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SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES
Hugo Eduardo Ramirez
SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES                                                                     SISTEMAS DE ECUACIONES



                                                                                    Secci´n 1: SISTEMAS DE ECUACIONES
                                                                                         o


Empezaremos recordando que en el plano cartesiano una ecuaci´n lineal es una ecuaci´n de la forma
                                                            o                      o

                                                                a1 x + a2 y = c                                                      (1)

y hace referencia a la gr´fica de una funci´n que es una l´
                         a                o              ınea recta, La cual tambi´n puede ser vista de la forma
                                                                                  e
                                                                a1     c
                                                         y=−       x+    , S´ a2 = 0
                                                                            ı
                                                                a2    a2

                                       a1                       c
La recta con pendiente         m=−           y con corte b =      .
                                       a2                      a2
                                                                 y
                                                                                y = mx + b




                                                                                x




En un marco m´s amplio una ecuaci´n lineal puede tener m´s de dos inc´gnitas y en este caso se ver´ as´
             a                   o                      a            o                            ıa ı:

                                                    a1 x1 + a2 x2 + a3 x3 + · · · + an xn = b                                        (2)

Esta es una ecuaci´n lineal, en la cual se identifican n 1 letras a1 , a2 , . . . , an que representan los coeficientes de las n inc´gnitas
                        o                                                                                                         o
x1 , x2 , . . . , xn cuya suma da como resultado b.
Un sistema lineal es un conjunto de una o m´s ecuaciones lineales; un sistema lineal de n ecuaciones con m inc´gnitas se
                                                    a                                                                          o
ver´ en una forma gen´rica as´
    ıa                       e      ı:



                                               a11 x1 + a12 x2 + a13 x3 + · · · + a1m xm   =    b1                                 (3)
                                               a21 x1 + a22 x2 + a23 x3 + · · · + a2m xm   =    b2
                                               a31 x1 + a32 x2 + a33 x3 + · · · + a3m xm =      b3
                                                                                        .
                                                                                        . =     .
                                                                                                .
                                                                                        .       .
                                              an1 x1 + an2 x2 + an3 x3 + · · · + anm xm =       bn


Donde aij determina el coeficiente de la i−esima ecuaci´n y j−esima inc´gnita.
                                                      o               o
Note en el sistema de arriba que no necesariamente el n´mero n coincide con el n´mero m, es decir, que el n´mero de
                                                         u                       u                            u
inc´gnitas no necesariamente coincide con el n´mero de ecuaciones.
   o                                          u
Se llama una soluci´n del sistema a un conjunto de n´meros que son asignados a cada una de las inc´gnitas y que reducen
                    o                                u                                            o
cada una de las ecuaciones a una igualdad num´rica.
                                               e

Ejemplo.         El sistema lineal de dos ecuaciones con tres inc´gnitas que se presenta a continuaci´n
                                                                 o                                   o

                                                           3x1 + 2x2 − x3      =    3
                                                             x1 − x2 + 3x3     =    1
    1n   representa un n´mero arbitrario pero fijo de R
                        u



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SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES                                                             SISTEMAS DE ECUACIONES



Tiene como soluci´n la tripla de n´meros (0, 2, 1) donde el significado es que x1 = 0, x2 = 2 y x3 = 1, y verificamos que es
                  o               u
una soluci´n de la siguiente manera, reemplazando el valor de cada una de las inc´gnitas.
          o                                                                      o

                                             3·0+2·2−1=0+4−1                      =   3
                                                0−2+3·1=0−2+3                     =   1

Pero para este sistema esa no es la unica soluci´n; el estudiante puede verificar que (1, 0, 0) es tambi´n una soluci´n.
                                    ´           o                                                      e            o


Para encontrar soluciones a los sistemas lineales, vamos a resaltar los detalles en el siguiente ejemplo de un sistema de tres
ecuaciones con tres inc´gnitas
                       o

                                                    3x − 2y − z   =    −1      (1)
                                                 2x + 2y − 2z     =    0    (2)
                                                     x − y + 2z   =    4    (3)

La metodolog´ usada se llama eliminaci´n y se trata, como su nombre lo indica, de eliminar inc´gnitas de las ecuaciones.
             ıa                          o                                                    o
                                                                                                              2
Empezaremos eliminando la inc´gnita x de la ecuaci´n (2); para esto podemos multiplicar la ecuaci´n (1) por − , sumar las
                                o                   o                                            o
                                                                                                              3
ecuaciones y guardar el resultado en la ecuaci´n (2). As´
                                              o         ı:

                                     2                                      4   2    2
                                    −3×     3x − 2y − z = −1      ≡    −2x + y + z =
                                                                            3   3    3
haciendo la suma
                                                           4   2                  2
                                                      −2x + y + z          =
                                                           3   3                  3
                                                +
                                                      2x + 2y − 2z         =      0

                                                           10   4                 2
                                                      0+      y− z         =
                                                            3   3                 3
y as´ el sistema queda
    ı

                                                 3x − 2y − z      = −1 (1)
                                                   10    4          2
                                                      y− z        =    (2)
                                                    3    3          3
                                                  x − y + 2z      = 4 (3)
                                                                                                       1
Ahora eliminamos la inc´gnita x de la ecuaci´n (3); para esto podemos multiplicar la ecuaci´n (1) por − , sumar las
                         o                      o                                          o
                                                                                                       3
ecuaciones y guardar el resultado en la ecuaci´n (3). As´
                                              o         ı:

                                                 3x − 2y − z      = −1 (1)
                                                   10    4          2
                                                       y− z       =    (2)
                                                    3    3          3
                                                     1   7          13
                                                  − y+ z          =     (3)
                                                     3   3          3
Notamos que la nueva ecuaci´n (3) no tiene ninguna x puesto que la eliminamos, por lo que ahora entre las ecuaciones (2)
                              o
                                                                             1
y (3) podemos eliminar la y de la ecuaci´n (3), para esto multiplicamos por
                                        o                                      la ecuaci´n (2), sumamos y guardando el
                                                                                        o
                                                                            10
resultado en la ecuaci´n (3) obtenemos:
                      o

                                                 3x − 2y − z      =   −1 (1)
                                                   10     4           2
                                                      y− z        =       (2)
                                                    3     3           3
                                                         66           132
                                                            z     =         (3)
                                                         30            30

2
SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES                                                            SISTEMAS DE ECUACIONES



La ultima ecuaci´n se soluciona despejando z de la ecuaci´n (3), obtenemos z = 2.
    ´            o                                          o
Ahora reemplazamos el valor de z en la ecuaci´n (2) para despejar y, obtenemos y = 1.
                                                 o
Y reemplazamos los valores de y y z en la ecuaci´n (1) para finalmente despejar x, obteniendo x = 1.
                                                    o
As´ la soluci´n de este sistema es (1, 1, 2), pero seg´n lo visto en el ejemplo pasado un sistema puede tener m´s soluciones
  ı          o                                        u                                                        a
¿Ser´ que este sistema tiene m´s soluciones? y en general ¿podr´ pasar que un sistema no tenga soluci´n?
     a                          a                                  ıa                                   o
Estas preguntas se solucionar´n a continuaci´n, pero para poder explicar esto, debemos adquirir los siguientes conceptos.
                              a                o


