domingo, 18 de octubre de 2020

Tarea de progresión número 2 de la semana del 19 al 25 de octubre

Ejercicio número 5, apartado b, de la página 79 del libro de texto base
ENUNCIADO.
Resuelve el siguiente sistema por el método de Cramer:
$$\left\{\begin{matrix}x&+&y&-&2z&=&6\\ 2x&+&3y&-&7z&=&16 \\ 5x&+&2y&+&z&=&16 \end{matrix}\right.$$

SOLUCIÓN.
$$x=\dfrac{\begin{vmatrix}6&1&-2\\16&3&-7\\16&2&1\end{vmatrix}}{\begin{vmatrix}1&1&-2\\2&3&-7\\5&2&1\end{vmatrix}}=3$$
$$y=\dfrac{\begin{vmatrix}1&6&-2\\2&16&-7\\5&16&1\end{vmatrix}}{\begin{vmatrix}1&1&-2\\2&3&-7\\5&2&1\end{vmatrix}}=1$$
$$z=\dfrac{\begin{vmatrix}1&1&6\\2&3&16\\5&2&16\end{vmatrix}}{\begin{vmatrix}1&1&-2\\2&3&-7\\5&2&1\end{vmatrix}}=-1$$ $\square$

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Ejercicio número 9 de la página 79 del libro de texto base
ENUNCIADO.
Resuelve matricialmente el siguiente sistema:
$$\begin{pmatrix}5&8&1\\ 3&-2&6 \\ 2&1&-1 \end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\ y \\ z \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2\\ -7 \\ -5 \end{pmatrix}$$

SOLUCIÓN.
Voy a utilizar el método de la matriz inversa. Podemos escribir el sistema de manera abreviada, en forma de ecuación matricial, $AX=B$ ( donde $A$ es la matriz de los coeficientes del sistema, $X$ es la matriz columna de las incógnitas, y $B$ es la matriz columna de los términos independientes; con lo cual, $X=A^{-1}\,B$. Calculando la matriz inversa de $A$, que es regular, y por tanto el sistema es compatible determinado, pues $\text{rango}(A)=\text{rango}(A|B)=3=n$ (teorema de Rouché-Fröbenius). Calculando la matriz inversa de $A$ ( omito los cálculo, si bien vosotras tenéis que realizarlos, para practicar )se obtiene, $$A^{-1}=\begin{pmatrix}-4/107&9/107&50/107 \\ 15/107 &-7/107&-27/107 \\ 7/107&11/107&-34/107\end{pmatrix}$$ Así pues, $$\begin{pmatrix}x\\ y \\ z \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-4/107&9/107&50/107 \\ 15/107 &-7/107&-27/107 \\ 7/107&11/107&-34/107\end{pmatrix}\begin{pmatrix}2\\ -7 \\ -5 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-3\\ 2 \\ 1 \end{pmatrix}$$ esto es: $x=-3$, $y=2$, $z=1$
$\square$

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Ejercicio número 13, apartado b, de la página 81 del libro de texto base
ENUNCIADO.
Discute el siguiente sistema de ecuaciones lineales según los valores del parámetro $a$:
$$\left\{\begin{matrix}3x&+&10y&=&-4\\ ax&+&y&=&1 \\ x&+&3y&=&-1 \end{matrix}\right.$$

SOLUCIÓN.
Por comodidad, reordeno las ecuaciones:
$$\left\{\begin{matrix} x&+&3y&=&-1\\ 3x&+&10y&=&-4 \\ ax&+&y&=&1 \end{matrix}\right.$$ Podemos escribir el sistema en forma matricial:
$$\begin{pmatrix}1&3\\3&10\\a&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-1\\-4\\1\end{pmatrix}$$ que abreviamos de la forma $AX=B$
Escribamos ahora la matriz de los coeficientes ampliada, $(A|B)$, y reduzcámosla por Gauss:
$\left(\begin{array}{cc|c} 1&3&-1\\3&10&-4\\a&1&1 \end{array}\right) \begin{matrix}\\ -3\,f_1+f_2\rightarrow f_2\\-a\,f_1+f_3\rightarrow f_3\end{matrix} \sim \left(\begin{array}{cc|c} 1&3&-1\\0&1&-1\\0&1-3a&1+a \end{array}\right)\sim$

$ \sim \begin{matrix}\\\\-(1-3a)\,f_2+f_3 \rightarrow f_3 \end{matrix} \quad \left(\begin{array}{cc|c} 1&3&-1\\0&1&-1\\0&0&2\,(1-a) \end{array}\right)$

