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63 SISTEMAS DE ECUACIONES LINEALES UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN ÁLGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA SISTEMAS DE ECUACIONES LINEALES Notas Teóricas Ejercicios y Aplicaciones MG ANALIA MENA ESP. GRACIELA ABRAHAM ESP. MABEL RODRIGUEZ ANIDO 64 Muchas situaciones en economía, ingeniería, física, matemáticas y otras ciencias, se reducen al problema de resolver un sistema lineal. El interés en la solución de estos sistemas es muy antiguo como lo demuestra el siguiente problema, donde interviene un sistema lineal del que se ocuparon los matemáticos de hace ochocientos años. Nuestra historia es acerca de Leonardo Pisano, matemático italiano (1175 – 1250 AC) mejor conocido como Fibonacci. Durante sus viajes, aprendió la “nueva aritmética” árabe que después presentó al Occidente en su famoso libro Lider abaci. Dice la leyenda que el emperador Federico II de Sicilia invitó a Fibonacci y a otros sabios a participar en una especie de torneo de matemáticas, en el que se plantearon varios problemas. Uno de ellos era el siguiente: “Tres hombres poseen una sola pila de monedas de la cual a cada uno le corresponde 2 1 , 3 1 y 6 1 del total respectivamente. Cada uno toma algo de dinero de la pila hasta que no queda nada. El primero regresa 2 1 de lo que tomo, el segundo 3 1 y el tercero 6 1 . Cuando el total reintegrado se divide por igual entre los tres, se descubre que cada uno posee lo que le corresponde. ¿Cuánto dinero había en la pila original, y cuánto tomó cada uno de esa pila?” Fibonacci llega a la siguiente solución: la cantidad total era 47, y las cantidades que tomaron los hombres de la pila fueron 33, 13 y 1. ¿Es correcto? Para responder esta pregunta necesitamos aprender a resolver sistemas de ecuaciones lineales. 1.1.- Ecuación Algebraica Lineal con n incógnitas Definición: Llamamos ecuación algebraica lineal con n variables a una expresión del tipo: a1 x1 + a2 x2 +….+ an xn = b, donde ai , i = 1, 2, .., n son constantes arbitrarias no simultáneamente nulas llamadas coeficientes de la ecuación. Las xi , i = 1, 2,…, n se llaman variables o incógnitas de la ecuación. Y la constante b término independiente de la ecuación. Las variables, los coeficientes y el término independiente de la ecuación, pertenecen en general a un cuerpo K, en particular vamos a trabajar con K = , pero todos los resultados valen sobre cualquier cuerpo K. La palabra lineal significa que el primer miembro es de primer grado en el conjunto de las variables x1, x2, …, xn . 65 Si b 0 la ecuación algebraica lineal se denomina no homogénea. Si b = 0 la ecuación algebraica lineal se denomina homogénea. 1.2.- Solución de una ecuación lineal Definición: Una solución de esta ecuación lineal es una n- upla ordenada X0 = (k1, k2,.. , kn) que verifica la ecuación. Luego, resolver una ecuación significa encontrar el vector o los vectores n dimensionales que la verifiquen. El conjunto de todas las soluciones se llama conjunto solución de la ecuación. Ejemplo: Resolver las siguientes ecuaciones: a) 2x = 3 Esta ecuación tiene como única solución a 3/2, porque este es el único valor que la verifica. b) x + 2y = 4 Una solución es x = 2 , y = 1. Pero otra solución es x = 4, y = 0. Estos son ejemplos de algunos de los infinitos pares de números reales que satisfacen la ecuación. 2.- Sistemas de “m” Ecuaciones Lineales con “n” Incógnitas 2.1.-Definición: Se llama así a un conjunto de “m” ecuaciones lineales y “n” incógnitas consideradas simultáneamente. Sea S un sistema lineal de m ecuaciones y n incógnitas, la forma algebraica del mismo es: S Donde: aij :Son números reales, llamados coeficientes del sistema , con i = 1,2,3,…m y j = 1,2,3,…n. b i : Son números reales, llamados términos independientes del sistema , con i = 1,2,3…m . x j : son las incógnitas, son las variables del sistema (con j = 1,2,3,…n). Los coeficientes están provistos de dos subíndices: el primero nos indica la ecuación a la cual pertenecen y el segundo, la incógnita. Así: ai j es el coeficiente de xj en la i-ésima ecuación. En cambio, los términos independientes tienen un solo subíndice el cual indica la ecuación a la cual pertenecen. 66 2.2.