Definici´n. Una matriz es un arreglo bidimensional de objetos, en nuestro caso las dimensiones de la matriz son filas y
       o
columnas, y los objetos n´meros. La dimensi´n de una matriz de n filas con m columnas es n × m.
                         u                 o
A cada sistema de ecuaciones se le puede asignar una matriz que, si incluye los resultados, se llama aumentada. La matriz
asociada a un sistema de ecuaciones es la matriz que tiene los coeficientes de las variables donde cada rengl´n de la matriz
                                                                                                            o
representa una ecuaci´n y cada columna una inc´gnita. As´ el sistema (3) tiene representaci´n matricial:
                     o                          o         ı                                  o

                                                                                      
                                              a11   a12   a13    ···       a1m    | b1
                                             a21
                                                   a22   a23    ···       a2m    | b2 
                                                                                       
                                             a31
                                                   a32   a33    ···       a3m    | b3 
                                                                                       
                                                     .
                                                      .                       .
                                                                              .       .
                                                                                      .
                                                     .                       .   |   .
                                             an1    an2   an3    ···       anm    | bn


Veamos c´mo se usan las matrices para solucionar los sistemas, para esto vamos a poner unas reglas b´sicas a seguir y estas
          o                                                                                         a
son las operaciones de rengl´n:
                            o
    1. Ri → kRi significa que el rengl´n i se multiplica por la constante k = 0
                                     o
    2. Ri ↔ Rj Intercambiar los renglones i y j
    3. Ri → Ri + kRj Sumar un m´ltiplo del rengl´n j al rengl´n i y guardar el resultado en el rengl´n i
                               u                o            o                                      o
Podemos ver que estas operaciones tienen similitud a las que usamos al resolver el anterior sistema por eliminaci´n; estas
                                                                                                                 o
operaciones son las unicas que pueden efectuarse en el proceso de soluci´n de un sistema en forma matricial.
                    ´                                                   o
Definici´n. Un pivote es la primera entrada diferente de 0 de una fila de la matriz en la que debajo tiene solo ceros y
        o
cuya primera entrada diferente de 0 de la fila superior est´ estrictamente a la izquierda.
                                                          a

Ejemplo.     Consideremos el siguiente sistema

                                                     x + 2y − z        = −1
                                                    3x + 2y + z        =    5
                                                        x+y+z          =    2

tiene forma matricial
                                                                            
                                                     1 2        −1 |       −1
                                                    3 2         1 |        5
                                                     1 1         1 |        2
En la primera fila el primer 1 que aparece es un pivote, pero en las otras filas no hay pivote porque en las filas superiores el
primer n´mero diferente de 0 no est´ estrictamente a la izquierda.
         u                          a
Como nuestro objetivo es resolver el sistema lo que vamos a hacer es replicar el m´todo de eliminacion pero con escritura
                                                                                    e
matricial, primero eliminando las inc´gnitas x de la segunda y tercera ecuaci´n.
                                     o                                       o
                                                                                                   
                                         1 2 −1 | −1                              1    2 −1 | −1
                                       3 2      1 |     5 R2 → R2 − 3R1 0 −4             4 |     8
                                                               −− − − − −
                                                                − − − − −→
                                         1 1     1 |     2                        1    1    1 |     2
                                                           
                                        1    2 −1 | −1
                     R3 → R3 − R1 0 −4           4 |     8
                     −− − − −→
                      −−−−−
                                        0 −1      2 |     3

3
SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES                                                                     SISTEMAS DE ECUACIONES



En la ultima matriz vemos que el −4 es un pivote.
      ´
Ahora eliminemos la variable y de la tercera ecuaci´n.
                                                   o
                                                                                                    
                               1    2 −1 | −1                      1                        2 −1 |   −1
                             0 −4                            1 
                                          4 |     8 R3 → R3 − R1 0                        −4  4 |    8
                                                              4
                               0 −1       2 |     3 −− − − − −→ 0
                                                       −−−−−−                               0  1 |    1
En la ultima matriz tenemos tres pivotes, uno en cada columna.
      ´
A estas alturas el sistema es muy f´cil de resolver, pues
                                   a

                                                        x + 2y − z        =    −1
                                                         −4y + 4z         =    8
                                                                      z   =    1

Y reemplazando el valor de z en la segunda ecuaci´n tenemos y = −1 y reemplazando los valores en la primera ecuaci´n
                                                 o                                                                o
x = 2.

Los sistemas pueden ser consistentes (con soluci´n) o inconsistentes (sin soluci´n), los sistemas consistentes pueden tener
                                                   o                             o
unica soluci´n si el n´mero de pivotes es igual al n´mero de inc´gnitas y pueden tener infinitas soluciones (como se ver´ m´s
´           o         u                             u           o                                                      a a
adelante) si el n´mero de pivotes es menor que el n´mero de inc´gnitas.
                 u                                   u            o

Ejemplo.     (Un sistema sin soluci´n)
                                   o

                                                             x − 2y       =    5
                                                             x − 2y       =    1

vemos que la misma expresi´n esta igualada a dos resultados diferentes, lo que genera un error, veamos que si restamos las
                          o
dos ecuaciones nos queda

                                                               0    =     4
                                                                                                                           (4)

pero 0 no es igual que 4 por eso no se puede solucionar; cualquier pareja de n´meros que solucione una de las ecuaciones no
                                                                               u
puede solucionar la otra. Este sistema no tiene soluci´n y por eso es inconsistente.
                                                      o

Definici´n.
       o        Una matriz se dice en forma escalonada si
    1. Todos los pivotes tienen el n´mero 1.
                                    u
    2. Todas las entradas que est´n debajo de un pivote son ceros.
                                 a
    3. Si hay filas de ceros, ´stas se encuentran en la parte m´s inferior de la matriz.
                             e                                a

Definici´n. Una matriz se dice en forma escalonada reducida si es una matriz escalonada y adem´s todas las entradas
        o                                                                                    a
encima de un pivote son ceros.

Ejemplo.     La primera matriz representa una matriz escalonada (no escalonada reducida) y la segunda una matriz escalonada
reducida.
                                                                                          
                                                0   1    2    6            1       0   5   0
                                               0   0    0    1          0       1   0   0
                                                0   0    0    0            0       0   0   1

M´todo de reducci´n de Gauss.
 e               o
    1. Formar la matriz aumentada.
    2. Por medio de operaciones de fila obtener la forma escalonada
    3. Resolver el sistema por reemplazo


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SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES                                                                   SISTEMAS DE ECUACIONES



Este m´todo es muy util para conocer el tipo de soluciones que tiene el sistema, es decir, unica soluci´n, infinitas soluciones
       e           ´                                                                       ´           o
o inconsistente.

