fbpx
Wikipedia

Sistema de ecuaciones lineales

En matemáticas y álgebra lineal, un sistema de ecuaciones lineales, también conocido como sistema lineal de ecuaciones o simplemente sistema lineal, es un conjunto de ecuaciones lineales (es decir, un sistema de ecuaciones en donde cada ecuación es de primer grado), definidas sobre un cuerpo o un anillo conmutativo. Un ejemplo de sistema lineal de ecuaciones sería el siguiente:

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 más antiguos de la matemática y tiene una infinidad de aplicaciones, como en procesamiento digital de señales, análisis estructural, estimación, predicción y más generalmente en programación lineal, así como en la aproximación de problemas no lineales de análisis numérico.

Introducción

En general, un sistema con m ecuaciones lineales y n incógnitas puede ser escrito en forma normal como:

 

Donde   son las incógnitas y los números   son los coeficientes del sistema sobre el cuerpo  . Es posible reescribir el sistema separando los coeficientes con notación matricial:

(1) 

Si representamos cada matriz con una única 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 eliminación de Gauss-Jordan se aplica a este tipo de sistemas, sea cual sea el cuerpo del que provengan los coeficientes. La matriz A se llama matriz de coeficientes de este sistema lineal. A b se le llama vector de términos independientes del sistema y a x se le llama vector de incógnitas.

Sistemas lineales reales

En esta sección 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 números reales.

Representación gráfica

 
La intersección de dos planos que no son paralelos coincidentes es una recta.

Un sistema con   incógnitas se puede representar en el n-espacio correspondiente.

En los sistemas con 2 incógnitas, el universo de nuestro sistema será el plano bidimensional, mientras que cada una de las ecuaciones será representada por una recta. La solución será el punto (o línea) donde se intersequen todas las rectas representan a las ecuaciones. Si no existe ningún punto en el que se intersequen al mismo tiempo todas las líneas, el sistema es incompatible, o lo que es lo mismo, no tiene solución.

En el caso de un sistema con 3 incógnitas, el universo será el espacio tridimensional, siendo cada ecuación un plano dentro del mismo. Si todos los planos intersecan en un único punto, las coordenadas de este serán la solución al sistema. Si, por el contrario, la intersección de todos ellos es una recta o incluso un plano, el sistema tendrá infinitas soluciones, que serán las coordenadas de los puntos que forman dicha línea o superficie.

Para sistemas de 4 o más incógnitas, la representación gráfica no existe, por lo que dichos problemas no se enfocan desde esta óptica.

Tipos de sistemas lineales

 

Los sistemas de ecuaciones se pueden clasificar según el número de soluciones que pueden presentar. De acuerdo con ese caso se pueden presentar los siguientes casos:

  • Sistema compatible si tiene solución, en este caso además puede distinguirse entre:
    • Sistema compatible determinado cuando tiene una única solución.
    • Sistema compatible indeterminado cuando admite un conjunto infinito de soluciones.
  • Sistema incompatible si no tiene solución.

Quedando así la clasificación:

Los sistemas incompatibles geométricamente 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 único punto. Los sistemas compatibles indeterminados se caracterizan por (hiper)planos que se cortan a lo largo de una recta [o más generalmente un hiperplano de dimensión menor]. Desde un punto de vista algebraico los sistemas compatibles determinados se caracterizan porque el determinante de la matriz es diferente de cero:

 

Algoritmo para determinar si un sistema es compatible

Podemos averiguar si un sistema es o no compatible mediante el Teorema de Rouché-Frobenius que establece que un sistema de ecuaciones lineales es compatible solo si el rango de su matriz ampliada coincide con el de su matriz de coeficientes. Supongamos que el sistema es compatible. Si el valor común de los rangos de las matrices coincide con el número de variables, el sistema es compatible determinado; en caso contrario, es compatible indeterminado.

