrepresenta e onde ca,b )4,2,3(05423: nzyx Exemplo: Exemplo 3 - Sistema Compatível e Determinado 43 3333 2222 1111 dzcybxa dzcybxa dzcybxa 05423: zyx 0 dczbyax 3333232113 2323222112 1313212111 bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa Cada equação de um sistema linear em três variáveis determina um plano. ou Uma solução do sistema corresponde a um ponto na interseção desses planos Compare: 1 2 3 44 ) 5 9 , 5 12 , 5 9 (I com odeterminad e compatível é sistema o 32 6 32 zyx zyx zyx A solução do sistema corresponde a um ponto na interseção desses planos oDeterminad e Compatível Sistema Exemplo: I 45 Um sistema compatível é indeterminado quando admite mais de uma solução (na verdade, admite infinitas soluções). O sistema 20048 10024 yx yx é compatível e indeterminado, pois admite infinitas soluções y 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 ... x 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 ... 11.2. SISTEMA COMPATÍVEL INDETERMINADO 46 Exemplo 4 - Compatível e Indeterminado 1293 862 yx yx ,-1)1D( pontoC(-2,-2); Pontos reta B(1,-1) pontoA(-2,-2); Pontor reta adoIndetermin e Compatível Sistema sistema do solução são que pares infinitos existem que indicam escoincident retas As Fonte: Dante,2001) 222 111 cybxa cybxa 47 2222 1111 dzcybxa dzcybxa adoIndetermin e Compatível Sistema Cada equação de um sistema linear em três variáveis determina um plano. sistema do solução são que pontos Infinitos Observação: 48 12. SISTEMA INCOMPATÍVEL Um sistema é incompatível (também chamado inconsistente) quando não admite solução. É incompatível, pois a expressão 3x+9y não pode ser simultaneamente igual a 12 e igual a 15 para os mesmos valores de x e y. 1593 1293 yx yx 49 Exemplo 5 - Sistema Incompatível 242 52 yx yx B(1,2) pontoA(-1,-3); Pontor reta ,0)1D( pontoC(-1,-1); Pontos reta sistema do solução seja que reais números de par existe não logoy, para real valor existe não 80 2010 24410 24)25(2 25 y y yy yy yx elIncompatív Sistema Fonte: Dante,2001) 222 111 cybxa cybxa 50 elIncompatív Sistema 3333 2222 1111 dzcybxa dzcybxa dzcybxa Cada equação de um sistema linear em três variáveis determina um plano. 3N 51 13. SISTEMAS EQUIVALENTES 1242 4263 yx yx são equivalentes porque admitem a mesma solução: Diz-se que dois sistemas de equações lineares são equivalentes quando admitem a mesma solução. 62 142 yx yx 2 10 y x 52 24482 16224 10642 zyx zyx zyx 16224 24482 10642 zyx zyx zyx 16224 24482 5321 zyx zyx zyx a) b) c) Todos os 3 sistemas são equivalentes, isto é, têm a mesma solução 1 3 2 z y x 53 14. OPERAÇÕES ELEMENTARES Um sistema de equações lineares se transforma num sistema equivalente quando se efetuam as seguintes operações elementares: I- Permutação de duas equações (trocar duas equações entre si) II – Multiplicação de uma equação por um número real diferente de zero III – Substituição de uma equação por sua soma com outra equação previamente multiplicada por um número real diferente de zero. 54 Sistema de equações lineares Sistema equivalente Operações elementares Mesma solução 55 16224 24482 10642 zyx zyx zyx OBSERVAÇÕES a)Quando se desejar permutar, por exemplo, a 2a. equação pela 3a. de um sistema de equações lineares, se escreverá assim: 24482 16224 10642 zyx zyx zyx 23 L 56 b) Quando se desejar multiplicar a 1a.equação, por exemplo, por ½, se escreverá assim: 16224 24482 10642 zyx zyx zyx 16224 24482 5321 zyx zyx zyx ) 2 1 (1L 57 c) Quando se desejar substituir a 2a.equação, por exemplo, pela soma dela com a 1a. equação, previamente multiplicada por -2, se escreverá assim: 16224 24482 5321 zyx zyx zyx 16224 14240 532 zyx zyx zyx )2( 122 LLL Obs: sinal=da expressão* 58 15. SISTEMA LINEAR HOMOGÊNEO Quando num sistema de equações lineares os termos independentes são todos nulos, o sistema é chamado homogêneo. Todo sistema linear homogêneo tem pelo menos uma solução, denominada solução trivial, que é, qualquer que seja o sistema, xi=0, xi representando as variáveis e i =1,2,3,….m. 0839 0583 0427 0352 zyx zyx zyx zyx 59 O método básico de resolver um sistema de equações lineares é substituir o sistema dado por um sistema novo que tem o mesmo conjunto- solução mas que é mais simples de resolver. 16. SOLUÇÕES DOS SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES 60 Este sistema novo é geralmente obtido numa sucessão de passos aplicando três tipos de operações para eliminar sistematicamente as incógnitas: 1.Multiplicar uma equação inteira por uma constante não-nula. 2.Trocar duas equações entre si. 3.Somar um múltiplo de uma equação a uma outra equação. 61 Estas 3 operações correspondem às seguintes operações nas linhas da matriz ampliada: 1.Multiplicar uma linha inteira por uma constante não-nula. 2.Trocar duas linhas entre si. 3.Somar um múltiplo de uma linha a uma outra linha. OPERAÇÕES ELEMENTARES SOBRE LINHAS 62 17. MÉTODO DE GAUSS Eliminação Gaussiana O método de Gauss (Escalonamento) consiste em fazer operações elementares (entre linhas) até chegar em um novo sistema equivalente (que terá a mesma solução que o inicial) com a forma triangular. Para isso, as operações elementares serão realizadas nas linhas da matriz ampliada. 63 5 3 y x 3 4 12 124 2104 2)5(24 224 5 4 20 204 x x x x x yx y y Exemplo 6 – Eliminação Gaussiana 2132 224 yx yx 2132 224 Resolver o sistema por eliminação Gaussiana: 2132 224 Matriz ampliada 2 1 122 LLL 2040 224 Matriz Triangular Solução: Portanto: 64 Para zerar o elemento a21 Exemplo 7 – Eliminação Gaussiana 7322 5131 6123 321 321 321 xxx xxx xxx 7322 5131 6123 Matriz ampliada 3 1 122 LLL 3 2 133 LLL 7 2 233 LLL 7322 3 3 2 3 7 0 6123 3 3 7 3 2 0 3 3 2 3 7 0 6123 7322 5131 6123 65 1 45 21 7 15 7 15 21 45 3 3 x x 1 6)1(23 623 1 3 7 3 7 3 2 3 3 7 3 3 2 3 7 31 3 2 3 7 3 3 2 3 7 1 31 321 2 2 2 2 2 32 x xx xxx x x x x x xx 7 15 21 45 00 3 3 2 3 7 0 6123 Matriz final Portanto: Solução: 1,1,1 321 xxx 66 EXERCÍCIO 1 – Eliminação Gaussiana 0563 1342 92 zyx zyx zyx Resolver o sistema por eliminação Gaussiana: Ex 3a – lista 7 exercícios 67 Matemática, Contexto&Aplicações – Luiz Roberto Dante,2001 – Editora Ática Bibliografia Álgebra Linear - Alfredo Steinbruch e Paulo Winterle,2006 - Editora Pearson, Makron Books
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