M´todo de reducci´n de Gauss-Jordan.
 e               o
    1. Formar la matriz aumentada.
    2. Por medio de operaciones de fila obtener la forma escalonada reducida
    3. Resolver con cada ecuaci´n; y poner como par´metros las inc´gnitas que no tienen pivote en su columna.
                               o                   a              o
Este m´todo es muy util para conocer con exactitud cu´les son las soluciones de un sistema.
      e            ´                                 a
Ejemplo.     Resolver el siguiente sistema por el m´todo de Gauss-Jordan
                                                   e
                                                      3x − 2y + z + w        =    1
                                                         x+y+z+w             =    2
                                                      2x − y + 2z − w        = −1
                                                          5x − 3y + 3z       =    0
                                                                                                                               (5)
Escribimos el sistema en forma de matriz aumentada
                                                                                
                                                3 −2 1 1                     |  1
                                              1
                                                  1 1 1                     |  2
                                                                                 
                                              2 −1 2 −1                     | −1
                                                5 −3 3 0                     |  0
Note que el primer pivote es 3, como yo       quiero que sea uno para la matriz en forma escalonada puedo multiplicar la primera
       1
fila por o intercambiar las filas 1 y 2.        El intercambio lo podemos hacer as´
                                                                                ı:
       3
                                                                                                 
                                 3 −2         1     1 |    1             1    1 1  1            |  2
                              1     1        1     1 |    2R ↔ R 
                                                                       3 −2 1     1            |  1
                                              2 −1 | −1 −1 − − 2 2 −1 2 −1
                                                                                                   
                              2 −1                             − −→
                                                                 −                              | −1
                                 5 −3         3     0 |    0             5 −3 3    0            |  0
ahora, si resuelvo el sistema
                                                                                                          
                               1   1             1  1     |    2                 1   1  1  1            |   2
                             3 −2               1  1     |    1               0 −5 −2 −2             | −5
                                                                  R → R2 − 3R 
                                                              −1 −2− − − − − 1 2 −1
                                                                                                            
                             2 −1               2 −1     |         − − − − −→          2 −1            | −1
                               5 −3              3  0     |    0                 5 −3   3  0            |   0
                                                                                                             
                             1   1               1  1     |    2                  1  1  1  1             |    2
                            0 −5               −2 −2     |   −5               0 −5 −2 −2              | −5
              R → R3 − 2R                                        R → R4 − 5R 
              −3− − − − − 1 0 −3                             −5 −4− − − − − 1 0 −3
                                                                                                                
               − − − − −→                        0 −3     |         − − − − −→          0 −3             | −5
                             5 −3                3  0     |    0                  0 −8 −2 −5             | −10
En este punto cabe notar que todos los elementos hasta ahora se          eliminaron con el elemento de la primera fila que ahora es
pivote, y contin´o.
                u
                                                                                              
               1    1   1    1 |      2                    1             1        1    1 |      2
                       2    2                                                  2    2         
         1
             0     1   5    5  |     1                0              1        5    5   |    1
R2 → − 5 R2                             R3 → − 3− − → 
                                                R + 3R2                                         
− − − − → 0 −3
 −−−−                   0 −3 |      −5 − − − − − − 0
                                           −−                            0        6
                                                                                      −9   |   −2
                                                                                                
                                                                                  5    5
               −8 −2 −5
               0                     | −10                        0   −8         −2   −5   |   −10
                                        
                1 1 1 1              |  2
                   2 2                  
              0 1 5  5              |  1
R4 → R4 + 8R2                           
− − − − − − 0 0 6 − 9
 − − − − − →                        | −2
                                         
                    5 5
                          6
                   0 0    5     −9
                                 5   |   −2

5
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Ya tengo el segundo pivote,      y note que elimin´ todos los elementos de esta ronda con el segundo elemento de la segunda fila,
                                                  e
contin´o 
      u                                                                                         
             1 1 1       1        |        2                   1 1    1        1 |              2
                  2     2                                          2     2                     
           0 1 5                 |         1 R → R4 − 6 R3 0 1
                                                                                      |        1
R3 → 5 R3 
      6
                         5
                                            5 4         5
                                                                      5     5                     
− − − − 0 0 1 − 3
 − − −→                 2        |       − 3  − − − − − − 0 0
                                                 − − − − − →         1     3
                                                                           −2          |       −5
                                                                                                3
                                                                                                  
                    6
              0 0   5       −9
                             | −2
                             5                           0 0 0         0 |     0
Esta matriz est´ en forma escalonada y puedo observar que tiene 3 pivotes, es decir que la inc´gnita z no tiene pivote en su
                a                                                                               o
columna, lo que quiere decir que el sistema tiene infinitas soluciones; para saber cu´les son debemos terminar el proceso para
                                                                                    a
llegar a una matriz escalonada reducida. Contin´o eliminando los elementos arriba de los pivotes.
                                                 u
                                                                       5       8
                                                                                    
                   1 1 1      1 |       2                    1 1 0        2  |    3
                                       2                                       2
            2
                 0 1 0       1 |       3
                                                          0 1 0         1 |     3
                                                                                    
R2 = R2 − 5 R3                            R → R1 − R3
                                        5  −1− − − − → 
                                                           
− − − − − − 0 0 1 − 2 | − 3 
 − − − − −→                   3              − − − − − 0 0 1 − 3 | − 5 
                                                                          2       3
               0        0   0         0    |  0                  0    0    0           0       |   0
                                 3
                                               
              1      0      0     2       |  2
                                            2
             0      1      0     1       |  3
                                               
R1 → R1 − R2 
− − − − − → 0
 −−−−−              0      1    −3          5
                                          | −3
                                  2
                 0 0 0        0 |      0
En este punto la matriz est´ en la forma escalonada reducida y para solucionar el sistema tenemos que las inc´gnitas x, y, z
                            a                                                                                 o
tienen pivote pero como la inc´gnita w no la llamaremos par´metro (esto quiere decir que puede tomar cualquier valor); as´
                               o                              a                                                            ı,
para decir cu´les son las infinitas soluciones de las que hablamos, escribimos el sistema de la ultima matriz.
             a                                                                                 ´

                                                                 3
                                                              x+ w             =       2
                                                                 2
                                                                   2
                                                            y+w =
                                                                   3
                                                            3      5
                                                          z− w=−
                                                            2      3
Ahora la ultima ecuaci´n tiene puros ceros, por lo cual no la escribimos; pero retomando que w es un par´metro, w puede
         ´             o                                                                                a
tomar cualquier valor real y lo escribimos as´
                                             ı:


                                                            w = t, t ∈ R                                                     (6)
                                                                      3
                                                             x=2− t
                                                                      2
                                                                   2
                                                              y = −t
                                                                   3
                                                                 5 3
                                                            z=− + t
                                                                 3 2
y en esta relaci´n se obtienen los resultados para x, y, z, w reemplazando t por un n´mero cualquiera. Por ejemplo si t = 0
                o                                                                       u
                                      2
obtenemos los resultados x = 2, y = 3 , z = − 5 , w = 0 que es una soluci´n, y de la misma forma puedo obtener otra soluci´n.
                                              3                           o                                                  o
S´ t = 1 obtenemos los resultados x = 1 , y = − 1 , z = − 1 , w = 1 que es otra soluci´n. Por esta raz´n en (6) quedan descritas
 ı                                      2       3         6                           o               o
todas las soluciones.