Sistemas compatibles indeterminados

Un sistema sobre un cuerpo K es compatible indeterminado cuando posee un número infinito de soluciones. Por ejemplo, el siguiente sistema:

 

Tanto la primera como la segunda ecuación se corresponden con la recta cuya pendiente es   y que pasa por el punto  , por lo que ambas coinciden en todos los puntos de dicha recta. El sistema es compatible por tener solución o puntos comunes entre las rectas, pero es indeterminado al ocurrir esto en infinitos puntos.

  • En este tipo de sistemas, la solución genérica consiste en expresar una o más variables como función matemática del resto. En los sistemas lineales compatibles indeterminados, al menos una de sus ecuaciones se puede hallar como combinación lineal del resto, es decir, es linealmente dependiente.
  • La condición necesaria para que un sistema sea compatible indeterminado es que el determinante de la matriz del sistema sea cero, al igual que el rango de la matriz ampliada sea menor al número de incógnitas(y por tanto uno de sus autovalores será 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 dimensión de ese espacio vectorial coincidirá con la multiplicidad geométrica del autovalor cero.

Sistemas incompatibles

De un sistema se dice que es incompatible cuando no presenta ninguna solución. Por ejemplo, supongamos el siguiente sistema:

 

Las ecuaciones se corresponden gráficamente con dos rectas, ambas con la misma pendiente, Al ser paralelas, no se cortan en ningún punto, es decir, no existe ningún valor que satisfaga a la vez ambas ecuaciones.

Matemáticamente un sistema de estos es incompatible cuando el rango de la matriz del sistema es inferior al rango de la matriz ampliada. Una condición necesaria para que esto suceda es que el determinante de la matriz del sistema sea cero:

 

Resolución de sistemas de ecuaciones lineales

Sustitución

El método de sustitución consiste en despejar en una de las ecuaciones con cualquier incógnita, preferiblemente la que tenga menor coeficiente y a continuación sustituirla en otra ecuación por su valor.

En caso de sistemas con más de dos incógnitas, 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 ecuación y una incógnita menos que el inicial, en el que podemos seguir aplicando este método reiteradamente. Por ejemplo, supongamos que queremos resolver por sustitución este sistema:

 

En la primera ecuación, seleccionamos la incógnita   por ser la de menor coeficiente y que posiblemente nos facilite más las operaciones, y la despejamos, obteniendo la siguiente ecuación.

 

El siguiente paso será sustituir cada ocurrencia de la incógnita   en la otra ecuación, para así obtener una ecuación donde la única incógnita sea la  .

 

Al resolver la ecuación obtenemos el resultado  , y si ahora sustituimos esta incógnita por su valor en alguna de las ecuaciones originales obtendremos  , con lo que el sistema queda ya resuelto.

Igualación

El método de igualación se puede entender como un caso particular del método de sustitución en el que se despeja la misma incógnita en dos ecuaciones y a continuación se igualan entre sí la parte derecha de ambas ecuaciones.

Tomando el mismo sistema utilizado como ejemplo para el método de sustitución, si despejamos la incógnita   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 también son iguales entre sí.

 

Una vez obtenido el valor de la incógnita  , se sustituye su valor en una de las ecuaciones originales, y se obtiene el valor de la  .

La forma más fácil de tener el método de sustitución es realizando un cambio para despejar x después de averiguar el valor de la y.

Reducción

Este método suele emplearse mayoritariamente en los sistemas lineales, siendo pocos los casos en que se utiliza para resolver sistemas no lineales. El procedimiento, diseñado para sistemas con dos ecuaciones e incógnitas, consiste en transformar una de las ecuaciones (generalmente, mediante productos), de manera que obtengamos dos ecuaciones en la que una misma incógnita aparezca con el mismo coeficiente y distinto signo. A continuación, se suman ambas ecuaciones produciéndose así la reducción o cancelación de dicha incógnita, obteniendo así una ecuación con una sola incógnita, donde el método de resolución es simple.

