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96 Frente 2 – Aula 25 SISTEMAS LINEARES Um sistema linear é um sistema de equações formado exclusivamente, por equações do 1.° grau em todas as incógnitas. E o caso, por exemplo, do sistema abaixo: 35 723 0742 zyx zy zyx Para compreender melhor esta definição, observe algumas equações que não poderiam aparecer em um sistema linear: x 2 - 5y + z= 3 xy - 3x = 4 x +y-z = 3 REGRA DE CRAMER Exemplo Vamos começar relembrando a solução geral de um sistema linear de duas equações e duas incógnitas. Considere o sistema: 2 1 ndycx nbyax Podemos resolver este sistema pelo método da adição. Multiplicando a 1ª equação por d. a 2.ª por - b e somando os resultados, obtemos: Multiplicando a 1.ª equação por - c, a 2.ª por –b e somando os resultados, chegamos a: Supondo ad-bc 0, temos: x= bcad bndn 21 y= bcad cnan 12 Como já sabemos, os denominadores dessas duas expressões (ad - bc) são iguais ao determinante da matriz formada pelos coeficientes das equações do sistema: D= dc ba O numerador da expressão correspondente a x(n1d - n2b) é o determinante da matriz que obteríamos substituindo a coluna dos coeficientes de x pela coluna dos termos independentes de x e y no sistema original: Dx= dn bn 2 1 Analogamente, o numerador da expressão correspondente a y(n2a — n1c) é o determinante da matriz que obteríamos substituindo a coluna dos coeficientes de y pela coluna dos termos independentes de x e y no sistema original: Dy= 2 1 nc na Assim, podemos dizer que a solução do sistema original é dado por: x= D Dx y= D Dy Estas expressões correspondem à chamada regra de Cramer e podem ser generalizadas para um sistema linear qualquer. Regra de Cramer Considere o seguinte sistema linear com n equações e com n incógnitas (x1, x2, ... xn): Lembrando a multiplicação de matrizes, podemos escrever este mesmo sistema na forma de um produto matricial: Vamos representar como D o determinante da matriz formada pelos coeficientes do sistema: Vamos representar como Di o determinante da matriz obtida a partir desta matriz, substituindo a coluna i pela coluna dos termos independentes. Por exemplo: O valor de cada incógnita que constitui a solução do sistema é dado por: xi= D Di 97 Exercícios de Aula 01. Resolva o sistema por Cramer 623 112 yx yx 02. Resolver, pelo método de Cramer, o sistema: 72 82 92 zyx zyx zyx 03. (FGV) Se o sistema linear 1974 1253 yx yx for resolvido pela regra de Cramer, o valor de x será dado por uma fração cujo denominador vale: (A) 41 (B) 179 (C) -179 (D) 9 (E) -9 04. (FATEC) Do sistema 923 122 3 zyx zyx zyx concluímos que o produto x . y. z é (A) 18 (B) 24 (C) 30 (D) 36 (E) 40 Tarefa Básica 01. Resolva os sistemas pela regra de Cramer a) 33 22 yx yx b) 724 132 13 zyx zx zyx 02. (FGV) Qual o valor de y, para que esteja satisfeito o seguinte sistema de três equações: 832 12254 143 zyx zyx zyx (A) 1 (B) 0,1 (C) 10 (D) 3,3 (E) 3 03. (PUCSP) Se (a, b, c) é a solução do sistema 132 2113 12 zyx zyx zyx então a + b + c é (A) -2 (B) -l (C) 0 (D) l (E) 2 04. (UFRRJ) A soma dos números (x + y + z), que satisfazem ao sistema é 82 423 2932 zyx zyx zyx (A) 0 (B) 1 (C) 2 (D) 3 (E) 4 05. Os valores de x, y e z nesta ordem, tais que 723 32 52 zyx zy yx são (A) 3 4 3 5 ; 3 7 e (B) 3 7 3 5 ; 3 4 e (C) 3 5 3 4 ; 3 7 e (D) 3 5 3 7 ; 3 4 e (E) 3 7 3 4 ; 3 5 e 06. (UEL) Um sistema de equações lineares, com incógnitas x, y e z, foi representado na forma matricial da seguinte maneira: 1 7 3 . 