Sistemas de Ecuaciones Lineales SISTEMAS DE ECUACIONES LINEALES DEFINICIONES, TIPOS DE SISTEMAS Y DISTINTAS FORMAS DE EXPRESARLOS

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1 SISTEMAS DE ECUACIONES LINEALES DEFINICIONES, TIPOS DE SISTEMAS Y DISTINTAS FORMAS DE EXPRESARLOS 1.- DEFINICIÓN DE SISTEMAS DE ECUACIONES LINEALES Definición: se llama sistema de ecuaciones lineales al conjunto de expresiones algebraicas formado por m ecuaciones con n incógnitas: a 11 x 1 +a 12 x 2 +a 13 x a 1n x n = b 1 a 21 x 1 +a 22 x 2 +a 23 x a 2n x n = b 2.. a m1 x 1 +a m2 x 2 +a m3 x a mn x n = b m donde: a ij coeficientes, (i = 1,2,...,m) (j = 1,2,...,n) b i términos independientes, (i = 1,2,...,m) x i incógnitas, (i = 1,2,...,n). m, n ; m > n, ó, m = n, ó, m < n Obsérvese que el número de ecuaciones no tiene por qué ser igual al número de incógnitas. Cuando n toma un valor bajo, es usual designar a las incógnitas con las letras x, y, z, t,... Solución de una ecuación lineal: Cualquier conjunto de n números reales que verifica la ecuación se denomina solución de la ecuación. Solución de un sistema: Es cada conjunto de valores que satisface a todas las ecuaciones. 2.-SISTEMAS DE ECUACIONES EQUIVALENTES Definición: Los sistemas de ecuaciones equivalentes son los que tienen la misma solución, aunque tengan distinto número de ecuaciones. Obtenemos sistemas equivalentes por eliminación de ecuaciones dependientes. Si: Todos los coeficientes son ceros. Dos filas son iguales. Una fila es proporcional a otra. Una fila es combinación lineal de otras. Criterios de equivalencia de sistemas de ecuaciones: 1º) Si a ambos miembros de una ecuación de un sistema se les suma o se les resta una misma expresión, el sistema resultante es equivalente. 2º) Si multiplicamos o dividimos ambos miembros de las ecuaciones de un sistema por un número distinto de cero, el sistema resultante es equivalente. 3º) Si sumamos o restamos a una ecuación de un sistema otra ecuación del mismo sistema, el sistema resultante es equivalente al dado. 4º) Sin en un sistema se sustituye una ecuación por otra que resulte de sumar las dos ecuaciones del sistema previamente multiplicadas o divididas por números no nulos, resulta otro sistema equivalente al primero. 5º) Si en un sistema se cambia el orden de las ecuaciones o el orden de las incógnitas, resulta otro sistema equivalente.

2 3.-CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS DE ECUACIONES 1.-Según el número de sus soluciones: a) Compatible: Tiene solución. a.1) Compatible determinado (S.CD): Solución única. a.2) Compatible indeterminado (S.CI): Infinitas soluciones. b) Incompatible (S.I): No tiene solución. 2.-Según el valor de los términos independientes: a) Homogéneos: todos los términos independientes son nulos. b) No Homogéneos: algún término independiente es no nulo. 4.-EXPRESIÓN DE UN SISTEMA EN FORMA MATRICIAL: Un sistema de ecuaciones lineales tiene la forma de expresión matricial: Donde: ( ( ) ) ( )=( ) ( ) ( ) { ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