- Notación Matricial de un Sistema de Ecuaciones Al sistema S se lo puede representar mediante una ecuación matricial. Observaciones Si B = N, es decir i bi = 0 el sistema se llama Homogéneo. Si B N, es decir i / bi 0 el sistema se llama No Homogéneo. Si m = n, es decir el sistema tiene el mismo número de ecuaciones que de incógnitas, se dice cuadrado. Sean las matrices: A = mn2m1m n22221 n11211 aaa aaa aaa , A Mmxn : matriz de los coeficientes del sistema y A’ = mmn2m1m 2n22221 1n11211 baaa baaa baaa , A’ Mmx(n+1): matriz ampliada del sistema, el vector columna X = n 2 1 x x x , X Mnx1: matriz de las incógnitas y el vector columna B = m 2 1 b b b , B Mmx1: matriz de los términos independientes. De manera abreviada, el sistema S se expresará mediante la ecuación: AX = B, (1) donde: A M m x n; X M n x 1 y B M m x 1 O bien . ...... .............. ......... ... .... ... .... ...... 21 21 222221 111211 mnmjmm inijii nj nj aaaa aaaa aaaa aaaa . m i n j b b b b x x x x .... ... ... ... 2 1 2 1 (2) Las igualdades (1) y (2) reciben el nombre de Notación Matricial del Sistema. Se puede comprobar, aplicando los conceptos de producto e igualdad de matrices, que dado el sistema A X = B obtenemos el sistema S y recíprocamente dado S es posible escribir A X = B 67 Ejemplos: a) Escriba los siguientes sistemas usando notación matricial: i) 102x52x6x8x4 46x23x2x4x2 8x4x 28x14x2x2x2 4321 4321 42 4321 Este es un sistema no homogéneo donde A = 52684 23242 4010 14222 es la matriz de los coeficientes del sistema, X = 4 3 2 1 x x x x es la matriz de las incógnitas y B = 102 46 8 28 la matriz de los términos independientes. Entonces A X = B o bien 52684 23242 4010 14222 4 3 2 1 x x x x = 102 46 8 28 es la notación matricial del sistema. ii) 0z3y2x 0u3z2yx 0u4z3y2x Este sistema es homogéneo donde A = 0321 3211 4321 es la matriz de los coeficientes, X = u z y x es la matriz de las incógnitas y B = 0 0 0 es la matriz de los términos independientes. Por lo tanto la notación matricial es: A X = N, es decir 0321 3211 4321 u z y x = 0 0 0 68 b) Dadas las matrices ampliadas siguientes, escriba en cada caso los sistemas S. i) 1111 6565 4321 ii) 021 011 021 i) Se observa que si A’ = 1111 6565 4321 , entonces A = 111 565 321 es la matriz de los coeficientes del sistema, B = 1 6 4 es la matriz de los términos independientes y se puede considerar a X = z y x como la matriz de las incógnitas. Aplicando los conceptos de producto e igualdad de matrices, obtenemos: A X = B 111 565 321 z y x = 1 6 4 zyx z5y6x5 z3y2x = 1 6 4 1zyx 6z5y6x5 4z3y2x Por lo tanto el sistema S para este caso es: 1zyx 6z5y6x5 4z3y2x ii) Si A’ = 021 011 021 es la matriz ampliada del sistema, entonces A = 21 11 21 es la matriz de los coeficientes, B = 0 0 0 = N (matriz nula) es la matriz de los términos independientes y podemos considerar a X = 2 1 x x la matriz de las incógnitas. Por lo tanto A X = N 21 11 21 2 1 x x = 0 0 0 21 21 21 x2x xx x2x = 0 0 0 69 Por lo tanto el sistema S correspondiente es: 0x2x 0xx 0x2x 21 21 21 2.3.- Conjunto Solución de un Sistema de Ecuaciones Lineales Resolver un sistema de ecuaciones lineales A X = B (A Mmxn, X Mnx1, B Mmx1) significa encontrar los vectores X0 que verifiquen simultáneamente las m ecuaciones del sistema. En símbolos: CS = X0 M nx1 / A X0 = B , donde cada X0 se llamará solución del sistema. Puede ocurrir que CS = o bien CS Ejemplo: Resuelva los siguientes sistemas de ecuaciones: i) 3yx 1yx ii) 4y2x2 2yx iii) 3yx 1yx Resolución i) Si sumamos ambas ecuaciones, obtenemos: 2x = 4, de manera que x = 2. De lo que se desprende que y = 1. Una rápida verificación (A X0 = B), confirma que X0 = 1 2 es en realidad una solución de ambas ecuaciones. Y esta será la única solución, es decir: Cs = 1 , 2 ii) Se observa en este sistema que la segunda ecuación es exactamente dos veces la primera, de modo que las soluciones son las mismas para ambas ecuaciones. Es decir, que si dividimos por dos los miembros de la segunda ecuación, obtenemos: 2yx4y2x2 2yx . Algunas de las soluciones serán: 2 4 , 3 5 , 4 6 , 5 7 Pero estos son ejemplos de las infinitos pares de números que satisfacen el sistema. Estas soluciones obtenidas suelen denominarse soluciones particulares y la solución general puede expresarse: Cs = y / y , 2y iii) Dos números x e y no pueden tener simultáneamente una diferencia de 1 y 3. Por consiguiente, este sistema no tiene solución. Es decir: Cs = 70 2.4.- Clasificación de los Sistemas de Ecuaciones Lineales según su conjunto solución Sea Cs = X0 M nx1 / A X0 = B , conjunto solución de un sistema de ecuaciones lineales A X = B. Clasificamos los sistemas según su conjunto solución en: Sistemas de Ecuaciones Lineales Observación importante: Sea A X = N (1) un sistema de ecuaciones lineales homogéneo; podemos afirmar que estos sistemas son siempre compatibles puesto que siempre el vector nulo, N, satisface (1). Es decir A N = N. El vector nulo N Mnx1 se llama solución trivial del sistema de ecuaciones lineales homogéneo. Una solución X N se conoce como solución no trivial Consideremos ahora el problema de resolver sistemas cuadrados, es decir sistemas de n ecuaciones y n incógnitas. 