221 012 001 z y x É verdade que (A) x = 1 (B) y = 2 (C) x = 3 e y = 4 (D) y = l e z = l (E) z = 0 Respostas da Tarefa Básica 01. a) V= 5 4 , 5 3 b) V= {(1,1,-1)} 02. (A) 03. (C) 04. (A) 05. (D) 06. (E) 98 Frente 2 – Aula 26 ESCALONAMENTO (Gauss) Sistemas equivalentes Dizemos que dois sistemas são equivalentes quando possuem o mesmo conjunto- solução. Como por exemplo, observe os dois sistemas abaixo que são equivalentes entre si: 0,1 747 22 S yx yx 0,1 33 1 S yx yx A partir de um sistema de equações, podemos obter outro sistema equivalente de várias maneiras. Em primeiro lugar, é claro que podemos inverter de posição duas equações do sistema. Além disso, podemos multiplicar todos os termos de uma das equações por um mesmo número diferente de zero. Podemos também somar uma das equações com a outra multiplicada por um número real não nulo. Sistemas escalonados No estudo geral de sistemas lineares vale a pena conhecer uma outra técnica de resolução conhecida como escalonamento. Observe o sistema abaixo: (3) 62z (2) 5zy (1) 73zyx Poderíamos resolver este sistema pela Regra de Cramer. Entretanto, neste caso, nem vale a pena calcular todos os determinantes necessários para a aplicação dessa regra. Basta observar que o valor de z pode ser obtido diretamente da equação (3). 2z = - 6 Z= -3 Substituindo este valor na equação (2), obtemos: y-z = 5 y-(-3) = 5 y = 2 Substituindo esses valores de z e y na equação (1): x - y + 3z = - 7 x -2 + 3. (-3) = -7 x = 4 Logo, seu conjunto-solução é: S= {(4,2,-3)} Como podemos ver, um sistema deste tipo, chamado de sistema escalonado, pode ser resolvido facilmente por substituição. De um modo geral, considere um sistema linear de m equações e n incógnitas (x1, x2,..., xn), de modo que cada equação possui pelo menos um coeficiente não nulo (aij): Dizemos que um sistema deste tipo está na forma escalonada quando o número de coeficientes nulos (antes do primeiro coeficiente não nulo) aumenta de uma equação para outra. É o caso, por exemplo, dos sistemas abaixo: 52 4 13 z zy zyx 12 0 14 wt wtz wtzyx 02 54 zy zyx Escalonamento de um sistema Dado um sistema linear, podemos obter outro sistema escalonado equivalente ao primeiro mediante algumas transformações simples. Observe os exemplos a seguir. Considere o sistema: 73 301063 952 zyx zyx zyx Se uma das equações tiver coeficiente unitário para a primeira incógnita, vale a pena colocar essa equaçãocomo a primeira do sistema. Assim, inicialmente, vamos trocar de posição a primeira e a terceira equação: 952 301063 73 zyx zyx zyx Neste sistema, vamos conservar a primeira equação e transformar as outras procurando anular o coeficiente da primeira incógnita. Para isso, vamos substituir a segunda equação por outra equação obtida multiplicando a primeira por 3 e somando com a segunda. Além disso, vamos substituir a terceira equação por outra equação obtida multiplicando a primeira equação por -2 e somando com a terceira. Com isso, temos: 5 93 73 zy zy zyx Vamos inverter de posição as duas últimas equações repetindo o que fizemos na primeira etapa: 93 5 73 zy zy zyx Para completar o escalonamento do sistema, vamos substituir a terceira equação por outra equação obtida multiplicando a segunda por - 3 e somando com a terceira: 62 5 73 z zy zyx Este sistema escalonado é exatamente o mesmo que resolvemos no item anterior. Assim, o conjunto-solução é o mesmo já obtido: S= {(4,2,-3)} 99 Exercícios de Aula 01. Resolver o sistema linear por escalonamento. 32 423 92 zyx zyx zyx 02. (UNIFESP) A solução do sistema de equações lineares 1 32 122 zy zx zyx é (A) x = -5, y = -2 e z = -1 (B) x = - 5, y = - 2 e z = l. (C) x = - 5, y = 2 e z = 1. (D) x = 5,y = 2 e z = - 1. (E) x = 5, y = 2 e z = 1. 03. (UNICAMP) Uma empresa deve enlatar uma mistura de amendoim, castanha de caju e castanha-do-pará. Sabe-se que o quilo de amendoim custa R$ 5,00, o quilo da castanha de caju, R$ 20,00 e o quilo de castanha-do-pará, R$16,00. Cada lata deve conter meio quilo da mistura e o custo total dos ingredientes de cada lata deve ser de R$ 5,75. Além disso, a quantidade de castanha de caju em cada lata deve ser igual a um terço da soma das outras duas. a) Escreva o sistema linear que representa a situação descrita acima. b) Resolva o referido sistema, determinando as quantidades, em gramas, de cada ingrediente por lata. 04. (UFU) Pedro entra em urna loja com uma certa quantia em dinheiro