El
problema consiste en encontrar los valores desconocidos de las variables
x1,
x2 y
x3 que satisfacen las tres ecuaciones.
El problema de los sistemas lineales de ecuaciones es uno de los m谩s antiguos de la matem谩tica y tiene una infinidad de aplicaciones, como en
procesamiento digital de se帽ales,
an谩lisis estructural, estimaci贸n, predicci贸n y m谩s generalmente en
programaci贸n lineaEn general, un sistema con m ecuaciones lineales y n inc贸gnitas puede ser escrito en forma normal como:
Donde

son las inc贸gnitas y los n煤meros

son los coeficientes del sistema sobre el cuerpo
![\mathbb{K}\ [= \R, \mathbb{C}, \dots]](http://upload.wikimedia.org/math/d/d/1/dd172d7f353ca18a891dda59a0d44cc5.png)
. Es posible reescribir el sistema separando con coeficientes con notaci贸n matricial:
Si representamos cada matriz con una 煤nica letra obtenemos:
Donde
A es una
matriz m por
n,
x es un vector columna de longitud
n y
b es otro vector columna de longitud
m. El sistema de eliminaci贸n de Gauss-Jordan se aplica a este tipo de sistemas, sea cual sea el
cuerpo del que provengan los coeficientes.
[editar]Sistemas lineales reales
En esta secci贸n se analizan las propiedades de los sistemas de ecuaciones lineales sobre el cuerpo

, es decir, los sistemas lineales en los cuales los coeficientes de las ecuaciones son
n煤meros reales.
[editar]Representaci贸n gr谩fica

La intersecci贸n de dos
planosque no son paralelos ni coincidentes es una
recta.
Un sistema con

inc贸gnitas se puede representar en el
n-espacio correspondiente.
En los sistemas con 2 inc贸gnitas, el universo de nuestro sistema ser谩 el
plano bidimensional, mientras que cada una de las ecuaciones ser谩 representada por una
recta, si es lineal, o por una
curva, si no lo es. La soluci贸n ser谩 el
punto (o
l铆nea) donde se intersequen todas las rectas y curvas que representan a las ecuaciones. Si no existe ning煤n punto en el que se intersequen al mismo tiempo todas las l铆neas, el sistema es incompatible, o lo que es lo mismo, no tiene soluci贸n.
En el caso de un sistema con 3 inc贸gnitas, el universo ser谩 el espacio tridimensional, siendo cada ecuaci贸n un plano dentro del mismo. Si todos los planos intersecan en un 煤nico punto, las coordenadas de este ser谩n la soluci贸n al sistema. Si, por el contrario, la intersecci贸n de todos ellos es una recta o incluso un plano, el sistema tendr谩 infinitas soluciones, que ser谩n las coordenadas de los puntos que forman dicha l铆nea o superficie.
Para sistemas de 4 贸 m谩s inc贸gnitas, la representaci贸n gr谩fica no existe, por lo que dichos problemas no se enfocan desde esta 贸ptica.
[editar]Tipos de sistemas
Los sistemas de ecuaciones se pueden clasificar seg煤n el n煤mero de soluciones que pueden presentar. De acuerdo con ese caso se pueden presentar los siguientes casos:
- Sistema compatible si tiene soluci贸n, en este caso adem谩s puede distinguirse entre:
- Sistema compatible determinado cuando tiene una 煤nica soluci贸n.
- Sistema compatible indeterminado cuando admite un conjunto infinito de soluciones.
- Sistema incompatible si no tiene soluci贸n.
Quedando as铆 la clasificaci贸n:
Los sistemas incompatibles geom茅tricamente se caracterizan por (hiper)planos o rectas que se cruzan sin cortarse. Los sistemas compatibles determinados se caracterizan por un conjunto de (hiper)planos o rectas que se cortan en un 煤nico punto. Los sistemas compatibles indeterminados se caracterizan por (hiper)planos que se cortan a lo largo de una recta [o m谩s generalmente un hiperplano de dimensi贸n menor]. Desde un punto de vista algebraico los sistemas compatibles determinados se caracterizan porque el
determinante de la matriz es diferente de cero:
[editar]Sistemas compatibles indeterminados
Un sistema sobre un cuerpo K es compatible indeterminado cuando posee un n煤mero infinito de soluciones. Por ejemplo, el siguiente sistema:
Tanto la primera como la segunda ecuaci贸n se corresponden con la recta cuya pendiente es