3.- Sistemas Cramerianos 3.1.- Definición: Un sistema de ecuaciones lineales A X = B se llama Sistema Crameriano, si y sólo si la matriz de los coeficientes del sistema es cuadrada y tal que A 0. En símbolos: A X = B es crameriano A Mnxn y A 0 3.2- Teorema de Leibniz - Cramer. Sea el sistema crameriano A X = B con A Mnxn; X Mnx1; B Mnx1 entonces: a) El sistema lineal A X = B admite solución única. b) El valor de la i-ésima componente del vector solución X, se obtiene como el cociente de dos números xi = A A i , i = 1, 2, ..., n donde Ai M nxn es la matriz que se obtiene al reemplazar en la matriz de los coeficientes la columna i-ésima por la columna de los términos independientes. Demostración a) Sea A X = B, como el sistema es crameriano, A 0 A-1 y es única. Premultiplicando ambos miembros por la inversa de A: Cs si lesIncompatib )soluciones (infinitas adosIndetermin única)(solución osDeterminad Cs si sCompatible 71 A-1 (A X) = A-1 B (A-1 A) X = A-1 B I X = A-1 B X = A-1 B X = A-1 B es la única solución del sistema por ser A-1 única. Luego, queda demostrado lo que se quería probar Observación Esta última igualdad nos brinda, además, un método para resolver sistemas cuadrados utilizando matriz inversa. b) Para encontrar x1, x2, . . ., xn , recordemos que A -1 = *A A 1 y A* = (Ac) t = nnn2n1 nii2i1 2n2212 1n2111 CCC CCC CCC CCC , es decir A* = (Cji) con Cji cofactor correspondiente al elemento aji y B = (bj) j = 1, 2, …, n Reemplazando en X = A-1 B, obtenemos: X = ( *A A 1 ) B X = A 1 (A* B) X = A 1 nnn2n1 nii2i1 2n2212 1n2111 CCC CCC CCC CCC n j 2 1 b ... b ... b b Efectuando el producto de matrices indicado obtenemos: n i 2 1 x ... x ... x x = A 1 nnn2n21n1 nni2i21i1 22n222212 11n221111 bC...bCbC ....................................... bC...bCbC .......................................... bC...bCbC bC...bCb.C Se observa que el valor de la i –ésima componente del vector X es: xi = A 1 ( nni2i21i1 bC..bCbC ) = j n 1j jibC , i = 1, 2, …, n xi = A 1 ji n 1j jCb , i = 1, 2, …, n (I) 72 Recordando que ji n 1j jiCaA es el desarrollo del determinante por los cofactores de la i- ésima columna y comparando con (I) vemos que (I) es el desarrollo del determinante que se obtiene al reemplazar en A la i-ésima columna por la columna de los términos independientes. Es decir xi = iA A 1 . De aquí, se deduce que: x1 = nn2nn n2222 n1121 aab aab aab A 1 ,x2= nnn1n n2221 n1111 aba aba aba A 1 ,…, xn = n2n1n 22221 11211 baa baa baa A 1 Con lo que queda probado el teorema. Observación: Este Teorema no sólo nos asegura que todo sistema crameriano tiene solución única, sino también nos proporciona un método que denominamos Regla de Cramer (apartado b) del teorema) para hallar dicha solución. Ejemplos: a) Dijimos que la igualdad X = A-1 B nos brinda un método para resolver sistemas cuadrados utilizando matriz inversa. Veremos un ejemplo referido a esta cuestión. Resuelva el siguiente sistema lineal utilizando matriz inversa: 1y3x 2y4x Resolución: Como la forma matricial del sistema es A X = B 31 41 y x = 1 2 y además A =1 0 podemos afirmar que A-1 / A-1(A X) = A-1B (A-1A) X = A-1B I X = B X = A- 1B, donde A-1 = 11 43 ; por consiguiente X = 11 43 1 2 = 1 2 Luego Cs = ( -2 , -1) b) Resuelva el siguiente sistema lineal aplicando, si es posible, el teorema de Leibnitz Cramer 4zyx 3zyx 2zyx 73 Resolución: El sistema tiene tres ecuaciones y tres incógnitas o sea es cuadrado; para averiguar si es crameriano nos faltaría averiguar si A 0 A = 111 111 111 = - 4 0: entonces el sistema es crameriano y por lo tanto: x = 4 114 113 112 = 4 10 = 2 5 , y = 4 141 131 121 = 4 12 =3 , z= 4 411 311 211 = 4 14 = 2 7 Luego, el sistema es compatible determinado y el conjunto solución es Cs =( 2 5 , 3 , 2 7 ) c) Dado el sistema bkzy8x7 0z6y5x4 0z3y2x , calcular los valores de los parámetros “k” y “b” para los cuales el sistema es crameriano. Resolución: Sea A = k87 654 321 la matriz de los coeficientes del sistema cuadrado; para que el sistema sea crameriano el A 0 A = k87 654 321 = 27 – 3 k 0 k 9 y como no depende de b El sistema es crameriano k 9 y b Observación: Desde luego el teorema de Leibniz - Cramer es de uso aconsejado para sistemas de ecuaciones no homogéneos. Puesto que si el sistema es homogéneo, el sistema tendría la solución trivial como única solución como se observa a continuación. 