3 5.-RESOLUCIÓN DE SISTEMAS DE ECUACIONES APLICANDO RANGOS Teorema de ROUCHÈ-FRÖBENIUS: Un sistema de ecuaciones lineales es compatible R(A)=R(A * )=r Según la relación entre el rango y el nº de incógnitas (n) un sistema de ecuaciones lineales será: a) Si R(A)=R(A * )=r = n el S.E. es Compatible Determinado (solución única) b) Si R(A)=R(A * )=r n el S.E. es Compatible Indeterminado (infinitas soluciones) (n-r=parámetros libres) c) Si R(A) R(A * ) el S.E. es Incompatible (no tiene solución) Los S.E. Homogéneos son siempre compatibles (tienen solución), es decir siempre R(A)=R(A * )=r: a) Si R(A)=R(A * )=r = n el S.E. es Compatible Determinado (solución única trivial: x=y=z= =0) b) Si R(A)=R(A * )=r n el S.E. es Compatible Indeterminado (infinitas soluciones). Resolución de S.E. COMPATIBLES: Para resolver estos tipos de sistemas podemos aplicar. a) La Regla de CRAMER o b) El Método de GAUSS. Regla de CRAMER: Para poder aplicar la Regla de CRAMER a un sistema de ecuaciones lineales se ha de cumplir las siguientes condiciones: a) Mismo nº de ecuaciones que de incógnitas m=n. b) Sea Compatible Determinado. Para calcular el valor de cada incógnita, sustituimos la columna del determinante de la matriz de coeficientes correspondiente a la incógnita por los valores de los términos independientes (las otras columnas quedan igual) y lo dividimos por el valor del determinante de la matriz de coeficientes A. Método de GAUSS: El método de Gauss consiste en transformar un sistema de ecuaciones en otro equivalente de forma que éste sea escalonado. Sistemas de ecuaciones escalonados: Son aquellos en que cada ecuación tiene una incógnita menos que la anterior. Ejemplo1: x + y + z = 3 y + 2 z = 1 z = 1 Si nos vamos a la 3 a ecuación, tenemos que z = 1. Sustituyendo su valor en la 2 a obtenemos que y = 1. Y sustituyendo en la 1 a los valores anteriores tenemos que x = 3. Ejemplo 2: También es un sistema escalonado: x + y + z = 4 y + z = 2 Como en este caso tenemos más incógnitas que ecuaciones, tomaremos una de las incógnitas (por ejemplo la z) y la pasaremos al segundo miembro. x + y = 4 z y = 2 z

4 Consideraremos z = λ, siendo λ un parámetro que tomara cualquier valor real. x + y = 4 λ y = 2 λ Las soluciones son: x = 2; y = 2 λ; z = λ Para facilitar el cálculo vamos a transformar el sistema en una matriz, en la que pondremos los coeficientes de las variables y los términos independientes (separados por una recta imaginaria ). ( ) A (matriz del sistema) A (matriz ampliada) EJEMPLOS } ; y=4z+2=6; x=1-y+z=-4 Sistema Compatible Determinado; Sol: x=-4, y=6, z=1

5 6. DISCUSIÓN DE SISTEMAS DE ECUACIONES Discutir un sistema es determinar si tiene solución y, caso de tenerla, saber si ésta es única. Es decir, determinar si es compatible o incompatible, y en caso de ser compatible, si es determinado o indeterminado DISCUSIÓN DE SISTEMAS POR EL MÉTODO DE GAUSS Estudiar si existe algún valor de m, para el cual el sistema es compatible. Si es así, resolver del sistema para ese valor de m.

6 6.2. DISCUSIÓN DE SISTEMAS UTILIZANDO DETERMINANTES Y EL TEOREMA ROUCHÉ-FRÖBENIUS. 1. Hallamos el rango de la matriz de los coeficientes. 2. Hallamos el rango de la matriz ampliada. 3. Aplicamos el teorema de Rouché 4. Resolvemos el sistema compatible determinado por la regla de Cramer o por GAUSS

7 7. RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS CON SISTEMAS DE ECUACIONES Pasos a seguir: Leer y comprender el enunciado. Anotar los datos utilizando: esquemas, dibujos, diagramas de árbol... Elegir una notación que nos permita relacionar las distintas variables. Plantear y resolver el sistema. Comprobar la solución. El dueño de un bar ha comprado refrescos, cerveza y vino por importe de 500 (sin impuestos). El valor del vino es 60 menos que el de los refrescos y de la cerveza conjuntamente. Teniendo en cuenta que los refrescos deben pagar un IVA del 6%, por la cerveza del 12% y por El vino del 30%, lo que hace que la factura total con impuestos sea de 592.4, calcular la cantidad invertida en cada tipo de bebida. x = Importe en de los refrescos. x=120 y = Importe en de la cerveza. y=160 z = Importe en del vino. z=220 Discusión de sistemas I Discutir un sistema es determinar si tiene solución y, caso de tenerla, saber si ésta es única. Es decir, determinar si es compatible o incompatible, y en caso de ser compatible, si es determinado o indeterminado. Resolución de problemas. Pasos a seguir: Leer y comprender el enunciado. Anotar los datos utilizando: esquemas, dibujos, diagramas de árbol... Elegir una notación que nos permita relacionar las distintas variables. Plantear y resolver el sistema. Comprobar la solución. Sistemas I. Ejercicios y problemas 1. Discutir los siguientes sistemas y resolverlos en caso de que proceda: 2. Resolver el siguiente sistema de ecuaciones:

8 3. Se considera el sistema: a) Resuélvelo y clasifícalo en función del número de soluciones. b) Determina si es posible, o no, eliminar una de las ecuaciones, de forma que el sistema que resulte sea equivalente al anterior. 4. Clasificar y resolver el sistema: 5. Discutir el sistema según los valores del parámetro a. 6. Estudiar la compatibilidad del sistema según los valores de los parámetros a y b. Resolverlo en los casos en que sea compatible. 7. Determinar para qué valores de k, el siguiente sistema tiene infinitas soluciones. 8. Una empresa tiene tres minas con menas de composiciones: Níquel (%) Cobre (%) Hierro (%) Mina A Mina B Mina C Cuántas toneladas de cada mina deben utilizarse para obtener 7 toneladas de níquel, 18 de cobre y 16 de hierro? 9. La edad de un padre es doble de la suma de las edades de sus dos hijos, mientras que hace unos años (exactamente la diferencia de las edades actuales de los hijos), la edad del padre era triple que la suma de las edades, en aquel tiempo, de sus hijos. Cuando pasen tantos años como la suma de las edades actuales de los hijos, la suma de edades de las tres personas será 150 años. Qué edad tenía el padre en el momento de nacer sus hijos? 10. Se venden tres especies de cereales: trigo, cebada y mijo. Cada volumen de trigo se vende por 4, el de la cebada por 2 y el de mijo por 0.5. Si se vende 100 volúmenes en total y si obtiene por la venta 100, cuántos volúmenes de cada especie se venden?

9 SOLUCIONES 1. Discutir los siguientes sistemas y resolverlos en caso de que proceda: Resolver el siguiente sistema de ecuaciones: 3. Se considera el sistema: 1. Resuélvelo y clasificalo en función del número de soluciones.

10 2. Determina si es posible, o no, eliminar una de las ecuaciones, de forma que el sistema que resulte sea equivalente al anterior. Se puede eliminar la 3ª ecuación, ya que es combinación lineal de las otras dos ecuaciones. 4. Clasificar y resolver el sistema: 5. Discutir el sistema según los valores del parámetro a.

11 6. Estudiar la compatibilidad del sistema según los valores de los parámetros a y b. ; 7. Determinar para qué valores de k, el siguiente sistema tiene infinitas soluciones. 8. Una empresa tiene tres minas con menas de composiciones: Níquel (%) Cobre (%) Hierro (%) Mina A Mina B Mina C 1 3 1

12 Cuántas toneladas de cada mina deben utilizarse para obtener 7 toneladas de níquel, 18 de cobre y 16 de hierro? x = nº de toneladas de la mina A. x=200 t y = nº de toneladas de la mina B. y=100 t z = nº de toneladas de la mina C. z=300 t 9. La edad de un padre es doble de la suma de las edades de sus dos hijos, mientras que hace unos años (exactamente la diferencia de las edades actuales de los hijos), la edad del padre era triple que la suma de las edades, en aquel tiempo, de sus hijos. Cuando pasen tantos años como la suma de las edades actuales de los hijos, la suma de edades de las tres personas será 150 años. Qué edad tenía el padre en el momento de nacer sus hijos? x = Edad actual del padre. y = Edad actual del hijo mayor. z = Edad actual del hijo menor. Relación actual: x = 2(y + z) Hace y - z años: x - (y - z) = 3[y - (y - z) + z - (y - z)] Dentro de y + z: x + (y + z) + y + (y + z) + z + (y + z) = 150 Al nacer los hijos, el padre tenía 35 y 40 años, respectivamente. 10. Se venden tres especies de cereales: trigo, cebada y mijo. Cada volumen de trigo se vende por 4, el de la cebada por 2 y el de mijo por 0.5. Si se vende 100 volúmenes en total y si obtiene por la venta 100, cuántos volúmenes de cada especie se venden? x = Volumen de trigo. y = Volumen de cebada. z = Volumen de mijo. Considerando que las tres variables son números naturales, y que su suma es 100, obtenemos las siguientes soluciones: S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 x y z

