Sistemas de Ecuaciones Lineales
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Introducción:
Cuando se considera una funcion
lineal , por ejemplo: ,
la cual podría servir para determinar el número de
personas (
) que podrían alimentarse con una cantidad
de kilogramos de arroz, se puede presentar la situación siguiente:
Suponiendo que se tienen
personas invitadas para un evento especial, si se quiere determinar
el número de kilogramos de arroz que habría que preparar
para alimentarlas, tendría que plantearse la siguiente pregunta:
¿Para cuál número real
se cumple que
? Este tipo de pregunta surge con frecuencia y da origen a lo que
llamamos ecuaciones lineales, pues sabiendo que ,
se plantea la ecuación lineal:
y al resolverla se encuentra el número buscado: la preimagen
de 122 mediante ,
que es, en este caso, ,
pues .
Se necesitarían, entonces,
Kg. de arroz para el evento.
Si ahora se tiene una transformación
lineal con transformaciones Lineales
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| definida por:
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Una situación análoga a la anterior sería la
siguiente:
Dado el punto
en ,
¿Cuál será el punto
en
tal que
? o, dicho de otro modo: ¿Cuál será
la preimagen de
mediante ?
Como ,
se tiene que cumplir:
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Pero, dado que dos vectores en
son iguales sólo si coinciden en sus tres coordenadas, se debe
cumplir lo siguiente:
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Las ecuaciones 1), 2) y 3) deben
cumplirse todas para que sea cierto que .
Estamos en presencia de un sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas,
y su solución es un vector de ,
que en este caso es .
Esto significa que:
Los sistemas de ecuaciones lineales pueden tener una solución
única, tener infinitas soluciones, o no tener ninguna solución.
Este último caso es el que se da cuando el vector cuya preimagen
se busca, no pertenece al rango de la función. A continuación,
se estudiarán sistemas de ecuaciones diversos y se explicará
el modo de reconocer cuándo tienen solución y si ésta
es única o no. También se estudiarán métodos
de resolución de los sistemas de ecuaciones de hasta tres
incógnitas y hasta tres ecuaciones.
Sistemas de Dos Ecuaciones Lineales. Un sistema
de dos ecuaciones lineales y dos incógnitas como:
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Puede interpretarse al menos de dos maneras distintas:
1. Cada ecuación representa una recta en el plano y las
coordenadas
del punto de intersección de ambas rectas constituyen la
solución del sistema: (ver figura de
la derecha)
2. Se considera la transformación lineal
definida por:
y se busca la preimagen, mediante ,
del vector . |
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Es decir, se busca el vector
de
tal que
Como ,
para que valga la igualdad ,
debe cumplirse lo que el sistema de ecuaciones expresa:
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| En este ejemplo, el sistema tiene una única
solución, que es el vector .
Esto significa que
y no hay ningún otro vector en
que sea preimagen de .
En los casos como éste, donde hay una única solución,
se dice que el sistema es compatible determinado.
Una manera sencilla de descubrir si un sistema de dos ecuaciones
con dos incógnitas es compatible determinado es la siguiente:
Se calcula el determinante matrices
y determinantes de la matriz formada por los coeficientes del
sistema; en el ejemplo anterior, sería:
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Matriz Asociada al Sistema |
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Determinante de la matriz asociada:
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Siempre que el determinante de la matriz asociada sea distinto de
cero (como en este caso) el sistema será compatible determinado,
es decir, tendrá solución única. Cuando el determinante
en cuestión sea igual a cero, el sistema será, o bien
incompatible (no hay solución) o bien compatible indeterminado
(infinitas soluciones). Ejemplo:
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Matriz Asociada |
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Determinante
Como el determinante es igual a cero, se concluye que el sistema
no es compatible determinado.
Para descubrir si se trata de un sistema compatible indeterminado
o incompatible, se examinan las dos ecuaciones; si una de ellas
es múltiplo de la otra, se trata, entonces, de dos ecuaciones
equivalentes, que representan a la misma recta, y por lo tanto las
soluciones son todos los puntos de la recta; hay infinitas soluciones
en este caso y se trata de un sistema compatible indeterminado. |
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En el ejemplo dado, la ecuación
es equivalente a ,
pues al multiplicar ambos miembros de ésta última por
,
se obtiene .
Ambas ecuaciones representan a la recta de la figura: (ver
figura de la izquierda)
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Como las dos rectas coinciden en todos sus puntos, el conjunto solución
es el conjunto de todos los puntos del plano que están en
la recta. Si se tratase del sistema siguiente:
Se observa que la matriz asociada es la misma que la del ejemplo
anterior:
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Y su determinante es cero, como ya se vió. Pero
al observar las ecuaciones, se detecta que ninguna es múltiplo
de la otra y eso indica que el sistema es incompatible: no existe
solución.