4.- Sistemas Homogéneos Sea el sistema lineal A X = N (1) donde A Mnxn, X Mnx1, N Mnx1 Es evidente que este sistema es siempre compatible, ya que admitirá siempre la solución trivial x1 = x2 = . . . = xn = 0. 74 Pero si ocurre además que 0 A , entones existe A-1 / A-1(A X) = A-1N (A-1A) X = N I X = N X = N solución única. Ejemplo: Resuelva el sistema 0z2yx3 0z6y5x4 0z6y4x2 El sistema es cuadrado, nos faltaría entonces calcular el determinante asociado a la matriz de los coeficientes del sistema Sea A = 213 654 642 213 654 642 A = 6 A 0 el sistema es crameriano y su única solución es la trivial: x = 0, y = 0, z = 0, o lo que es lo mismo Cs=(0 , 0 , 0 A continuación enunciamos un teorema que nos permite clasificar un sistema cuadrado: 5.1.- Teorema 1 Condición necesaria y suficiente para que un sistema de n ecuaciones lineales con n incógnitas admita solución única, es que el determinante de la matriz del sistema sea diferente de cero. Es decir: Todo sistema A X = B de n ecuaciones con n incógnitas tiene solución única 0 A Ya se demostró que la condición 0 A era suficiente para que un sistema cuadrado tenga solución única. Aceptaremos sin demostración que dicha condición es también necesaria. El teorema contrarrecíproco nos permite afirmar que: 5.2.- Teorema 2 El sistema lineal A X = N, AMnxn N Mnx1 es compatible indeterminado A = 0 Ejemplo: Estudie la existencia de soluciones para los distintos valores del parámetro “a” en el siguiente sistema: 0x12xx 0x7xx 0x4axx2 321 321 321 75 Sea A = 1211 711 4a2 la matriz de los coeficientes del sistema. Como el sistema es homogéneo, es siempre compatible. Sea A = 1211 711 4a2 = 520 711 10a20 = 1 (-1)2+1 52 10a2 = - (-10-5a-20) A = 30 + 5a i) Si A = 30 + 5a 0 a -6, el sistema es compatible determinado y la única solución es la trivial. Es decir Cs = (0 , 0 , 0) ii) Si A = 30 + 5a = 0 a = -6, el sistema es compatible indeterminado, tiene infinitas soluciones además de la trivial Veremos a continuación, un teorema integrador que relaciona los conceptos de matriz inversa, matrices equivalentes y sistemas cramerianos. Estos enunciados son equivalentes, es decir, cada enunciado implica los demás. 5.3.- Teorema 3 Sea A Mnxn . Entonces: A es inversible 0 A A In por filas r (A) = n A X = B es compatible determinado la única solución del sistema homogéneo asociado A X = N es la trivial (X = N) Observación: La regla de Cramer es aplicable sólo para sistemas cramerianos. Además cuando el número de ecuaciones es mayor que dos se requiere el cálculo de muchos determinantes, lo cual resulta muy laborioso. Surge entonces la necesidad de generalizar la resolución a sistemas de m ecuaciones con n incógnitas. Para ello vamos a definir los siguientes conceptos. 6.1.- Sistemas Equivalentes Definición: Dos sistemas S y S’ de m ecuaciones lineales y n incógnitas se dicen equivalentes si toda solución de S es solución de S’ y recíprocamente. En símbolos S S’ Dado un sistema de “m” ecuaciones lineales con “n” incógnitas es posible transformarlo en otro equivalente al dado mediante las siguientes operaciones: F1+F2(-2) F3+F2(-1) 76 6.2.- Operaciones Elementales sobre las ecuaciones de un sistema 1) Intercambio de dos ecuaciones. 2) Multiplicación de una ecuación por un escalar 0 . 3) Suma a una ecuación de otra multiplicada por un escalar arbitrario. Aceptaremos, sin demostración, el siguiente teorema que afirma que estas operaciones elementales dejan invariable al conjunto solución de un sistema lineal. 6.3.- Teorema 4 Los sistemas S y S’ de m ecuaciones lineales y n incógnitas son equivalentes si uno se obtiene a partir del otro mediante la aplicación de un número finito de operaciones elementales sobre sus ecuaciones. Observación: Para resolver sistemas de ecuaciones se tratará de realizar operaciones elementales en las ecuaciones, creando así sistemas equivalentes que conduzcan a una simplificación de las mismas intentando siempre eliminar incógnitas. Veremos ahora cómo funcionan estas ideas en un ejemplo. Ejemplo: Dado el sistema de ecuaciones: 3yx 0y4x2 , A’ = 11 42 3 0 es la matriz ampliada. (La línea vertical en esta matriz es “imaginaria” y normalmente no se incluye). Es evidente que toda la información del sistema está contenida en los coeficientes de las ecuaciones. Por ello, trabajamos con la matriz ampliada y le aplicamos operaciones elementales sobre las filas de la misma, siguiendo los pasos que indica el Método de Gauss - Jordan, tratando de formar el mayor número de vectores canónicos columnas distintos y de este modo arribar a otro sistema equivalente más sencillo con el mismo conjunto solución. F1 + F2(-2) F1(- 1/6) F2 + F1(-1) 11 42 3 0 11 60 3 6 1 1 1 0 3 1 0 1 1 0 2 1 77 En general, resumiendo el Método: 1º) Se divide la primera ecuación en el coeficiente de x1 (a11) para hacer dicho coeficiente igual a 1. 