Por ejemplo, en el sistema:

 

No tenemos más que multiplicar la primera ecuación por   para poder cancelar la incógnita  . Al multiplicar, dicha ecuación nos queda así:

 

Si sumamos esta ecuación a la segunda del sistema original, obtenemos una nueva ecuación donde la incógnita   ha sido reducida y que, en este caso, nos da directamente el valor de la incógnita  :

 
 

El siguiente paso consiste únicamente en sustituir el valor de la incógnita   en cualquiera de las ecuaciones donde aparecían ambas incógnitas, y obtener así que el valor de   si sustituimos en la primera ecuación es igual a:

 

Método gráfico

 
Rectas que pasan por el punto: (2,4)

Consiste en construir la gráfica de cada una de las ecuaciones del sistema. El método (manualmente aplicado) solo resulta eficiente en el plano cartesiano, es decir para un espacio de dimensión dos.

El proceso de resolución de un sistema de ecuaciones mediante el método gráfico se resuelve en los siguientes pasos:

  1. Se despeja la incógnita en ambas ecuaciones.
  2. Se construye para cada una de las dos ecuaciones de primer grado obteniendo la tabla de valores correspondientes.
  3. Se representan gráficamente ambas rectas en los ejes coordenados.
  4. En este último paso hay tres posibilidades:
    1. Si ambas rectas se cortan, las coordenadas del punto de corte son los únicos valores de las incógnitas (x,y). "Sistema compatible determinado".
    2. 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».
    3. Si ambas rectas son paralelas, el sistema no tiene solución en los reales pero sí en los complejos.

Método de Gauss

El método de eliminación de Gauss o simplemente método de Gauss consiste en convertir un sistema lineal de n ecuaciones con n incógnitas, en uno escalonado, en el que la primera ecuación tiene n incógnitas, la segunda ecuación tiene n - 1 incógnitas, ..., hasta la última ecuación, que tiene 1 incógnita. De esta forma, será fácil partir de la última ecuación e ir subiendo para calcular el valor de las demás incógnitas.

Ejemplo de eliminación de Gauss
Se reúnen 30 personas entre hombres, mujeres y niños. Se sabe que entre los hombres y el triple de mujeres exceden en 20 el doble de los niños. También se sabe que entre hombres y mujeres se duplican al número de niños. Plantear y resolver el sistema de ecuaciones.
  número de hombres
  número de mujeres
  número de niños
  • Se reúnen 30 personas entre hombres, mujeres y niños:
 
  • Se sabe que entre los hombres y el triple de mujeres exceden en 20 el doble de los niños:
 
  • También se sabe que entre hombres y mujeres se duplican al número de niños:
 

Agrupando las tres ecuaciones tenemos el sistema, que ordenado resulta:

 

Aplicamos Gauss, restando la primera ecuación a las dos siguientes:

 

En este caso en la tercera ecuación se ha eliminado la y, por lo que no es necesario hacer más operaciones. Por lo tanto obtenemos que z = 10 de la tercera ecuación:

 

Sustituyendo z en la segunda ecuación obtenemos que y = 10:

 

Sustituyendo z é y en la primera ecuación obtenemos x = 10.

 

Con lo que hemos obtenido el resultado del sistema:

 
Eliminación de Gauss-Jordan

Una variante de este método, denominada eliminación de Gauss-Jordan, es un método aplicable únicamente a los sistemas lineales de ecuaciones, y consistente en triangular la matriz aumentada del sistema mediante transformaciones elementales, hasta obtener ecuaciones de una sola incógnita, cuyo valor será igual al coeficiente situado en la misma fila de la matriz. Este procedimiento es similar al anterior de reducción, pero ejecutado de manera reiterada y siguiendo un cierto orden algorítmico.

Ejemplo de eliminación de Gauss-Jordan

Supóngase que es necesario encontrar los números x, y, z, que satisfacen simultáneamente al siguiente sistema de ecuaciones lineales:

 

Inicialmente, se escriben los coeficientes del sistema como una matriz aumentada. Lo que en notación matricial se denota por:

 

Posteriormente, se reduce la incógnita  , sumando a la segunda fila, la primera multiplicada por  , y a la tercera, la primera fila. La matriz queda así:

 

El siguiente paso consiste en eliminar la incógnita   en la primera y tercera fila, para lo cual se suma la segunda multiplicada por   y por  , respectivamente.