y que pasa por el punto

, por lo que ambas intersecan en todos los puntos de dicha recta. El sistema es compatible por haber soluci贸n o intersecci贸n entre las rectas, pero es indeterminado al ocurrir esto en infinitos puntos.
- En este tipo de sistemas, la soluci贸n gen茅rica consiste en expresar una o m谩s variables como funci贸n matem谩tica del resto. En los sistemas lineales compatibles indeterminados, al menos una de sus ecuaciones se puede hallar como combinaci贸n lineal del resto, es decir, es linealmente dependiente.
- Una condici贸n necesaria para que un sistema sea compatible indeterminado es que el determinante de la matriz del sistema sea cero (y por tanto uno de sus autovalores ser谩 0):
- De hecho, de las dos condiciones anteriores se desprende, que el conjunto de soluciones de un sistema compatible indeterminado es un subespacio vectorial. Y la dimensi贸n de ese espacio vectorial coincidir谩 con la multiplicidad geom茅trica del autovalor cero.
[editar]Sistemas incompatibles
De un sistema se dice que es incompatible cuando no presenta ninguna soluci贸n. Por ejemplo, supongamos el siguiente sistema:
Las ecuaciones se corresponden gr谩ficamente con dos rectas, ambas con la misma pendiente, Al ser
paralelas, no se cortan en ning煤n punto, es decir, no existe ning煤n valor que satisfaga a la vez ambas ecuaciones.
Matem谩ticamente un sistema de estos es incompatible cuando el rango de la matriz del sistema es inferior al rango de la matriz ampliada. Una condici贸n necesaria para que esto suceda es que el determinante de la matriz del sistema sea cero:
[editar]M茅todos de soluci贸n a sistemas de ecuaciones lineales
[editar]Sustituci贸n
El m茅todo de sustituci贸n consiste en despejar en una de las ecuaciones cualquier inc贸gnita, preferiblemente la que tenga menor coeficiente, para, a continuaci贸n, sustituirla en otra ecuaci贸n por su valor.
En caso de sistemas con m谩s de dos inc贸gnitas, la seleccionada debe ser sustituida por su valor equivalente en todas las ecuaciones excepto en la que la hemos despejado. En ese instante, tendremos un sistema con una ecuaci贸n y una inc贸gnita menos que el inicial, en el que podemos seguir aplicando este m茅todo reiteradamente. Por ejemplo, supongamos que queremos resolver por sustituci贸n este sistema:
En la primera ecuaci贸n, seleccionamos la inc贸gnita

por ser la de menor coeficiente y que posiblemente nos facilite m谩s las operaciones, y la despejamos, obteniendo la siguiente ecuaci贸n.
El siguiente paso ser谩 sustituir cada ocurrencia de la inc贸gnita

en la otra ecuaci贸n, para as铆 obtener una ecuaci贸n donde la 煤nica inc贸gnita sea la

.
Al resolver la ecuaci贸n obtenemos el resultado

, y si ahora sustituimos esta inc贸gnita por su valor en alguna de las ecuaciones originales obtendremos

, con lo que el sistema queda ya resuelto.
El m茅todo de igualaci贸n se puede entender como un caso particular del m茅todo de sustituci贸n en el que se despeja la misma inc贸gnita en dos ecuaciones y a continuaci贸n se igualan entre s铆 la parte derecha de ambas ecuaciones.
Tomando el mismo sistema utilizado como ejemplo para el m茅todo de sustituci贸n, si despejamos la inc贸gnita

en ambas ecuaciones nos queda de la siguiente manera:
Como se puede observar, ambas ecuaciones comparten la misma parte izquierda, por lo que podemos afirmar que las partes derechas tambi茅n son iguales entre s铆.
Una vez obtenido el valor de la inc贸gnita

, se substituye su valor en una de las ecuaciones originales, y se obtiene el valor de la

.
La forma m谩s f谩cil de tener el m茅todo de sustituci贸n es realizando un cambio para despejar x despu茅s de averiguar el valor de la y.
Este m茅todo suele emplearse mayoritariamente en los sistemas lineales, siendo pocos los casos en que se utiliza para resolver sistemas no lineales. El procedimiento, dise帽ado para sistemas con dos ecuaciones e inc贸gnitas, consiste en transformar una de las ecuaciones (generalmente, mediante
productos), de manera que obtengamos dos ecuaciones en la que una misma inc贸gnita aparezca con el mismo coeficiente y distinto signo. A continuaci贸n, se suman ambas ecuaciones produci茅ndose as铆 la reducci贸n o cancelaci贸n de dicha inc贸gnita, obteniendo as铆 una ecuaci贸n con una sola inc贸gnita, donde el m茅todo de resoluci贸n es simple.
Por ejemplo, en el sistema:
No tenemos m谩s que multiplicar la primera ecuaci贸n por

para poder cancelar la inc贸gnita

. Al multiplicar, dicha ecuaci贸n nos queda as铆:

Si sumamos esta ecuaci贸n a la segunda del sistema original, obtenemos una nueva ecuaci贸n donde la inc贸gnita

ha sido reducida y que, en este caso, nos da directamente el valor de la inc贸gnita

:


El siguiente paso consiste 煤nicamente en sustituir el valor de la inc贸gnita

en cualquiera de las ecuaciones donde aparec铆an ambas inc贸gnitas, y obtener as铆 que el valor de

es igual a:

[editar]M茅todo gr谩fico
Consiste en construir la gr谩fica de cada una de las ecuaciones del sistema. El m茅todo (manualmente aplicado) solo resulta eficiente en el plano cartesiano, es decir para un espacio de dimensi贸n 2.
El proceso de resoluci贸n de un sistema de ecuaciones mediante el m茅todo gr谩fico se resuelve en los siguientes pasos:
- Se despeja la inc贸gnita (y) en ambas ecuaciones.
- Se construye para cada una de las dos ecuaciones de primer grado obteniendo la tabla de valores correspondientes.
- Se representan gr谩ficamente ambas rectas en los ejes coordenados.
- En este 煤ltimo paso hay tres posibilidades:
- Si ambas rectas se cortan, las coordenadas del punto de corte son los 煤nicos valores de las inc贸gnitas (x,y). "Sistema compatible determinado".
- Si ambas rectas son coincidentes, el sistema tiene infinitas soluciones que son las respectivas coordenadas de todos los puntos de esa recta en la que coinciden ambas. «Sistema compatible indeterminado».
- Si ambas rectas son paralelas, el sistema no tiene soluci贸n.
[editar]M茅todo de Gauss
El m茅todo de eliminaci贸n de Gauss o simplemente m茅todo de Gauss consiste en convertir un sistema lineal de n ecuaciones con nincognitas, en uno escalonado, en el que la primera ecuaci贸n tiene n inc贸gnitas, la segunda ecuaci贸n tiene n - 1 inc贸gnitas, ..., hasta la 煤ltima ecuaci贸n, que tiene 1 inc贸gnita. De esta forma, ser谩 f谩cil partir de la 煤ltima ecuaci贸n e ir subiendo para calcular el valor de las dem谩s inc贸gnitas.
| [Mostrar] Ejemplo de eliminaci贸n de Gauss |
[editar]Eliminaci贸n de Gauss-Jordan
Una variante de este m茅todo, denominada
eliminaci贸n de Gauss-Jordan, es un m茅todo aplicable 煤nicamente a los sistemas lineales de ecuaciones, y consistente en triangular la
matriz aumentada del sistema mediante transformaciones elementales, hasta obtener ecuaciones de una sola inc贸gnita, cuyo valor ser谩 igual al coeficiente situado en la misma fila de la matriz. Este procedimiento es similar al anterior de reducci贸n, pero ejecutado de manera reiterada y siguiendo un cierto orden algor铆tmico.
| [Mostrar] Ejemplo de eliminaci贸n de Gauss-Jordan |
[editar]Regla de Cramer
La regla de Cramer da una soluci贸n para sistemas compatibles determinados en t茅rminos de
determinantes y adjuntos dada por:
Donde Aj es la matriz resultante de remplazar la j-茅sima columna de A por el vector columna b. Para un sistema de dos ecuaciones y dos inc贸gnitas:
La regla de Cramer da la siguiente soluci贸n:
Nota: Cuando en la determinante original det(A) el resultado es 0, el sistema indica m煤ltiples o sin coincidencia.
[editar]Algoritmos num茅ricos
La
eliminaci贸n de Gauss-Jordan es un algoritmo num茅rico usado para una gran cantidad de casos espec铆ficos, aunque posterioremente se han desarrollado algoritmos alternativos mucho m谩s eficientes. La mayor铆a de estos algoritmos mejorados tienen una complejidad computacional de
O(n²) (donde
n es el n煤mero de ecuaciones del sistema). Algunos de los m茅todos m谩s usados son:
Cuando consideramos ecuaciones lineales cuyas soluciones son n煤meros racionales, reales o complejos o m谩s generalmente un cuerpo