2º) Se hacen cero los coeficientes de x1 en las restantes ecuaciones, utilizando operaciones elementales entre las filas. 3º) Se divide la segunda ecuación en el coeficiente de x2 para que dicho coeficiente sea 1. Luego de hacen ceros los coeficientes de x2 de las otras ecuaciones. Se resalta el hecho que en cada paso se obtienen sistemas que son equivalentes. Es decir, cada sistema tiene el mismo conjunto de soluciones que el precedente. El sistema equivalente obtenido es: 2y0x 1yx0 2x 1y Cs = (2 , 1) Recordando el concepto de rango de una matriz podemos observar que: r(A) = 2 y r(A’) = 2; esto no es casualidad, sino consecuencia del siguiente teorema que enunciaremos sindemostrar y que nos permitirá investigar los criterios a usar para determinar si las soluciones existen o no. 7.1.- Teorema de Rouché – Frobenius Sea el sistema lineal A X = B, A Mmxn , X Mnx1 y B Mmx1 y sea A’ Mmx(n+1) la matriz ampliada. El sistema A X = B es compatible r (A) = r (A’ ) En consecuencia el sistema A X = B es incompatible r (A) r (A’) Consecuencias: Sea A X = B un sistema lineal compatible, es decir, tal que r (A) = r (A’), donde A Mmxn , X Mnx1 y B Mmx1. Se presentan las siguientes situaciones: a) r (A) = r (A’) = n (número de incógnitas) el sistema es Compatible Determinado (Solución Única) b) r (A) = r (A`) = r < n (número de incógnitas) el sistema es Compatible Indeterminado (Infinitas Soluciones). En este caso se tienen r incógnitas principales, cuyos valores dependen de los infinitos valores que les asignemos a las “n – r” restantes llamadas variables libres. 78 Observación: En el caso de los sistemas homogéneos A X = N, con A M mxn , X Mnx1 como la matriz ampliada A’ tiene siempre una columna de ceros, entonces r(A) = r(A’ ). Por lo tanto los sistemas homogéneos son siempre compatibles. Entonces: Si r(A) = r(A’) = r I. C. trivialla de además soluciones infinitas admite homogéneo sistema El :nr C.D. 0 0 0 X : trivialla essolución única la :nr 8.1.- Resolución de Sistemas de ecuaciones Lineales El Método de Gauss - Jordan nos permite decidir si un sistema es compatible o no como así también determinar el conjunto solución en caso de compatibilidad con la ayuda del teorema de Rouché - Frobenius. Se basa esencialmente en la determinación de los rangos de A y A’ formando el máximo número de vectores canónicos columnas distintos mediante la aplicación de operaciones elementales de filas. Ejemplos: Analice y resuelva los siguientes sistemas de ecuaciones aplicando el método de Gauss – Jordan a) 5z2yx 5zy3x2 3zyx b) -3 zyx 3w3zy2x2 1w2zyx c) 1y x -4 yx4 2zyx2 5z2y Resolución: a) 5z2yx 5zy3x2 3zyx con A’ = 211 132 111 5 5 3 matriz ampliada del sistema Para calcular los rangos de A y A’ usaremos el método de Gauss - Jordan y clasificaremos el sistema usando el teorema de Rouché - Frobenius. Para ello aplicaremos operaciones elementales sobre las filas de A’ hasta obtener el máximo número de vectores canónicos columnas distintos. 79 F2 + F1(-2) F3 + F1(-1) F1 + F2(-1) F3 + F2(2) F3(-1/5) F1 + F3(-2) F2 + F3 Como r (A) = r (A’) = 3 Sistema Compatible. Como además r = n (nº de incógnitas Sistema Compatible Determinado tiene solución única El sistema equivalente es: 2zy0x0 1z0yx0 0z0y0x 2z 1y 0x Cs = (0 , 1 , 2) b) -3 zyx 3w3zy2x2 1w2zyx con A’ = 0111 3122 2111 3 3 1 matriz ampliada del sistema 211 132 111 5 5 3 320 110 111 8 1 3 5 0 0 1 1 0 2 0 1 10 1 4 1 0 0 1 1 0 2 0 1 2 1 4 1 0 0 0 1 0 0 0 1 2 1 0 0111 3122 2111 3 3 1 2200 1100 2111 2 1 1 F2 + F1(-2) F3 + F1 F1 + F2 F3 + F2(2) 80 Como r (A) = r (A’) = 2 < n = 4 (número de incógnitas) El sistema es compatible indeterminado tiene infinitas soluciones El sistema equivalente es: 1wzy0x0 0z0yx 1wz 0yx En este caso se tienen r = 2 incógnitas principales, las cuales dependen de los infinitos valores que les asignemos a las n - r = 4 – 2 = 2 variables libres. Las variables principales son las correspondientes a los pivotes, es decir: “x” y “z”, mientras que las libres son “y” y “w”. El conjunto solución se obtiene resolviendo el sistema equivalente para las variables principales en términos de las libres. En este caso