Ejemplo.    Determinar valores de α para que el sistema

                                                               x + 2y + z          =       3
                                                               x + 3y − z          =       4
                                                                  2
                                                        x + 2y + (α − 8)z          =       α

tenga


6
SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES                                                                SISTEMAS DE ECUACIONES



    1. Unica soluci´n
                   o
    2. Infinitas soluciones
    3. Ninguna soluci´n
                     o
          ´
SOLUCION. Primero escribimos el sistema en forma matricial, con su matriz aumentada y hacemos el proceso eliminaci´n      o
de Gauss (solamente hasta matriz escalonada).
                                                                                                     
  1 2         1 | 3                      1 2           1 | 3                     1 2          1 |       3
1 3        −1 | 4 R2 → R2 − R1 0 1                −2 | 1 R3 → R3 − R1 0 1             −2 |         1
          2             −− − − −→
                         −−−−−                    2              −− − − −→
                                                                  −−−−−                  2
  1 2 α −8 | α                           1 2 α −8 | α                            0 0 α −9 | α−3
Hasta este punto el proceso es el mismo para las tres preguntas, ahora vamos a solucionarlas analizando la matriz escalonada
                                                                         
                                                   1 2         1 |       3
                                                0 1         −2 |        1
                                                   0 0 α2 − 9 | α − 3

    1. Para poder concluir que el sistema tiene unica solici´n la matriz debe tener tres pivotes (para tres inc´gnitas) y el valor
                                                ´           o                                                  o
       en la ultima fila α2 − 9 debe ser diferente de 0, es decir
             ´

                                                             α2 − 9   =   0
                                                    (α − 3)(α + 3) =      0
                                                        α−3=0 y           α+3=0
                                                             α=3      y   α = −3

       Si α es diferente de 3 y −3 el sistema tiene unica soluci´n.
                                                    ´           o
    2. Para tener infinitas soluciones debe cumplir dos condiciones, tener menos pivotes que inc´gnitas y ser consistente. Como
                                                                                               o
       ya tiene dos pivotes (en x y en y), entonces debe cumplir α2 − 9 = 0 pero a su vez para mantenerse consistente debe
       cumplir que α − 3 = 0 para tener 0 0 0 | 0 , entonces si α = 3 el sistema tiene infinitas soluciones.
    3. Para que no tenga soluci´n se debe llegar a una inconsistencia, usualmente de tipo 0 = k con k diferente de 0, para
                               o
       lograr esto debemos tener α2 − 9 = 0 y α − 3 = 0, por lo que el sistema no tiene soluci´n s´ α = −3 ya que la ultima
                                                                                              o ı                    ´
       fila se convierte en 0 0 0 | −6 .

                                                                                                                     5
Ejemplo.      Una aplicaci´n del c´lculo, en el cual a veces se requiere partir una expresi´n como lo es
                          o       a                                                        o                                  en
                                                                                                              (x − 1)(x2 + 4)
                                                                        Z         W
una suma de fracciones sin la multiplicaci´n en el denominador, as´
                                          o                       ı           + 2      . Para hacer esto vamos a usar una
                                                                      x−1       x +4
t´cnica llamada fracciones parciales, donde en el numerador de cada factor lineal ponemos una constante (no conocida) y en
 e
el numerador de cada factor cuadr´tico irreducible ponemos un factor lineal, por la fracci´n vamos a expresar de la siguiente
                                   a                                                      o
manera
                                                    5            A     Bx + C
                                                       2 + 4)
                                                              =      + 2
                                             (x − 1)(x          x−1     x +4
Donde A, B, C son las constantes que queremos hallar; resolviendo la suma de fraccionaros tenemos

                                             5          Ax2 + 4A + Bx2 − Bx + Cx − C
                                                      =
                                      (x − 1)(x2 + 4)           (x − 1)(x2 + 4)

Para que estas fracciones sean iguales los numeradores deben ser iguales y haciendo comparaci´n de polinomios (por potencias
                                                                                             o
de x) tenemos

                                         5 + 0x + 0x2    =   (4A − C) + (C − B)x + (A + B)x2
                                          Obteniendo
                                 0=A+B          En x2
                                  0=C −B         En x
                                 5 = 4A − C      En 1


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SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES                                                            EJERCICIOS PROPUESTOS



Lo que es un sistema de tres ecuaciones con tres inc´gnitas A, B, C, el cual resolvemos con Gauss- Jordan
                                                 o                                      
 1     1    0 | 0                       1    1     0 | 0                   1    1    0 | 0
0 −1       1 | 0 R3 → R3 − 4R1 0 −1             1 | 0 R2 → −R2 0           1 −1 | 0 R3 → R3 + 4R2
                      −− − − − −
                       − − − − −→                           −−−−
                                                             −−−→                              −− − − − −
                                                                                               − − − − −→
 4     0 −1 | 5                         0 −4 −1 | 5                        0 −4 −1 | 5
                                                                                     
 1 1      0 | 0                    1 1      0 |     0                    1 1 0 |        0
0 1 −1 | 0 R3 → −1 R3 0 1 −1 |                   0 R2 → R2 + R3 0 1 0 | −1 R1 → R1 − R2
                             5                          −− − − −→
                                                        −−−−−                               −−−−−→
                                                                                            −−−−−
 0 0 −5 | 5 − − − − → 0 0
                     −−−−                   1 | −1                       0 0 1 | −1
                 
 1 0 0 |         1
0 1 0 | −1
 0 0 1 | −1
Entonces la soluci´n del sistema es A = 1, B = −1, C = −1 es decir que
                  o
                                                     5            1    x+1
                                                              =      −
                                              (x − 1)(x2 + 4)   x − 1 x2 + 4




                                                                            Secci´n 2: SISTEMAS HOMOGENEOS
                                                                                 o


Definici´n.
       o        Un sistema homog´neo es un sistema en el que todos los resultados son 0. Es decir un sistema de la forma
                                e



                                        a11 x1 + a12 x2 + a13 x3 + · · · + a1m xm   =   0                            (7)
                                        a21 x1 + a22 x2 + a23 x3 + · · · + a2m xm   =   0
                                        a31 x1 + a32 x2 + a33 x3 + · · · + a3m xm = 0
                                                                                 .
                                                                                 . = .
                                                                                     .
                                                                                 .   .
                                        an1 x1 + an2 x2 + an3 x3 + · · · + anm xm   =   0