para gastar e percebe que faltarão R$ 50,00 caso compre uma bolsa, um perfume e uma camisa. Por outro lado, caso compre somente a bolsa e o perfume, sobrarão R$ 20,00. Sobrarão R$ 15,00 se ele resolver comprar apenas o perfume e a camisa. Se Pedro comprar somente o perfume, quanto irá sobrar? Tarefa Básica 01. (UFG) Considere o sistema: S= 35 113 532 zx zyx zyx 02. (CESGRANRIO) Resolvendo o sistema 11 32 2 zyx zy yx x +2y + 3z vale (A) 22 (B) 18 (C) l2 (D) 11 (E) 6 03. (FGV) Resolvendo o sistema abaixo, obtém-se para z o valor: 1236 122 0 zy zyx zyx (A) -3 (B) -2 (C) 0 (D) 2 (E) 3 04. (UEL) Ali, Bia e Caco têm juntos RS 68,00. Se Caco desse 20% do que tem para Bia, ela ficaria com a mesma quantia que Ali, mas, se ao invés disso, Ali desse 20% do que tem para Caco, este ficaria com o triplo da quantia de Bia. Nessas condições, é correto afirmar que Ali tem (A) R$ 15,00 a menos que Caco. (B) R$ 15,00 a mais que Bia. (C) R$ 8,00 a menos que Caco. (D) R$ 8,00 a mais que Bia. (E) R$ 6,00 a menos que Caco. 05. (PUCSP) Alfeu, Bento e Cíntia foram a uma certa loja e cada qual comprou camisas escolhidas entre três tipos, gastando nessa compra os totais de R$ 134,00, R$ 115,00 e R$ 48,00, respectivamente. Sejam as matrizes A= 012 501 430 e X= z y x tais que - os elementos de cada linha de A correspondem às quantidades dos três tipos de camisas compradas por Alfeu (1ª linha), Bento (2.ª 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 Respostas da Tarefa Básica 01. x=-2; y=4; z=-1 02. (B) 03. (D) 04. (A) 05.(A) 100 Frente 2 – Aula 27 DISCUSSÃO DE SISTEMAS LINEARES Classificação Vamos ampliar um pouco o estudo de sistemas lineares discutindo, de uma forma sistemática, os vários tipos de sistemas lineares existentes. Existem sistemas lineares que não possuem solução. Neste caso, dizemos que o conjunto solução é vazio e o sistema é impossível de ser resolvido ou, então, que é um sistema incompatível. Sistemas que possuem um conjunto- solução definido, com um único valor para cada incógnita, são sistemas possíveis e determinados ou compatíveis determinados. Por outro lado, existem sistemas que possuem solução com infinitos valores possíveis para cada incógnita. São os chamados sistemas indeterminados ou compatíveis indeterminados. Resumindo: Discussão pela regra de Cramer Em muitos sistemas simples, a regra de Cramer permite tirar importantes conclusões. Como já vimos, esta regra se aplica em sistemas lineares onde o número de equações é igual o número de incógnitas. Como sabemos, cada incógnita é dada por: xi= D Di Nesta expressão, D é o determinante da matriz formada pelos coeficientes das incógnitas: De acordo com esta regra, a condição necessária e suficiente para que o sistema seja possível e determinado é que D seja diferente de zero. Assim, se D for nulo, o sistema pode ser impossível ou indeterminado. D 0 possível e determinado D = 0 impossível ou indeterminado Discussão por escalonamento Uma discussão mais geral de um sistema linear exige o seu escalonamento. Vamos tentar resolver o seguinte sistema: 310102 234 12 zyx zyx zy Trocando de posição as duas primeiras equações: 310102 12 234 zyx zy zyx Somando a terceira equação com a primeira multiplicada por -2: 142 12 234 zy zy zyx Somando a terceira equação com a segunda multiplicada por 2. 30 12 234 zy zyx Evidentemente a última igualdade obtida é um absurdo. Assim, o sistema é impossível de ser resolvido e o seu conjunto-solução é vazio. Podemos dizer também que o sistema é incompatível. Sistemas indeterminados Vamos resolver, por escalonamento o seguinte sistema linear: 223 52 32 zyx zyx zyx Somando a segunda equação com a primeira multiplicada por 2 e somando a terceira com a primeira multiplicada por 3: 115 115 32 zy zy zyx Somando a terceira equação com a segunda multiplicada por -1: 00 115 32 zy zyx A última igualdade é obviamente verdadeira, mas não fornece nenhuma informação a respeito das incógnitas. Por isso, ela pode ser eliminada do sistema:115 32 zy zyx Obtemos assim um sistema escalonado onde o maior número de incógnitas é maior que o de equações. Neste caso, existem infinitas soluções. Por exemplo, podemos atribuir o valor um para z, obtendo a solução: z = 1 y = 2 x = 0 Analogamente, poderíamos atribuir qualquer outro valor a z e calcular os correspondentes valores de y e x. Um sistema como este, que possui infinitas soluções, é chamado de sistema indeterminado. 