, la soluci贸n puede encontrarse mediante
Regla de Cramer. Para sistemas de muchas ecuaciones la regla de Cramer puede ser computacionalmente m谩s costosa y suelen usarse otros m茅todos m谩s "econ贸micos" en n煤mero de operaciones como la
eliminaci贸n de Gauss-Jordan y la
descomposici贸n de Cholesky. Existen tambi茅n m茅todos indirectos (basados en iteraciones) como el
m茅todo de Gauss-Seidel.
Si el cuerpo es
infinito (como es el caso de los n煤meros
reales o
complejos), entonces solo puede darse una de las tres siguientes situaciones:
- el sistema no tiene soluci贸n (en dicho caso decimos que el sistema est谩 sobredeterminado o que es incompatible)
- el sistema tiene una 煤nica soluci贸n (el sistema es compatible determinado)
- el sistema tiene un n煤mero infinito de soluciones (el sistema es compatible indeterminado).
Anteriormente has usado los s铆mbolos “>” (mayor que), “<” (menor que), “≥” (mayor o igual que) y “≤” (menor o igual que) para describir como es la relaci贸n entre un n煤mero y otro. Por ejemplo: 4 > -1 para se帽alar que 4 es mayor que -1, -2 < 3 para se帽alar que -2 es menor que 3 y -3 < -1 para se帽alar que -3 es menor que -1. Estos ejemplos se conocen como desigualdades.
Podemos usar la recta num茅rica para visualizar estas desigualdades.
Observa que:
4 > -1, porque 4 est谩 a la derecha de -1 en la recta num茅rica.
-2 < 3, porque -2 est谩 a la izquierda de 3 en la recta num茅rica
-3 < -1, porque -3 est谩 a la izquierda de -1 en la recta num茅rica
0 > -4, porque 4 est谩 a la derecha de 0 en la recta num茅rica
Una inecuaci贸n lineal es una expresi贸n matem谩tica que describe c贸mo se relacionan entre s铆 dos expresiones lineales. Por ejemplo: 3 + 5x ≥ 18; -2(x + 3) < -9.
La soluci贸n de una inecuaci贸n lineal se puede representar haciendo uso de intervalos en la recta num茅rica, la cual contiene infinito n煤meros reales.
Para resolver inecuaciones lineales hacemos uso de las siguientes propiedades:
- Para todo n煤mero real a, b y c, si a < b entonces: a + c < b + c y a – c < b – c.
- Para todo n煤mero real a, b y c, donde c > 0 y a < b, entonces:
3. Para todo n煤mero real a, b y c, donde c < 0, si a < b, entonces:
Ejemplos para discusi贸n: Resuelve las siguientes inecuaciones lineales y representa la soluci贸n en la recta num茅rica.
1) x + 5 < 3
2) 3x + 2(x – 4) > 4x
3) 5x – 7 ≤ 2x + 8
4) 3x + 8 ≥ 5x
Inecuaciones complejas
Las inecuaciones complejas son aquellas que consisten de dos inecuaciones que est谩n unidas por la conjunci贸n “贸” (“or”) 贸 por la conjunci贸n “y” (“and”).
Ejemplos: Resuelve para x y representa la soluci贸n en la recta num茅rica:
1) 3x + 2 > 14 贸 2x – 1 < -7
2) 5x – 1 ≥ - 4 y 3x – 4 < 8
3) -3x + 1 ≤ 7 贸 3x + 1 ≤ -4
4) -4 ≤ 3x – 1 ≤ 5
Pr谩ctica: Resuelve las siguientes inecuaciones lineales e inecuaciones compuestas (ejercicios 4 y 5) y representa la soluci贸n en la recta num茅rica.
1) 5x + 2 < 4 – x
2) 7(x – 3) ≥ 4(1 + 2x)
4) 3x – 4 < -1 贸 2x + 3 ≥ 13
5) 3x + 6 > -6 y 4x + 5 < 1
6) -4 ≤ 3x + 1 < 5
Prof. Nilsa Toro
GEMA 1200
Ejercicios adicionales: Resuelve las siguientes inecuaciones y dibuja la gr谩fica del conjunto soluci贸n:
1) -2z < 10
|
7) 3x – 4 < x + 8
|
2) 3a – 1 ≥ 14
|
8) 2p + 5 ≥ 3p - 8
|
3) 3(x – 2) + 5x > 22
|
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4) 2m + 5 < 3m – 8
|
10) 2 ≤ 5x + 3 < 15
|
5) y + 4 ≤ 3y – 1
|
11) 10 < 3p – 4 < 18
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