resolvemos para “x” y para “z” en términos de “y” y “w”, incógnitas libres ya que pueden tomar cualquier valor real. 1wz 0yx w1z yx Cs = w ,y / w ,w1 ,y ,y Solución general Las infinitas cuaternas que son solución del sistema se obtienen reemplazando en la solución general las variables libres “y” y “w” por cualquier valor real; éstas se denominan soluciones particulares. Por ejemplo: Si y = 0 , w = 0 , la cuaterna solución es ( 0, 0, 1, 0) Si y = 0 , w = 1 , la cuaterna solución es ( 0, 0, 2, 1) Si y = -1 , w = -1 , la cuaterna solución es ( -1, -1, 0, -1) Si y = -2 , w = 0 , la cuaterna solución es ( -2, -2, 1, 0) c) 1y x -4 yx4 2zyx2 5z2y con A’ = 011 014 112 210 1 4 2 5 matriz ampliada del sistema 0 0 00 11 00 1 0 11 0 1 0 11 00 1 0 11 1 0 81 011 014 112 210 1 4 2 5 011 050 130 210 1 8 4 5 0 11 0 50 1 30 0 50 1 8 4 13 0 11 0 00 1 30 0 50 1 5 4 13 0 11 0 00 1 30 0 10 1 5 4 5/13 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 5/8 5 5/19 5/13 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 5/8 1 5/19 5/13 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 Como r (A) = 3 r (A’) = 4 El sistema es incompatible. No tiene Solución. F2 + F4(-2) F3 + F4(-4) F1 + F2(2) F1(-1/5) F3 + F1(-1) F2 + F1(3) F4 + F1(-1) F3 (1/5) F1 + F3 (-13/5) F2 + F3 (-19/5) F4 + F3 (8/5) 82 Ejemplos: Analice y resuelva los siguientes sistemas de ecuaciones homogéneos aplicando el método de Gauss – Jordan: a) 0xx2 x 0x xx 0x x2 x 432 421 431 b) 0z 0y x2 0 yx Resolución: a) La matriz ampliada es A’ = 1210 1011 1201 0 0 0 F2 + F1 F3 + F2(-1) F3(-1) F1 + F3 Como r(A) = r(A’) = 3 < 4 = n (número de incógnitas) el sistema es compatible indeterminado tiene infinitas soluciones El sistema equivalente es: 0xx0x0x0 0x0x2xx0 0x0x2x0x 4321 4321 4321 0x 0x2x 0x2x 4 32 31 0x x2x x2x 4 32 31 Cs = x / 0 ,x ,x2 ,x2 3333 Solución general Soluciones particulares: Si x3 = 0 , la cuaterna solución es ( 0, 0, 0, 0) Solución trivial Si x3 = 1 , la cuaterna solución es ( -2, -2, 1, 0) Si x3 = -1 , la cuaterna solución es ( 2, 2, -1, 0) Si x3 = -2 , la cuaterna solución es ( 4, 4, -2, 0) 1210 1011 1201 0 0 0 1 210 0 210 1 201 0 0 0 1000 0 210 1201 0 0 0 1 000 0 210 1201 0 0 0 1 000 0 210 0 201 0 0 0 83 b) 0z 0y 2x 0yx La matriz ampliada del sistema es: A’ = 100 012 011 0 0 0 F2+F1(-2) F2(1/3) F1+F2 Como r(A) = r(A’) = 3 = n (número de incógnitas) el sistema es compatible determinado tiene solución única El sistema equivalente es: 0zy0x0 0z0yx0 0z0y0x 0z 0y 0x Cs = ( 0 , 0 , 0 ) Aplicaciones 1) Un Ingeniero supervisa la producción de tres tipos de automóviles. Se requieren tres clases de materiales: metal, caucho y plástico para la producción. La cantidad necesaria para producir cada automóvil es: Metal (Kg./auto) Plástico(Kg./auto) Caucho (Kg./auto) 1 1.500 25 100 2 1.700 33 120 3 1.900 42 160 Si se dispone de un total de 106 Tn. de metal; 2,17 Tn. de plástico y 8,2 Tn. de caucho diariamente. Escriba el sistema correspondiente al problema planteado 2) Problema de la pila de monedas de Fibonacci Regresamos ahora a ese famoso problema de la pila de monedas, que resolvió Fibonacci hace algunos siglos. 100 012 011 0 0 0 100 030 011 0 0 0 100 010 011 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 84 “Tres hombres poseen una sola pila de monedas de las cuales a cada uno le corresponde 2 1 , 3 1 y 6 1 del total respectivamente. Cada uno toma algo de dinero de la pila hasta que no queda nada. El primero regresa 2 1 de lo que tomo, el segundo 3 1 y el tercero 6 1 . Cuando el total reintegrado se divide por igual entre los tres, se descubre que cada uno posee lo que le corresponde. ¿Cuánto dinero había en la pila original, y cuánto tomó cada uno de esa pila?” Resolución: Llamemos x : la cantidad de monedas que tomó el 1º hombre de la pila de monedas y: la cantidad de monedas que tomó el 2º hombre de la pila de monedas z: la cantidad de monedas que tomó el 3º hombre de la pila de monedas w: la cantidad de dinero original. Como no quedan monedas después que los tres hombres retiran, entonces: x + y + z = w Los tres hombres reintegran un total de x/2 + y/3 + z/6 , porque devolvieron respectivamente 2 1 , 3 1 y 6 1 de lo que tomaron al principio. Esta cantidad se divide por igual y así cada uno recibe 6 z 3 y 2 x 3 1 Así entonces el primer hombre tiene: x - 2 x = 2 x , que quedaron después de haber regresado, además de 6 z 3 y 2 x 3 1 . El total debería ser lo que le corresponde, o sea 2 w . Así 2 x + 6 z 3 y 2 x 3 1 = 2 w (1) De igual manera, el segundo hombre tiene y - y 3 1 = y 3 2 , después