Gráficamente, se obtienen dos rectas paralelas: (ver
figura de la derecha)
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La resolución de sistemas de dos ecuaciones lineales con
dos incógnitas se puede llevar a cabo de varias maneras,
todas muy sencillas con Sistemas
de Ecuaciones.
Es importante, sin embargo, conocer las interpretaciones que pueden
tener las soluciones, geométricamente y en términos
de transformaciones lineales asociadas.
Sistemas de dos ecuaciones con tres incógnitas.
Un sistema de ecuaciones como el siguiente:
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Puede interpretarse como el planteamiento de la búsqueda
de la preimagen del vector ,
mediante la transformación lineal
definida por:
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En casos como éste, el criterio del determinante de la matriz
asociada no es aplicable, pues la matriz asociada es rectangular
y el determinante sólo está definido para matrices
cuadradas.
Sin embargo, hay otras maneras de conocer acerca de la compatibilidad
del sistema y de la unicidad de las soluciones. En primer lugar,
un sistema con 3 incógnitas y dos ecuaciones, si es compatible,
no puede ser determinado. Es decir, si tiene solución, entonces
tiene infinitas soluciones. La razón para esto se estudia
en cursos más avanzados de Álgebra Lineal, donde se
estudian con detalle los espacios vectoriales y las transformaciones
lineales. Una explicación intuitiva, no formal, de este hecho
podría ser la siguiente:
Como la transformación lineal asociada al sistema del ejemplo
anterior es
Definida por:
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Y la dimensión de
(el espacio) es mayor que la dimensión de
(el plano), cada vector de
que esté en el rango de
deberá tener 'muchas' preimágenes en .
En particular, el vector
deberá tener infinitas preimágenes, si es que pertenece
al rango de .
Una manera de averiguar si el sistema
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Es compatible, es decir, si
pertenece al rango de ,
es la siguiente: Se observa la matriz de los coeficientes del sistema:
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Si ninguna fila es múltiplo de la otra, el sistema es compatible
indeterminado. En este caso, lo es. Para encontrar el conjunto de
todas las soluciones al sistema, se suele hacer lo siguiente:
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Ahora se resuelve el sistema tomando a
como si fuera una constante: |
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Sustituyendo a
por
en la primera ecuación, se obtiene:
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Esto quiere decir que todas las soluciones son de la forma: ,
con variando
en .
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Estos tres vectores y todos los que se obtienen al
sustituir a
por un número real cualquiera, son soluciones al sistema de
ecuaciones planteado. El conjunto de todos los vectores de la forma
forman una recta en ,
que constituye la intersección de los dos planos que corresponden
a las dos ecuaciones del sistema. |
Para que un sistema de 2 ecuaciones y 3 incógnitas sea incompatible
debe ocurrir como en el siguiente ejemplo: |
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Aquí, la matriz asociada tiene una fila que múltiplo
de la otra:
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(la primera es el doble de la segunda). Pero además, ocurre
algo muy inportante : los términos independientes no guardan
la misma relación que las filas de la matriz: .
En este caso, los vectores de
que son imagen de algún vector de
mediante la transformación lineal
definida por:
Son todos de la forma ,
pues .
Como el vector
no tiene esa forma, se concluye que
no pertenece al rango de
y por lo tanto el sistema es incompatible.
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Ejemplos de vectores que sí están en el rango de
son: ,
,
,
,
etc.
Por otra parte, el sistema
sí es compatible, aunque indeterminado. Como la ecuación
es equivalente a ,
basta con buscar la solución a una de ellas; por ejemplo
.
Despejando a
en función de
y , se obtiene:
| Así,
cualquier solución al sistema tendrá la forma:
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Por ejemplo,
para  ,
 ,
se obtiene |
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para
 ;
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Sistemas Homogéneos Un sistema de ecuaciones es
homogéneo si todos sus términos independientes son
iguales a cero. Por ejemplo, el sistema siguiente es homogéneo:
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El conjunto solución de este sistema es un subespacio vectorial
con Vectores En El
Plano de Esto
significa que el conjunto solución es, o bien el vector ,
o bien una recta que pasa por el punto ,
o un plano que pasa por el punto .
Como ya se ha dicho, la primera opción no es posible, porque
el sistema sería compatible determinado y esto no puede ocurrir
en sistemas con más incógnitas que ecuaciones.
Cuando las filas de la matriz asociada son linealmente independientes,
es decir, ninguna es múltiplo es de la otra, la solución
al sistema es una recta en
que pasa por el origen. Es el caso del ejemplo anterior. Las dos
filas de la matriz
|
Son linealmente independientes. Geométricamente, eso significa
que cada ecuación del sistema representa un plano distinto
y la solución del sistema es el conjunto de todos los puntos
de la recta
donde se intersectan los dos planos. |
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Para encontrar la solución al sistema, se busca la manera
de expresar dos de las incógnitas en función de una
tercera.