Por el teorema de Rouché-Fröbenius, podemos distinguir dos casos:
I. Si $a=1$, entonces $\text{rango}(A)=\text{rango}(A|B)=2=n$ ( $n$ es el número de incógnitas ), luego el sistema es compatible determinado.
II. Si $a\neq 1$, entonces $\text{rango}(A)=2\neq\text{rango}(A|B)=3$, luego el sistema es incompatible.
$\square$

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Ejercicio número 12, apartado b, de la página 81 del libro de texto base
ENUNCIADO.
Discute el siguiente sistema de ecuaciones lineales según los valores del parámetro $k$:
$$\left\{\begin{matrix}x&+&y&+&z&=&0 \\ kx&&&+&2z&=&0 \\ 2x&-&y&+&kz&=&0 \end{matrix}\right.$$

SOLUCIÓN.
Podemos escribir el sistema en forma matricial:
$$\begin{pmatrix}1&1&1\\k&0&2\\2&-1&k\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}$$ que abreviamos de la forma $AX=O$, donde $O$ es la matriz columna de los términos independientes, que es nula ( se dice que el sistema es homogéneo )
Escribamos ahora la matriz de los coeficientes ampliada, $(A|B)$:
$$\left(\begin{array}{ccc|c} 1&1&1&0\\k&0&2&0\\2&-1&k&0 \end{array}\right)$$
Analicemos el rango por menores complementarios: $\begin{vmatrix} 1&1&1\\k&0&2\\2&-1&k\end{vmatrix}=-(k^2+k-6)=0\Leftrightarrow k\notin\{-3,2\}$, luego en tal caso (I) $\text{rango}(A)=\text{rango}(A|0)=3=n$ y el sistema es compatible determinado, siendo la solución $x=y=z=0$ ( solución trivial ); en caso contrario (II), $\text{rango}(A)=\text{rango}(A|0)=2\prec n=3$ ( ya que al menos el menor complementario $\begin{vmatrix}1&1\\0&2\end{vmatrix}=2\neq 0$ ), por lo que el sistema es ahora compatible indeterminado con $n-r=3-2=1$ variable secundaria ( la solución dependerá de 1 parámetro libre, por lo que representará una recta en el espacio 3-dimensional ). $\square$

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Ejercicio número 11, apartado a, de la página 81 del libro de texto base
ENUNCIADO.
Discute el siguiente sistema de ecuaciones lineales según los valores del parámetro $a$:
$$\left\{\begin{matrix}ax&+&y&+&z&=&1\\ x&+&ay&+&z&=&a \\ x&+&y&+&az&=&a^2 \end{matrix}\right.$$

SOLUCIÓN.
Voy a resolverlo de una forma alternativa a la que se muestra en un ejercicio similar en el apartado 3.1 ( página 80 ) del libro de texto base. En primer lugar, y por comodidad, reordeno el sistema de ecuaciones para que la ecuación que tenga coeficiente igual a $1$ para la primera incógnita ( en el orden 'xyz' ) sea la primera ecuación:
$$\left\{\begin{matrix}x&+&y&+&az&=&a^2 \\ x&+&ay&+&z&=&a \\ax&+&y&+&z&=&1 \end{matrix}\right.$$ La matriz de los coeficientes ampliada es:
$$\left(\begin{array}{ccc|c} 1&1&a&a^2\\1&a&1&a\\a&1&1&1 \end{array}\right)$$ Reduciéndola por Gauss ( obtenemos matrices equivalentes en rango ): $\left(\begin{array}{ccc|c} 1&1&a&a^2\\1&a&1&a\\a&1&1&1 \end{array}\right) \begin{matrix}\\-f_1+f_2\rightarrow f_2 \\ -a\,f_1+f_3\rightarrow f_3\end{matrix} \sim \left(\begin{array}{ccc|c} 1&1&a&a^2\\0&a-1&1-a&a\,(1-a)\\0&1-a&(1-a)(1+a)&1-a^3 \end{array}\right)$
y mediante la operación elemental $f_1+f_3\rightarrow f_3$ llegamos a $\left(\begin{array}{ccc|c} 1&1&a&a^2\\0&a-1&1-a&a\,(1-a)\\0&0&(1-a)(1+a)+(1-a)&1-a^3+a\,(1-a) \end{array}\right)$
o lo que es lo mismo ( factorizando los polinomios en $a$ y simplificando los elementos que podamos )
$$\sim \left(\begin{array}{ccc|c} 1&1&a&a^2\\0&a-1&1-a&a\,(1-a)\\0&0&(1-a)(a+2)&(1-a)(a+1)^2 \end{array}\right)$$
Con lo cual ya podemos ver que, por el teorema de Rouché-Fröbenius:

I. Si $a=1$ las dos últimas filas son identicamente nulas, con lo cual $\text{rango}(A)=\text{rango}(A|B)\overset{.}{=}r=1\prec n=3$, y el sistema es compatible indeterminado con $n-r=3-1=2$ variables secundarias ( la solución dependerá de $2$ parámetros libres, y por tanto representará un plano en el espacio afín 3-dimensional ).