de haber hecho el reintegro, mas lo que le regresaron ( 6 z 3 y 2 x 3 1 ). El total debe se igual a lo que le corresponde, es decir 3 w . Así: y 3 2 + 6 z 3 y 2 x 3 1 = 3 w (2) 85 Por último, el tercer hombre tiene z - 6 z = z 6 5 , después de haber hecho el reintegro, más lo que le regresaron ( 6 z 3 y 2 x 3 1 ). El total debe ser lo que le corresponde, es decir 6 w . Así: z 6 5 + 6 z 3 y 2 x 3 1 = 6 w (3) Por lo tanto se tiene el siguiente sistema: 0w 6 1 z 18 16 y 9 7 x 6 1 0w 3 1 z 18 1 y 9 7 x 6 1 0w 2 1 z 18 1 y 9 1 x 3 2 0wzyx Aplicando el método de Gauss - Jordan, obtenemos: r(A) = r(A`) = 3 < n = 4 S. C. I. 0w 47 1 z 0w 47 13 y 0w 47 33 x w 47 1 z w 47 13 y w 47 33 x w Es decir que se tienen infinitas soluciones que se pueden expresar de la forma: Cs = w / w, w 47 1 , w 47 13 , w 47 33 No se sabe si Fibonacci determinó el conjunto solución completo. Pero si calculó la solución particular al igualar w = 47, para la que se obtiene x = 33, y = 13 , z = 1, 6 1 18 9 7 6 1 3 1 16 9 7 6 1 2 1 18 1 9 1 3 2 1111 0 0 0 0 0 0 00 47 1 1 00 47 13 0 10 47 33 0 01 0 0 0 0 86 3) Manufactura R.S.C.L.S. y Asociados fabrica tres tipos de computadoras personales: Ciclón, Cíclope y Cicloide. Para armar un Ciclón se necesitan 10 horas, 2 para probar sus componentes y 2 horas para instalar sus programas. El tiempo requerido para la Cíclope es 12 horas de armado, 2,5 horas para probarla y 2 horas para instalarla. La Cicloide, la más sencilla de la línea, necesita 6 horas de armado, 1,5 horas de prueba y 1,5 horas de instalación. Si la fábrica de esta empresa dispone de 1560 horas de trabajo por mes para armar, 340 horas para probar y 320 horas para instalar, ¿cuántas PC de cada tipo puede producir en un mes? Resolución: Sean x , y , z las cantidades de Ciclones, Cíclopes y Cicloides producidas cada mes. Entonces se necesitan 10 x + 12 y + 6 z horas para armar las computadoras. Por consiguiente: 10 x + 12 y + 6 z = 1560. De esta misma forma se obtienen ecuaciones para la prueba y la instalación. El sistema que resulta es: 320z5,1y2x2 340z5,1y5,2x2 1560z6y12x10 cuya solución es x = 60, y = 40 , z = 80 Cs = (60 , 40 , 80) Respuesta: Cada mes se pueden fabricar 60 Ciclones, 40 Cíclopes y 80 Cicloides. 87 4) EJERCICIO INTEGRADOR ¿Cuáles de estos sistemas se pueden resolver por todos los métodos estudiados, sin efectuar cálculos? SISTEMA 1 nm mnmnmm nn nn bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa ... ... ... ... 2211 22222121 11212111 SISTEMA 4 223 1 zyx wzyx SISTEMA 7 13 03 232 1 zyx zy zyx zyx SISTEMA 2 545 723 2 zyx zyx zyx 0 SISTEMA 5 nn nnnnnn nn nn bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa ... ... ... ... 2211 22222121 11212111 SISTEMA 8 535 23 12 431 432 421 xxx xxx xxx SISTEMA 3 0532 02 043 02 twv wvu twvu twvu 0 SISTEMA 6 087 0223 0 321 321 321 xxx xxx xxx 0 SISTEMA 9 0 51 0 32 zx yx Para responder a la pregunta deben recordar todos los métodos de resolución que se vieron, como así también las condiciones para poder aplicar cada método. Encuentran que, los métodos de resolución estudiados, son: # Regla de Cramer Sistemas n x n # Mediante inversión de matrices condición 0 Sistemas m x n # Método de Gauss – Jordan y análisis de rangos. Deben determinar el orden de los sistemas y deducir que los sistemas de distinto número de ecuaciones que de incógnitas no pueden resolverse por todos los métodos; no pueden aplicar Cramer, ni matriz inversa. Es decir que se descartan los sistemas 1, 4 y 7. Además, en la tarjeta 8 el sistema tiene 3 ecuaciones y 4 incógnitas. Por lo tanto, descartan el sistema 8. 88 Con el sistema 9, tienen que ordenar el sistema: 05 032 xz xy que tiene 2 ecuaciones y 3 incógnitas. Se descarta la tarjeta 9. El sistema 3 es homogéneo y el determinante es cero, por lo que tiene infinitas soluciones. También se descarta el sistema 3. El sistema5 requiere de cálculos y analizar el determinante. Se descarta el sistema 5. El sistema 6, al ser homogéneo y el determinante distinto de cero, tiene solución trivial y por lo tanto no necesita resolverse por ningún método; pero el hecho de tener determinante distinto de cero implica que puede resolverse por Cramer, Matriz inversa y por Gauss - Jordan. El sistema 2 también se puede resolver por todos los métodos. Al ser 0 se puede aplicar Cramer y Matriz inversa, y no hay restricciones Gauss - Jordan. Por lo tanto la respuesta es: Ejercicios Propuestos 1.- Clasifique y resuelva el siguiente sistema mediante el método de Gauss-Jordan. Si es compatible indeterminado dé la solución general. 