13 Sistemas. Ejercicios 1 Decir si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: 1. En un sistema compatible indeterminado se puede eliminar una ecuación y obtener un sistema equivalente. 2. Un sistema compatible indeterminado es equivalente a un sistema homogéneo. 3. Todo sistema compatible indeterminado tiene dos ecuaciones iguales. 4. De un sistema incompatible podemos extraer otro compatible (no equivalente) eliminando ecuaciones. 2Clasificar y resolver el siguiente sistema de ecuaciones: 3Resolver el siguiente sistema de ecuaciones de ecuaciones lineales: Es posible transformarlo en uno compatible indeterminado cambiando solamente la tercera ecuación? 4 Estudiar si existe algún valor de m, para el cual el sistema es compatible. Si es así, resolver del sistema para ese valor de m. 5Se tienen tres lingotes compuestos del siguiente modo: El primero de 20 g de oro, 30 g de plata y 40 g de cobre. El segundo de 30 g de oro, 40 g de plata y 50 g de cobre. El tercero de 40 g de oro, 50 g de plata y 90 g de cobre. Se pide qué peso habrá de tomarse de cada uno de los lingotes anteriores para formar un nuevo lingote de 34 g de oro, 46 g de plata y 67 g de cobre. 1. Decir si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: 1. En un sistema compatible indeterminado se puede eliminar una ecuación y obtener un sistema equivalente. Si. Se puede eliminar la 3ª ecuación, ya que es combinación lineal de las otras dos ecuaciones.

14 2. Un sistema compatible indeterminado es equivalente a un sistema homogéneo. No. Los sistemas homogéneos, por lo general, sólo admiten la solución trivial: x = 0; y = 0; z = 0... Mientras que los sistemas compatibles determinados admiten infinitas soluciones. 3. Todo sistema compatible indeterminado tiene dos ecuaciones iguales. No. 4. De un sistema incompatible podemos extraer otro compatible (no equivalente) eliminando ecuaciones. Si. 2. Clasificar y resolver el siguiente sistema de ecuaciones: 3. Resolver el siguiente sistema de ecuaciones de ecuaciones lineales:

15 Es posible transformarlo en uno compatible indeterminado cambiando solamente la tercera ecuación? Sí, podemos transformarlo en un sistema compatible indeterminado, con sólo hacer que la 3ª ecuación sea la suma de la 1ª y 2ª. 4. Estudiar si existe algún valor de m, para el cual el sistema es compatible. Si es así, resolver del sistema para ese valor de m. 5. Se tienen tres lingotes compuestos del siguiente modo: El primero de 20 g de oro, 30 g de plata y 40 g de cobre. El segundo de 30 g de oro, 40 g de plata y 50 g de cobre. El tercero de 40 g de oro, 50 g de plata y 90 g de cobre. Se pide qué peso habrá de tomarse de cada uno de los lingotes anteriores para formar un nuevo lingote de 34 g de oro, 46 g de plata y 67 g de cobre. x = Peso del 1 er lingote; y = Peso del 2º lingote; z = Peso del 3 er lingote. En el 1 er lingote, la ley del oro es: 20/90 = 2/9 En el 2º lingote, la ley del oro es: 30/120 = 1/4 En el 3 er lingote, la ley del oro es: 40/180 = 2/9 La ecuación para el oro es: En el 1 er lingote, la ley de la plata es: 30/90 = 1/3 En el 2º lingote, la ley de la plata es: 40/120 = 1/3 En el 3 er lingote, la ley de la plata es: 50/180 = 5/18 La ecuación para el plata es: En el 1 er lingote, la ley del cobre es: 40/90 = 4/9 En el 2ºlingote, la ley del cobre es: 50/120 = 5/12 En el 3 er lingote, la ley del cobre es: 90/180 = 1/2 La ecuación para el cobre es: x = 45 y = 48 z = 54