II. Si $a=-2$, $\text{rango}(A)=2\neq \text{rango}(A|B)=3$, y el sistema es incompatible.

III. Si $a\notin \{-2,1\}$, $\text{rango}(A)=\text{rango}(A|B)\overset{.}{=}r=3=n$, y el sistema es compatible determinado ( la solución es un punto en el espacio afín 3-dimensional )

$\square$

-oOo-

Ejercicio número 47 de la página 89 del libro de texto base
ENUNCIADO.
Se considera el siguiente sistema de ecuaciones lineales en las incógnitas $x,y,z,t$:
$$\left\{\begin{matrix}x&+&2y&+&z&&&=&0\\&&y&+&2z&+&t&=&0\\ 2x&+&2ky&&&-&t&=&0 \end{matrix}\right.$$ Se pide:
a) Encuentra los valores del parámetro $k$ para los que el rango de la matriz de los coeficientes del sistema es $2$
b) Resuelve el sistema para $k:=0$


SOLUCIÓN.
a)
Como se trata de un sistema homogéneo ( los términos independientes son nulos ), bastará con estudiar el rango de la matriz de los coeficientes del sistema, que es:
$$\left(\begin{array}{cccc} 1&2&1&0\\0&1&2&1\\2&2k&0&-1 \end{array}\right)$$ Reduciéndola por Gauss ( obtenemos matrices equivalentes en rango ):
$\begin{pmatrix} 1&2&1&0\\0&1&2&1\\2&2k&0&-1 \end{pmatrix}\begin{matrix}\\ \\ -2f_1+f_3\rightarrow f_3 \end{matrix}\sim \begin{pmatrix} 1&2&1&0\\0&1&2&1\\0&2(k-2)&-2&-1 \end{pmatrix} \sim$

$\sim \begin{matrix}\\ \\ -2(k-2)\,f_2+f_3\rightarrow f_3 \end{matrix}\sim \begin{pmatrix} 1&2&1&0\\0&1&2&1\\0&0&-2(2k-3)&-2(2k-3) \end{pmatrix}$. El rango de esta matriz es $2$ si $2k-3=0$ ( pues la última fila es identicamente nula en tal caso ), para lo cual es necesario que $k=\dfrac{3}{2}$. En tal caso $\text{rango}(A)=\text{rango}(A|0)\overset{.}{=}r=2\prec n=4$, luego, según el teorema de Rouché-Fröbenius, el sistema es compatible indeterminado con $n-r=4-2=2$ variables secundarias ( 2 parámetros libres en la solución ).

b)
Para $k:=0$, $\text{rango}(A)=\text{rango}(A|0)\overset{.}{=}r=3\prec n=4$ y el sistema sigue siendo compatible indeterminado, pero con $n-r=4-3=1$ variable secundaria ( 1 parámetro libre en la solución ). Para este valor de $k$ el sistema equivalente (reducido por Gauss) queda:
$$\left\{\begin{matrix}x&+&2y&+&z&&&=&0\\&&y&+&2z&+&t&=&0\\ &&&&6z&+&3t&=&0 \end{matrix}\right.$$ Eligiendo una de las cuatro variables - pongamos que $t$ - como variable secundaria: $\lambda \overset{.}{=}z$ podemos reescribir el sistema de la forma:
$$\left\{\begin{matrix}x&+&2y&+&z&&&=&0\\&&y&+&2z&&&=&-\lambda\\ &&&&6z&&&=&-3\lambda \end{matrix}\right.$$ Despejando $z$ de la tercera ecuación, obtenemos $z=-\dfrac{1}{2}\,\lambda$, y sustituyendo este valor en la segunda ecuación para despejar $y$, obtenemos $y=0$; a su vez, sustituyendo estos dos resultados en la primera ecuación y despejando $x$, se llega a $x=\dfrac{1}{2}\,\lambda$. Por tanto, podemos indicar la solución de la forma $$\{(x,y,z,t)=\left(\dfrac{1}{2}\,\lambda,0,-\dfrac{1}{2}\,\lambda,\lambda\right):\lambda \in \mathbb{R}\}$$ $\square$

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