2.- Determine para que valores de “m” el siguiente sistema admite infinitas soluciones: a) 6 m zm 9y z 9 5y 2x 3 2z-y x 2 a) 0 5z 4y -x 0 z2y 3x 0 3z y -x 2 b) 1- z -y 2x - 1 z2y -3x 1- 2z x c) 2 2w z y -3x 6 2w z -y x 2 - w z y -x d) 0 z x 0 zy x 0 3z y -x Los sistemas 2 y 6 se pueden resolver por todos los métodos sin efectuar cálculos. 89 3.- Resuelva el sistema de ecuaciones A . X = B, sabiendo que: A = 4 2 - 0 3 2 1 y B = 3 - 4 4.- Dado el sistema 0 x 10 z m 6y 5x - 5 - 8z 3y 1 z y 2x , analice, usando el teorema de Rouché-Frobenius, para que valores de “m” no tiene solución. 5.- Dadas las matrices A = 010 20 0 2 31 y B = 201 - : i) Calcule A-1. ii) Usando la inversa calculada en el apartado anterior resuelva el sistema A . X = B t. 6.- Calcule los valores de “m” para los cuales el sistema 0 x x x) 1 m ( 0 x) 1 m ( x x 0 x x) 1 m ( x 321 321 321 , admite soluciones no triviales. 7.- Usando el método de Gauss-Jordan, determine para qué valores reales de “m” y “p” el siguiente sistema admite solución única 1- pz y 2x 1 z2y x m z 4y 3x 8.- Dado el sistema 0 z y x - 0 zy 2 x 0 y x k 3 determine el o los valores de “k” de manera tal que el sistema sea compatible determinado. 9.- Dado el sistema 0 y 2x 0 z x 0 z -y x , averigüe, usando notación matricial, si la terna (-a , 2a , a) con a es solución del mismo. 90 10.- Dado el sistema 222 111 c y b x a c y b x a si “A” es la matriz de los coeficientes y “C” la matriz de los términos independientes, escriba el sistema de ecuaciones correspondiente a: (I – A) X = C. 11.- Averigüe si el sistema 0 z y 2 0 y m 3 x m - m y 3 - x ) 2 - m ( es crameriano m . Explique. 12.- Dado el sistema de ecuaciones 5 zn -y n k x 2 - z m y k -n x 1 - zk y n x m , calcule los valores de m, n y k, sabiendo que la terna ( 1 , 0 , - 1 ) es una solución del mismo y escriba el sistema resultante. 13.- Determine para qué valores de “a” y “b” el siguiente sistema de ecuaciones es homogéneo y compatible indeterminado: 2b z 2 y a x 0 z y 0 z x a 14.- Si en un sistema de ecuaciones el valor de una de sus incógnitas se obtiene a partir de la siguiente igualdad: x = 130 1 -21 2 11 1 35 1 -22 - 2 10 , i) ii) iii) i) reconstruya el sistema correspondiente. iv) ii) clasifique el mismo según su solución. v) iii) calcule solo el valor de “x”. 15.- En cada uno de los siguientes apartados marque con una cruz la única respuesta correcta: a) Dado el sistema: 0 z 2y x - z 5 - y -2x 0 4z y -x , podemos asegurar que: Es compatible determinado Es incompatible Es no homogéneo Es compatible indeterminado No se puede clasificar 91 b) El sistema 3 2z y - x 1 m 2 - z 2 y - m z 2 -y 2 es incompatible para: m - 1 m = 1 m 1 m = - 1 Ninguno de los anteriores. c) Si X0 es una solución del sistema A .X = B, con A M m x n y m < n, según el teorema de Rouché- Frobenius se verifica que: r (A) r ( A´ ) r (A) = r ( A´ ) > n r (A) = r ( A´ ) = n r (A) = r ( A´ ) < n Ninguno de los anteriores d) El conjunto solución del sistema 0 x3 x 0 x x x 0 x2 x 31 321 31 está dado por: / x x, x3 - , x2 - 3333 / x x, x2 - , x3 - 3333 / x 2 x , x, x3 - 2 2 22 x / x x, x2 - , x3 - 32323 e) El sistema de ecuaciones 0 y k x )k 2 - 3 ( 0 y k x es compatible indeterminado, para: k - 3 y k 1 k 3 y k - 1 k = - 3 ó k = 1 k = 3 ó k = - 1 Ninguno de los anteriores f) El sistema de ecuaciones k x3 x) 2 - a ( 0 x3a xa - 0 x x2 21 21 32 es homogéneo y compatible indeterminado, para: a y k = 0 a = 3 ó a = 0 y k = 0 a = 0 ó a = 1 y k = 0 a y k Ningún valor real de a , k g) La matriz 4 1 - 2 0 2 1 - 0 0 3 1 - 0 1 es equivalente a la matriz ampliada de un sistema de ecuaciones. Entonces la solución de dicho sistema es: (1, 2, - 1) (-1, 1, - 1) (1, -1 , - 2 ) (1, -2, - 1) Otro; indique… POR ÚLTIMO EL MAPA CONCEPTUAL SIGUIENTE REFLEJA TODA LA TEORÍA ESTUDIADA: Sistemas De Ecuaciones Lineales m x n A m x n . X n x 1 = B m x 1 T. R. F. Compatible Incompatible Determinado Indeterminado Cramer Inversa Eliminación de Gauss Gauss Jordan Interpretación Geométrica R2: Rectas R3: Planos Rectas que se cortan en un punto. Rectas coincidentes Rectas paralelas Planos que se intersectan en un punto. Los planos se intersectan en una recta Planos paralelos Análisis de la Solución r (A) = r (A ) Infinitas Soluciones Solución Única m = n =2 Solución Única Inf. Soluciones No tiene Solución r (A) r(A) m = n = 3 Solución Única Inf. Soluciones No tiene Solución B0 Sist. Homogéneo B=0 m = 2 n = 3 R3: Rectas Infinitas Soluciones Planos Paralelos No tiene solución
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