Los sistemas homog´neos son importantes porque siempre tienen soluci´n y esa soluci´n es poner todas las inc´gnitas iguales
                  e                                                 o              o                        o
a 0.
Ejemplo.     el sistema

                                                    2x1 + 2x2 + x3     =   0
                                                     x1 − 2x2 − x3     =   0

Es un sistema homog´neo de 3 inc´gnitas con dos ecuaciones, como sabemos que no es inconsistente, podemos afirmar que
                      e           o
tiene infinitas soluciones porque m´ximo tiene dos pivotes y son tres inc´gnitas.
                                  a                                     o



                                                                           Secci´n 3: EJERCICIOS PROPUESTOS
                                                                                o


    1. Solucione el siguiente sistema

                                                         3x + 2y + z = 7
                                                           x−y−z =5
                                                        x + y − 2z = −1


8
SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES                                                               EJERCICIOS PROPUESTOS



    2. Solucione el siguiente sistema

                                                           x + 2y = 0
                                                            x−y =3
                                                           x − 2y = 4

    3. Determine los valores de α para que el sistema:

                                                         αx + y + z = 1
                                                         x + αy + z = 1
                                                         x + y + αz = 1

      Tenga:

       (a) Unica soluci´n
                       o
       (b) No tenga soluci´n
                          o
    4. Dadas dos rectas:

                                                         λ1 : y = ax + b
                                                         λ2 :   y = cx + d

      Utilice sistemas de ecuaciones para expresar condiciones para que las rectas sean paralelas y diferentes, y para que las
      rectas no sean paralelas.
    5. Dos obreros trabajan 8 horas diarias en la misma empresa. El primero gana $500 diarios menos que el segundo, pero ha
       trabajado durante 30 jornadas mientras que el primero s´lo 24. Si el primero ha ganado $33.000 m´s que el segundo,
                                                               o                                         a
       calcula el salario diario de cada obrero.
    6. Dado el siguiente sistema:

                                                 a11 x1 + a12 x2 + a13 x3 = b1
                                                 a21 x1 + a22 x2 + a23 x3 = b2
                                                 a31 x1 + a32 x2 + a33 x3 = b3

      Determine condiciones sobre los aij para que el sistema tenga unica soluci´n.
                                                                    ´           o

    7. Puede un sistema con mas inc´gnitas que ecuaciones tener:
                                   o
           ´
       (a) Unica soluci´n
                       o
       (b) Infinitas soluciones
        (c) Ninguna soluci´n
                          o

      Explique claramente y escriba por lo menos un ejemplo
    8. Puede un sistema con m´s ecuaciones que inc´gnitas tener:
                             a                    o
           ´
       (a) Unica soluci´n
                       o
       (b) Infinitas soluciones
        (c) Ninguna soluci´n
                          o
      Explique claramente y escriba por lo menos un ejemplo.