101 Exercícios de Aula 01. (MACK) Para que o sistema 63 2 nyx m yx apresente mais de uma solução, o produto m. n deve ser igual a: (A) 10 (B)15 (C) 12 (D) 8 (E) 16 02. (FGV)O sistema linear abaixo 42 132 zyx zyx (A) é impossível. (B) admite apenas uma solução. (C) admite apenas duas soluções. (D) admite apenas três soluções. (E) admite infinitas soluções. 03. (UNICAMP) Considere o sistema linear abaixo, no qual a é um parâmetro real: 3 2 1 azyx zayx zyax a) Mostre que para a = 1 o sistema é impossível. b) Encontre os valores do parâmetro a para os quais o sistema tem solução única. 04. (FGV) Considere o sistema linear nas incógnitas x, y e z: 43 7532 3 zyx zyx mzyx a) Para que valores de m o sistema é determinado? b) Resolva o sistema para m = 0. Tarefa Básica 01. (MACK) O sistema byx yax 2 14 (A) se b = 2 1 , tem solução única qualquer que seja a. (B) se a = 2, pode ser indeterminado. (C) apresenta solução única para um único valor de a. (D) se a = 2, não apresenta solução, qualquer que seja b. (E) nunca é indeterminado, quaisquer que sejam a e b. 02. (MACK) Com relação ao sistema, kykx kyx 1 1 k , considere as afirmações: I - E indeterminado para um único valor de k. II - Sempre admite solução, qualquer que seja k. III - Tem solução única, para um único valor de k. Das afirmações acima (A) somente I está correta. (B) somente I e II estão corretas. (C) somente II e III estão corretas. (D) nenhuma está correta. (E) todas estão corretas. 03. (VUNESP) Dado o sistema de equações lineares S: 1223 2 12 zyx zy czyx onde c , determine a) a matriz A dos coeficientes de S e o determinante de A. b) o coeficiente c, para que o sistema admita uma única solução. 04. (FATEC) O sistema linear de três equações nas variáveis x, y e z 236 112 kzx zkyx kyx É possível e determinado se, e somente se, (A) k 2 (B) k 3 (C) k 4 (D) k 5 (E) k 6 05. (MACK) O sistema 52 32 6 zyx zyx zyx (A) possível e determinado, sendo x .y. z = -6. (B) possível e determinado, sendo x . y . z = -4. (C) possível e determinado, sendo x+ y+ z = 5. (D) possível e indeterminado. (E) impossível. 06. (MACK) O sistema kzyx zyKx kzyx 1 (A) é impossível para um único valor de k. (B) tem solução única para um único valor de k. (C) tem solução (k, 0, 0), qualquer que seja k 0. (D) tem mais de uma solução para um único valor de k. (E) pode admitir a solução nula. 07. (MACK) A soma dos valores de m, para que o sistema 25164 542 1 2 zyxm zymx zyx não admita uma única solução, é: (A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4 (E) 5 Respostas da Tarefa Básica 01. (B) 02. (D) 03.a) A= 223 110 21 c , det A=6-3c b) c -{2} 04. (E) 05.(B) 06. (D) 07. (B) 102 Frente 2 – Aula 28 SISTEMAS LINEARES HOMOGÊNEOS Definição Um sistema linear homogêneo é aquele em que todos os termos independentes são nulos. Assim, um sistema linear homogêneo de m equações e n incógnitas pode ser escrito na forma: É claro que todas essas igualdades são verdadeiras para: x1 = x2 =.......