Por ejemplo, una manera puede ser la siguiente:
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Sustituyendo a
en la segunda ecuación:
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Ahora, se sustituye
en la ecuación (1) y se obtiene:
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Se tienen, así, las incógnitas ,
expresadas en función de ,
y el conjunto solución es el formado por todos los vectores
en
que tienen la forma:
y puede tomar
el valor de cualquier número real.
Por ejemplo:
Se dice, entonces, que la solución al sistema homogéneo
es la recta que pasa por el origen y contiene al vector
(ó ,
o cualquier otro vector no nulo que se obtenga como solución
particular).
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El último caso, el de un sistema homogéneo de 2 ecuaciones
y 3 incógnitas cuya solución es un plano que pasa
por el origen, es muy sencillo. Ese caso se da cuando una fila de
la matriz asociada es múltiplo de la otra. Cuando eso ocurre,
las dos ecuaciones son equivalentes y cualquiera de las dos representa
el plano que es la solución del sistema.
Por ejemplo:
Las dos ecuaciones de este sistema son equivalentes (la segunda
es igual a la primera multiplicada por )
y ambas representan el mismo plano en
que pasa por el origen.
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Si has respondido correctamente, continúa con tu lectura;
si no ha sido así, estudia de nuevo los ejemplos anteriores
y descubre la causa de tu error, antes de continuar.
Sistemas de tres ecuaciones con tres incógnitas:
Un sistema de ecuaciones como el siguiente:
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Plantea, en términos de las transformaciones lineales, la
búsqueda del vector o los vectores
de
que son preimágenes del vector
mediante la transformación lineal definida por
|
Para resolver estos sistemas de de ecuaciones, es muy útil
el cálculo del determinante de la matriz asociada a la transformación
lineal :
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El hecho de ser no nulo el determinante, como en este caso, significa
que el sistema es compatible determinado. Para encontrar la única
solución del sistema, se puede usar la llamada 'Regla de
Cramer', la cual se usará a continuación con el ejemplo
dado.
Se calculan los 3 determinantes que resultan al sustituir respectivamente
la primera, segunda y tercera columna de
por la columna de los términos independientes del sistema.
Se suele denotar estos determinantes por ,
y :
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| Ahora, se calculan los cocientes:
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Es decir,
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El vector
es, entonces, la única preimagen del vector
según la transformación lineal dada. En otras palabras,
la solución al sistema planteado es la terna ´
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Una interpretación geométrica para el sistema de ecuaciones
compatible determinado es la siguiente:
Cada una de las tres ecuaciones representa un plano en el espacio
.
Si el término independiente de una ecuación no es
nulo, el plano correspondiente no pasa por el origen. La intersección
de los tres planos es un punto
del espacio, y las coordenadas de ese punto constituyen la solución
al sistema.
Por ejemplo, en el caso del sistema planteado en la interactividad
anterior:
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La intersección de los tres planos es el punto .
Cuando se plantea un sistema de tres ecuaciones y tres incógnitas,
homogéneo, la información que provee el determinante
del sistema es valiosa:
- Si el determinante es no nulo, como hay una única solución,
eso significa que la única solución es el vector
,
ya que este vector es solución de todo sistema homogéneo.
- Si el determinante es igual a cero, el sistema es compatible
indeterminado y el conjunto solución, que puede ser una
recta o un plano, se determina con los procedimientos explicados
para el caso de 2 ecuaciones homogéneas con tres incógnitas.
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| Ejemplos:
1.
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Como ,
el sistema tiene como única solución al vector ,
llamado frecuentemente la solución trivial del sistema homogéneo.
2.
|
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Aquí ,
y por lo tanto, sistema es compatible indeterminado. En este caso
la tercera ecuación es igual a la suma de las dos primeras,
y por lo tanto, se puede prescindir de ella. Tomando las dos primeras
ecuaciones:
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Se expresan las incógnitas ,
en función
de , y para lograrlo,
se puede comenzar por eliminar la
del sistema por sustitución: Se despeja
de la primera ecuación:
y se sustituye ese valor por
en la segunda: |
|
Ahora, se sustituye
por
en (1):
Así, la solución del sistema tiene la forma ,
donde puede
tomar el valor de cualquier número real. |
Si en un sistema de 3 ecuaciones y 3 incógnitas ocurriera que
y además se observara que 2 de las ecuaciones son núltiplos
de la restante, entonces la solución del sistema sería
un plano en ,
representado por cualquiera de las tres ecuaciones, ya que éstas
serían ecuaciones equivalentes.
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Referencias:
Giménez, J.
(2001). Matemática V . Caracas, Ediciones Eneva.
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