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  • 1. SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES Hugo Eduardo Ramirez
  • 2. SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES SISTEMAS DE ECUACIONES Secci´n 1: SISTEMAS DE ECUACIONES o Empezaremos recordando que en el plano cartesiano una ecuaci´n lineal es una ecuaci´n de la forma o o a1 x + a2 y = c (1) y hace referencia a la gr´fica de una funci´n que es una l´ a o ınea recta, La cual tambi´n puede ser vista de la forma e a1 c y=− x+ , S´ a2 = 0 ı a2 a2 a1 c La recta con pendiente m=− y con corte b = . a2 a2 y y = mx + b x En un marco m´s amplio una ecuaci´n lineal puede tener m´s de dos inc´gnitas y en este caso se ver´ as´ a o a o ıa ı: a1 x1 + a2 x2 + a3 x3 + · · · + an xn = b (2) Esta es una ecuaci´n lineal, en la cual se identifican n 1 letras a1 , a2 , . . . , an que representan los coeficientes de las n inc´gnitas o o x1 , x2 , . . . , xn cuya suma da como resultado b. Un sistema lineal es un conjunto de una o m´s ecuaciones lineales; un sistema lineal de n ecuaciones con m inc´gnitas se a o ver´ en una forma gen´rica as´ ıa e ı: a11 x1 + a12 x2 + a13 x3 + · · · + a1m xm = b1 (3) a21 x1 + a22 x2 + a23 x3 + · · · + a2m xm = b2 a31 x1 + a32 x2 + a33 x3 + · · · + a3m xm = b3 . . = . . . . an1 x1 + an2 x2 + an3 x3 + · · · + anm xm = bn Donde aij determina el coeficiente de la i−esima ecuaci´n y j−esima inc´gnita. o o Note en el sistema de arriba que no necesariamente el n´mero n coincide con el n´mero m, es decir, que el n´mero de u u u inc´gnitas no necesariamente coincide con el n´mero de ecuaciones. o u Se llama una soluci´n del sistema a un conjunto de n´meros que son asignados a cada una de las inc´gnitas y que reducen o u o cada una de las ecuaciones a una igualdad num´rica. e Ejemplo. El sistema lineal de dos ecuaciones con tres inc´gnitas que se presenta a continuaci´n o o 3x1 + 2x2 − x3 = 3 x1 − x2 + 3x3 = 1 1n representa un n´mero arbitrario pero fijo de R u 1
  • 3. SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES SISTEMAS DE ECUACIONES Tiene como soluci´n la tripla de n´meros (0, 2, 1) donde el significado es que x1 = 0, x2 = 2 y x3 = 1, y verificamos que es o u una soluci´n de la siguiente manera, reemplazando el valor de cada una de las inc´gnitas. o o 3·0+2·2−1=0+4−1 = 3 0−2+3·1=0−2+3 = 1 Pero para este sistema esa no es la unica soluci´n; el estudiante puede verificar que (1, 0, 0) es tambi´n una soluci´n. ´ o e o Para encontrar soluciones a los sistemas lineales, vamos a resaltar los detalles en el siguiente ejemplo de un sistema de tres ecuaciones con tres inc´gnitas o 3x − 2y − z = −1 (1) 2x + 2y − 2z = 0 (2) x − y + 2z = 4 (3) La metodolog´ usada se llama eliminaci´n y se trata, como su nombre lo indica, de eliminar inc´gnitas de las ecuaciones. ıa o o 2 Empezaremos eliminando la inc´gnita x de la ecuaci´n (2); para esto podemos multiplicar la ecuaci´n (1) por − , sumar las o o o 3 ecuaciones y guardar el resultado en la ecuaci´n (2). As´ o ı: 2 4 2 2 −3× 3x − 2y − z = −1 ≡ −2x + y + z = 3 3 3 haciendo la suma 4 2 2 −2x + y + z = 3 3 3 + 2x + 2y − 2z = 0 10 4 2 0+ y− z = 3 3 3 y as´ el sistema queda ı 3x − 2y − z = −1 (1) 10 4 2 y− z = (2) 3 3 3 x − y + 2z = 4 (3) 1 Ahora eliminamos la inc´gnita x de la ecuaci´n (3); para esto podemos multiplicar la ecuaci´n (1) por − , sumar las o o o 3 ecuaciones y guardar el resultado en la ecuaci´n (3). As´ o ı: 3x − 2y − z = −1 (1) 10 4 2 y− z = (2) 3 3 3 1 7 13 − y+ z = (3) 3 3 3 Notamos que la nueva ecuaci´n (3) no tiene ninguna x puesto que la eliminamos, por lo que ahora entre las ecuaciones (2) o 1 y (3) podemos eliminar la y de la ecuaci´n (3), para esto multiplicamos por o la ecuaci´n (2), sumamos y guardando el o 10 resultado en la ecuaci´n (3) obtenemos: o 3x − 2y − z = −1 (1) 10 4 2 y− z = (2) 3 3 3 66 132 z = (3) 30 30 2
  • 4. SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES SISTEMAS DE ECUACIONES La ultima ecuaci´n se soluciona despejando z de la ecuaci´n (3), obtenemos z = 2. ´ o o Ahora reemplazamos el valor de z en la ecuaci´n (2) para despejar y, obtenemos y = 1. o Y reemplazamos los valores de y y z en la ecuaci´n (1) para finalmente despejar x, obteniendo x = 1. o As´ la soluci´n de este sistema es (1, 1, 2), pero seg´n lo visto en el ejemplo pasado un sistema puede tener m´s soluciones ı o u a ¿Ser´ que este sistema tiene m´s soluciones? y en general ¿podr´ pasar que un sistema no tenga soluci´n? a a ıa o Estas preguntas se solucionar´n a continuaci´n, pero para poder explicar esto, debemos adquirir los siguientes conceptos. a o Definici´n. Una matriz es un arreglo bidimensional de objetos, en nuestro caso las dimensiones de la matriz son filas y o columnas, y los objetos n´meros. La dimensi´n de una matriz de n filas con m columnas es n × m. u o A cada sistema de ecuaciones se le puede asignar una matriz que, si incluye los resultados, se llama aumentada. La matriz asociada a un sistema de ecuaciones es la matriz que tiene los coeficientes de las variables donde cada rengl´n de la matriz o representa una ecuaci´n y cada columna una inc´gnita. As´ el sistema (3) tiene representaci´n matricial: o o ı o   a11 a12 a13 ··· a1m | b1  a21  a22 a23 ··· a2m | b2    a31  a32 a33 ··· a3m | b3    . . . . . .  . . | . an1 an2 an3 ··· anm | bn Veamos c´mo se usan las matrices para solucionar los sistemas, para esto vamos a poner unas reglas b´sicas a seguir y estas o a son las operaciones de rengl´n: o 1. Ri → kRi significa que el rengl´n i se multiplica por la constante k = 0 o 2. Ri ↔ Rj Intercambiar los renglones i y j 3. Ri → Ri + kRj Sumar un m´ltiplo del rengl´n j al rengl´n i y guardar el resultado en el rengl´n i u o o o Podemos ver que estas operaciones tienen similitud a las que usamos al resolver el anterior sistema por eliminaci´n; estas o operaciones son las unicas que pueden efectuarse en el proceso de soluci´n de un sistema en forma matricial. ´ o Definici´n. Un pivote es la primera entrada diferente de 0 de una fila de la matriz en la que debajo tiene solo ceros y o cuya primera entrada diferente de 0 de la fila superior est´ estrictamente a la izquierda. a Ejemplo. Consideremos el siguiente sistema x + 2y − z = −1 3x + 2y + z = 5 x+y+z = 2 tiene forma matricial   1 2 −1 | −1 3 2 1 | 5 1 1 1 | 2 En la primera fila el primer 1 que aparece es un pivote, pero en las otras filas no hay pivote porque en las filas superiores el primer n´mero diferente de 0 no est´ estrictamente a la izquierda. u a Como nuestro objetivo es resolver el sistema lo que vamos a hacer es replicar el m´todo de eliminacion pero con escritura e matricial, primero eliminando las inc´gnitas x de la segunda y tercera ecuaci´n. o o     1 2 −1 | −1 1 2 −1 | −1 3 2 1 | 5 R2 → R2 − 3R1 0 −4 4 | 8 −− − − − − − − − − −→ 1 1 1 | 2 1 1 1 | 2   1 2 −1 | −1 R3 → R3 − R1 0 −4 4 | 8 −− − − −→ −−−−− 0 −1 2 | 3 3