= xn = 0 Ou seja, a n-upla ordenada (0,0...,0) sempre é solução de um sistema linear homogêneo. Esta é a chamada solução trivial ou solução nula do sistema Discussão Sendo assim, um sistema linear homogêneo é sempre possível, já que possui pelo menos a solução trivial. Resta descobrir se o sistema é possível determinado ou possível indeterminado. Para isso, devemos escalonar o sistema. Se, após o escalonamento, o número de equações do sistema for igual ao número de incógnitas, então o sistema é determinado e a sua única solução é a solução trivial. Por outro lado, se após o escalonamento, o número de equações for menor que o de incógnitas, o sistema é possível e indeterminado. Ou seja, o sistema possui infinitas soluções além da solução trivial. Resumindo: Exemplos Considere, por exemplo, o sistema abaixo: 0524 03 032 zyx zyx zyx Vamos escalonar este sistema. Para isso, vamos somar a segunda equação com a primeira multiplicada por 3. Além disso, vamos somar a terceira com a primeira multiplicada por -4: 076 085 032 zy zy zyx Substituindo a segunda equação por outra equação obtida com a soma da segunda com a terceira: 076 0 032 zy zy zyx Somando a terceira equação com a segunda multiplicada por - 6: 013 0 032 z zy zyx Na forma escalonada, este sistema homogêneo possui 3 equações e 3 incógnitas. Assim, é um sistema possível e determinado; sua única solução é a trivial: S= {(0,0,0)} Em outro exemplo, considere o seguinte sistema: 0732 04 03 zyx zyx zyx Vamos escalonar este sistema. Para isso, vamos somar a segunda equação com a primeira multiplicada por - 4 e somar a terceira com a primeira multiplicada por - 2: 0135 0135 03 zy zy zyx Como as duas últimas equações obtidas são idênticas entre si: 0135 03 zy zyx Como temos duas equações e três incógnitas, o sistema é possível e indeterminado. Para resolvê-lo, consideremos a variável livre z, à qual atribuímos o valor arbitrário . Assim, temos: 0135 03 y yx Ou de forma equivalente: )2(135 )1(3 y yx Da equação (2): y= 5 13 Substituindo em (1): x+ 5 13 = 3 x= 5 2 Assim, as soluções do sistema são constituídas pelas triplas ordenadas da forma: ; 5 13 ; 5 2 Observemos que, para = 0, obtemos a solução nula do sistema, (0, 0, 0). 103 Exercícios de Aula 01. (MACK) O sistema 0 0 myx ymx (A) é impossível, se m = 0. (B) tem mais de uma solução, se m = - 1. (C) tem solução única, se m = 1. (D) admite apenas solução nula, qualquer que seja m. (E) admite mais de uma solução, qualquer que seja m 2 1 . 02. (FUVEST) A solução geral do sistema 0333 0222 0 zyx zyx zyx (A) (0,0,0) (B) (a,-a,0) (a ) (C) (a, 2b, 3c) (a, b, c ) (D) (a,b,-a+b)(a,b R) (E) (a,b,-a-b)(a,b ) 03. (FUVEST) Seja o sistema mmzyx zmyx zyx 3 03 02 a) Determine todosos valores de m para os quais o sistema admite solução. b) Resolva o sistema, supondo m = 0. 04.(FGV) a) Um investidor possui R$ 24.000,00 e pretende aplicar totalmente esse valor, por 1 ano, em três findos: A, B e C. As rentabilidades anuais esperadas de A, B e C são, respectivamente, 12%, 15% e 20%. Se seu ganho total esperado for de R$ 3.590,00 e se seu ganho esperado em A for igual à soma dos ganhos esperados nos outros dois fundos, escreva o sistema linear de equações correspondente aos dados, considerando x o valor aplicado em A, y o valor aplicado em B e z o valor aplicado em C. b) Para que valores de k o sistema abaixo (nas incógnitas x, y e z) é indeterminado? 02 03 02 zyx kyx zyx Tarefa Básica 01. (MACK) Para que a equação matricial k y x k y x ,. 17 71 , tenha pelo menos uma solução, um possível valor de k é: (A) 2 (B) 4 (C) 5 (D) 6 (E) 8 02. (UEL) O sistema de equações 0 032 043 yx zyx zyx (A) não tem solução. (B) admite uma única solução não trivial. (C) admite apenas a solução trivial. (D) admite infinitas soluções. (E) admite apenas soluções não triviais. 03. (UFRGS) A soma dos valores de k que tornam o sistema 03 043 0 zkyx zykx zyx indeterminado é (A) -7 (B) -2 (C) 2 (D) 7 (E)10 04. (PUCSP) Considere o sistema de equações lineares 0 0 0 kyx ykx kzx O conjunto de valores de k para os quais ele apresenta solução única, é: (A) 1,1,0 kkkk (B) {0,1,-l} (C) {0} (D) {-l} (E) 0kk 05. (PUCCAMP) Considere o seguinte sistema linear: 0642 033 032 yx yx yx Podemos afirmar que (A) é homogêneo. (B) é determinado. (C) tem mais de uma solução. (D) é impossível. (E) n.d.a. Respostas da Tarefa Básica 01. (E) 02. (D) 03. (D) 04. (A) 05. (B)
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