  • 5. SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES SISTEMAS DE ECUACIONES En la ultima matriz vemos que el −4 es un pivote. ´ Ahora eliminemos la variable y de la tercera ecuaci´n. o     1 2 −1 | −1 1 2 −1 | −1 0 −4 1  4 | 8 R3 → R3 − R1 0 −4 4 | 8 4 0 −1 2 | 3 −− − − − −→ 0 −−−−−− 0 1 | 1 En la ultima matriz tenemos tres pivotes, uno en cada columna. ´ A estas alturas el sistema es muy f´cil de resolver, pues a x + 2y − z = −1 −4y + 4z = 8 z = 1 Y reemplazando el valor de z en la segunda ecuaci´n tenemos y = −1 y reemplazando los valores en la primera ecuaci´n o o x = 2. Los sistemas pueden ser consistentes (con soluci´n) o inconsistentes (sin soluci´n), los sistemas consistentes pueden tener o o unica soluci´n si el n´mero de pivotes es igual al n´mero de inc´gnitas y pueden tener infinitas soluciones (como se ver´ m´s ´ o u u o a a adelante) si el n´mero de pivotes es menor que el n´mero de inc´gnitas. u u o Ejemplo. (Un sistema sin soluci´n) o x − 2y = 5 x − 2y = 1 vemos que la misma expresi´n esta igualada a dos resultados diferentes, lo que genera un error, veamos que si restamos las o dos ecuaciones nos queda 0 = 4 (4) pero 0 no es igual que 4 por eso no se puede solucionar; cualquier pareja de n´meros que solucione una de las ecuaciones no u puede solucionar la otra. Este sistema no tiene soluci´n y por eso es inconsistente. o Definici´n. o Una matriz se dice en forma escalonada si 1. Todos los pivotes tienen el n´mero 1. u 2. Todas las entradas que est´n debajo de un pivote son ceros. a 3. Si hay filas de ceros, ´stas se encuentran en la parte m´s inferior de la matriz. e a Definici´n. Una matriz se dice en forma escalonada reducida si es una matriz escalonada y adem´s todas las entradas o a encima de un pivote son ceros. Ejemplo. La primera matriz representa una matriz escalonada (no escalonada reducida) y la segunda una matriz escalonada reducida.     0 1 2 6 1 0 5 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 M´todo de reducci´n de Gauss. e o 1. Formar la matriz aumentada. 2. Por medio de operaciones de fila obtener la forma escalonada 3. Resolver el sistema por reemplazo 4
  • 6. SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES SISTEMAS DE ECUACIONES Este m´todo es muy util para conocer el tipo de soluciones que tiene el sistema, es decir, unica soluci´n, infinitas soluciones e ´ ´ o o inconsistente. M´todo de reducci´n de Gauss-Jordan. e o 1. Formar la matriz aumentada. 2. Por medio de operaciones de fila obtener la forma escalonada reducida 3. Resolver con cada ecuaci´n; y poner como par´metros las inc´gnitas que no tienen pivote en su columna. o a o Este m´todo es muy util para conocer con exactitud cu´les son las soluciones de un sistema. e ´ a Ejemplo. Resolver el siguiente sistema por el m´todo de Gauss-Jordan e 3x − 2y + z + w = 1 x+y+z+w = 2 2x − y + 2z − w = −1 5x − 3y + 3z = 0 (5) Escribimos el sistema en forma de matriz aumentada   3 −2 1 1 | 1 1  1 1 1 | 2  2 −1 2 −1 | −1 5 −3 3 0 | 0 Note que el primer pivote es 3, como yo quiero que sea uno para la matriz en forma escalonada puedo multiplicar la primera 1 fila por o intercambiar las filas 1 y 2. El intercambio lo podemos hacer as´ ı: 3     3 −2 1 1 | 1 1 1 1 1 | 2 1 1 1 1 | 2R ↔ R  3 −2 1 1 | 1 2 −1 | −1 −1 − − 2 2 −1 2 −1   2 −1 − −→ − | −1 5 −3 3 0 | 0 5 −3 3 0 | 0 ahora, si resuelvo el sistema     1 1 1 1 | 2 1 1 1 1 | 2 3 −2 1 1 | 1 0 −5 −2 −2 | −5  R → R2 − 3R  −1 −2− − − − − 1 2 −1   2 −1 2 −1 | − − − − −→ 2 −1 | −1 5 −3 3 0 | 0 5 −3 3 0 | 0     1 1 1 1 | 2 1 1 1 1 | 2 0 −5 −2 −2 | −5 0 −5 −2 −2 | −5 R → R3 − 2R   R → R4 − 5R  −3− − − − − 1 0 −3 −5 −4− − − − − 1 0 −3  − − − − −→ 0 −3 | − − − − −→ 0 −3 | −5 5 −3 3 0 | 0 0 −8 −2 −5 | −10 En este punto cabe notar que todos los elementos hasta ahora se eliminaron con el elemento de la primera fila que ahora es pivote, y contin´o. u     1 1 1 1 | 2 1 1 1 1 | 2  2 2   2 2  1 0 1 5 5 | 1 0 1 5 5 | 1 R2 → − 5 R2   R3 → − 3− − →  R + 3R2   − − − − → 0 −3 −−−− 0 −3 | −5 − − − − − − 0 −− 0 6 −9 | −2   5 5 −8 −2 −5 0 | −10 0 −8 −2 −5 | −10   1 1 1 1 | 2  2 2  0 1 5 5 | 1 R4 → R4 + 8R2   − − − − − − 0 0 6 − 9 − − − − − → | −2  5 5 6 0 0 5 −9 5 | −2 5
  • 7. SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES SISTEMAS DE ECUACIONES Ya tengo el segundo pivote, y note que elimin´ todos los elementos de esta ronda con el segundo elemento de la segunda fila, e contin´o  u    1 1 1 1 | 2 1 1 1 1 | 2  2 2   2 2  0 1 5 | 1 R → R4 − 6 R3 0 1  | 1 R3 → 5 R3  6 5 5 4 5 5 5  − − − − 0 0 1 − 3 − − −→ 2 | − 3  − − − − − − 0 0 − − − − − → 1 3 −2 | −5 3  6 0 0 5 −9 | −2 5 0 0 0 0 | 0 Esta matriz est´ en forma escalonada y puedo observar que tiene 3 pivotes, es decir que la inc´gnita z no tiene pivote en su a o columna, lo que quiere decir que el sistema tiene infinitas soluciones; para saber cu´les son debemos terminar el proceso para a llegar a una matriz escalonada reducida. Contin´o eliminando los elementos arriba de los pivotes. u    5 8  1 1 1 1 | 2 1 1 0 2 | 3  2  2 2 0 1 0 1 | 3  0 1 0 1 | 3  R2 = R2 − 5 R3   R → R1 − R3 5  −1− − − − →   − − − − − − 0 0 1 − 2 | − 3  − − − − −→ 3 − − − − − 0 0 1 − 3 | − 5  2 3 0 0 0 0 | 0 0 0 0 0 | 0  3  1 0 0 2 | 2  2 0 1 0 1 | 3  R1 → R1 − R2  − − − − − → 0 −−−−−  0 1 −3 5 | −3 2 0 0 0 0 | 0 En este punto la matriz est´ en la forma escalonada reducida y para solucionar el sistema tenemos que las inc´gnitas x, y, z a o tienen pivote pero como la inc´gnita w no la llamaremos par´metro (esto quiere decir que puede tomar cualquier valor); as´ o a ı, para decir cu´les son las infinitas soluciones de las que hablamos, escribimos el sistema de la ultima matriz. a ´ 3 x+ w = 2 2 2 y+w = 3 3 5 z− w=− 2 3 Ahora la ultima ecuaci´n tiene puros ceros, por lo cual no la escribimos; pero retomando que w es un par´metro, w puede ´ o a tomar cualquier valor real y lo escribimos as´ ı: w = t, t ∈ R (6) 3 x=2− t 2 2 y = −t 3 5 3 z=− + t 3 2 y en esta relaci´n se obtienen los resultados para x, y, z, w reemplazando t por un n´mero cualquiera. Por ejemplo si t = 0 o u 2 obtenemos los resultados x = 2, y = 3 , z = − 5 , w = 0 que es una soluci´n, y de la misma forma puedo obtener otra soluci´n. 3 o o S´ t = 1 obtenemos los resultados x = 1 , y = − 1 , z = − 1 , w = 1 que es otra soluci´n. Por esta raz´n en (6) quedan descritas ı 2 3 6 o o todas las soluciones. Ejemplo. Determinar valores de α para que el sistema x + 2y + z = 3 x + 3y − z = 4 2 x + 2y + (α − 8)z = α tenga 6
  • 8. SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES SISTEMAS DE ECUACIONES 1. Unica soluci´n o 2. Infinitas soluciones 3. Ninguna soluci´n o ´ SOLUCION. Primero escribimos el sistema en forma matricial, con su matriz aumentada y hacemos el proceso eliminaci´n o de Gauss (solamente hasta matriz escalonada).       1 2 1 | 3 1 2 1 | 3 1 2 1 | 3 1 3 −1 | 4 R2 → R2 − R1 0 1 −2 | 1 R3 → R3 − R1 0 1 −2 | 1 2 −− − − −→ −−−−− 2 −− − − −→ −−−−− 2 1 2 α −8 | α 1 2 α −8 | α 0 0 α −9 | α−3 Hasta este punto el proceso es el mismo para las tres preguntas, ahora vamos a solucionarlas analizando la matriz escalonada   1 2 1 | 3 0 1 −2 | 1 0 0 α2 − 9 | α − 3 1. Para poder concluir que el sistema tiene unica solici´n la matriz debe tener tres pivotes (para tres inc´gnitas) y el valor ´ o o en la ultima fila α2 − 9 debe ser diferente de 0, es decir ´ α2 − 9 = 0 (α − 3)(α + 3) = 0 α−3=0 y α+3=0 α=3 y α = −3 Si α es diferente de 3 y −3 el sistema tiene unica soluci´n. ´ o 2. Para tener infinitas soluciones debe cumplir dos condiciones, tener menos pivotes que inc´gnitas y ser consistente. Como o ya tiene dos pivotes (en x y en y), entonces debe cumplir α2 − 9 = 0 pero a su vez para mantenerse consistente debe cumplir que α − 3 = 0 para tener 0 0 0 | 0 , entonces si α = 3 el sistema tiene infinitas soluciones. 3. Para que no tenga soluci´n se debe llegar a una inconsistencia, usualmente de tipo 0 = k con k diferente de 0, para o lograr esto debemos tener α2 − 9 = 0 y α − 3 = 0, por lo que el sistema no tiene soluci´n s´ α = −3 ya que la ultima o ı ´ fila se convierte en 0 0 0 | −6 . 5 Ejemplo. Una aplicaci´n del c´lculo, en el cual a veces se requiere partir una expresi´n como lo es o a o en (x − 1)(x2 + 4) Z W una suma de fracciones sin la multiplicaci´n en el denominador, as´ o ı + 2 . Para hacer esto vamos a usar una x−1 x +4 t´cnica llamada fracciones parciales, donde en el numerador de cada factor lineal ponemos una constante (no conocida) y en e el numerador de cada factor cuadr´tico irreducible ponemos un factor lineal, por la fracci´n vamos a expresar de la siguiente a o manera 5 A Bx + C 2 + 4) = + 2 (x − 1)(x x−1 x +4 Donde A, B, C son las constantes que queremos hallar; resolviendo la suma de fraccionaros tenemos 5 Ax2 + 4A + Bx2 − Bx + Cx − C = (x − 1)(x2 + 4) (x − 1)(x2 + 4) Para que estas fracciones sean iguales los numeradores deben ser iguales y haciendo comparaci´n de polinomios (por potencias o de x) tenemos 5 + 0x + 0x2 = (4A − C) + (C − B)x + (A + B)x2 Obteniendo 0=A+B En x2 0=C −B En x 5 = 4A − C En 1 7
  • 9. SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES EJERCICIOS PROPUESTOS Lo que es un sistema de tres ecuaciones con tres inc´gnitas A, B, C, el cual resolvemos con Gauss- Jordan    o    1 1 0 | 0 1 1 0 | 0 1 1 0 | 0 0 −1 1 | 0 R3 → R3 − 4R1 0 −1 1 | 0 R2 → −R2 0 1 −1 | 0 R3 → R3 + 4R2 −− − − − − − − − − −→ −−−− −−−→ −− − − − − − − − − −→ 4 0 −1 | 5 0 −4 −1 | 5 0 −4 −1 | 5       1 1 0 | 0 1 1 0 | 0 1 1 0 | 0 0 1 −1 | 0 R3 → −1 R3 0 1 −1 | 0 R2 → R2 + R3 0 1 0 | −1 R1 → R1 − R2 5 −− − − −→ −−−−− −−−−−→ −−−−− 0 0 −5 | 5 − − − − → 0 0 −−−− 1 | −1 0 0 1 | −1   1 0 0 | 1 0 1 0 | −1 0 0 1 | −1 Entonces la soluci´n del sistema es A = 1, B = −1, C = −1 es decir que o 5 1 x+1 = − (x − 1)(x2 + 4) x − 1 x2 + 4 Secci´n 2: SISTEMAS HOMOGENEOS o Definici´n. o Un sistema homog´neo es un sistema en el que todos los resultados son 0. Es decir un sistema de la forma e a11 x1 + a12 x2 + a13 x3 + · · · + a1m xm = 0 (7) a21 x1 + a22 x2 + a23 x3 + · · · + a2m xm = 0 a31 x1 + a32 x2 + a33 x3 + · · · + a3m xm = 0 . . = . . . . an1 x1 + an2 x2 + an3 x3 + · · · + anm xm = 0 Los sistemas homog´neos son importantes porque siempre tienen soluci´n y esa soluci´n es poner todas las inc´gnitas iguales e o o o a 0. Ejemplo. el sistema 2x1 + 2x2 + x3 = 0 x1 − 2x2 − x3 = 0 Es un sistema homog´neo de 3 inc´gnitas con dos ecuaciones, como sabemos que no es inconsistente, podemos afirmar que e o tiene infinitas soluciones porque m´ximo tiene dos pivotes y son tres inc´gnitas. a o Secci´n 3: EJERCICIOS PROPUESTOS o 1. Solucione el siguiente sistema 3x + 2y + z = 7 x−y−z =5 x + y − 2z = −1 8
  • 10. SISTEMAS DE ECUACIONES Y MATRICES EJERCICIOS PROPUESTOS 2. Solucione el siguiente sistema x + 2y = 0 x−y =3 x − 2y = 4 3. Determine los valores de α para que el sistema: αx + y + z = 1 x + αy + z = 1 x + y + αz = 1 Tenga: (a) Unica soluci´n o (b) No tenga soluci´n o 4. Dadas dos rectas: λ1 : y = ax + b λ2 : y = cx + d Utilice sistemas de ecuaciones para expresar condiciones para que las rectas sean paralelas y diferentes, y para que las rectas no sean paralelas. 5. Dos obreros trabajan 8 horas diarias en la misma empresa. El primero gana $500 diarios menos que el segundo, pero ha trabajado durante 30 jornadas mientras que el primero s´lo 24. Si el primero ha ganado $33.000 m´s que el segundo, o a calcula el salario diario de cada obrero. 6. Dado el siguiente sistema: a11 x1 + a12 x2 + a13 x3 = b1 a21 x1 + a22 x2 + a23 x3 = b2 a31 x1 + a32 x2 + a33 x3 = b3 Determine condiciones sobre los aij para que el sistema tenga unica soluci´n. ´ o 7. Puede un sistema con mas inc´gnitas que ecuaciones tener: o ´ (a) Unica soluci´n o (b) Infinitas soluciones (c) Ninguna soluci´n o Explique claramente y escriba por lo menos un ejemplo 8. Puede un sistema con m´s ecuaciones que inc´gnitas tener: a o ´ (a) Unica soluci´n o (b) Infinitas soluciones (c) Ninguna soluci´n o Explique claramente y escriba por lo menos un ejemplo. 9