 

Por último, se elimina  , tanto de la primera como de la segunda fila, sumándoles la tercera multiplicada por   y por  , respectivamente:

 

Llegados a este punto se puede resolver directamente las ecuaciones que se nos plantean:

 

O, si se prefiere, se puede multiplicar las tres filas de la matriz por:  ,   y   respectivamente, y obtener así automáticamente los valores de las incógnitas en la última columna.

 


Regla de Cramer

La regla de Cramer da una solución para sistemas compatibles determinados en términos de determinantes y adjuntos dada por:

 

Donde Aj es la matriz resultante de reemplazar la j-ésima columna de A por el vector columna b. Para un sistema de dos ecuaciones y dos incógnitas:

 

La regla de Cramer da la siguiente solución:

 

Nota: Cuando en la determinante original det(A) el resultado es 0, el sistema indica múltiples o sin coincidencia.

Algoritmos numéricos

La eliminación de Gauss-Jordan es un algoritmo numérico usado para una gran cantidad de casos específicos, aunque posteriormente se han desarrollado algoritmos alternativos mucho más eficientes. La mayoría de estos algoritmos mejorados tienen una complejidad computacional de O(n²) (donde n es el número de ecuaciones del sistema). Algunos de los métodos más usados son:

Cuando consideramos ecuaciones lineales cuyas soluciones son números racionales, reales o complejos o más generalmente un cuerpo  , la solución puede encontrarse mediante Regla de Cramer. Para sistemas de muchas ecuaciones la regla de Cramer puede ser computacionalmente más costosa y suelen usarse otros métodos más "económicos" en número de operaciones como la eliminación de Gauss-Jordan y la descomposición de Cholesky. Existen también métodos indirectos (basados en iteraciones) como el método de Gauss-Seidel.

Si el cuerpo es infinito (como es el caso de los números reales o complejos), entonces solo puede darse una de las tres siguientes situaciones:

  • el sistema no tiene solución (en dicho caso se dice que el sistema está sobredeterminado o que es incompatible)
  • el sistema tiene una única solución (el sistema es compatible determinado)
  • el sistema tiene un número infinito de soluciones (el sistema es compatible indeterminado).

Solución de sistemas lineales en un anillo

Los métodos para resolver el sistema (1) sobre un anillo son muy diferentes a los considerados anteriormente. De hecho, la mayoría de los métodos usados en cuerpos, como la regla de Cramer, son inaplicables en anillos debido a que no existen inversos multiplicativos.

La existencia de solución del sistema (1) sobre los enteros requiere varias condiciones:

  1. Para cada i   es divisor de  .
  2. Si la condición anterior se cumple para un determinado i existe un conjunto de enteros   formado por el conjunto de enteros que satisface la i-ésima ecuación, y existirá solución si la intersección  .

Véase también

Enlaces externos

  •   Wikiversidad alberga proyectos de aprendizaje sobre Sistema de ecuaciones lineales.
  • Explicación paso a paso de como aplicar el Método de Reducción
  • Explicación paso a paso de como aplicar el Método de Igualación
  • Solucionador de sistemas lineales
  • Ecuaciones Lineales en Matlab Central, compilación de algoritmos para resolver ecuaciones lineales en MATLAB
  • Calculadora Sistema de ecuaciones lineales
  •   Datos: Q11203
  •   Multimedia: System of linear equations

sistema, ecuaciones, lineales, matemáticas, álgebra, lineal, sistema, ecuaciones, lineales, también, conocido, como, sistema, lineal, ecuaciones, simplemente, sistema, lineal, conjunto, ecuaciones, lineales, decir, sistema, ecuaciones, donde, cada, ecuación, p. En matematicas y algebra lineal un sistema de ecuaciones lineales tambien conocido como sistema lineal de ecuaciones o simplemente sistema lineal es un conjunto de ecuaciones lineales es decir un sistema de ecuaciones en donde cada ecuacion es de primer grado definidas sobre un cuerpo o un anillo conmutativo Un ejemplo de sistema lineal de ecuaciones seria el siguiente 3 x 1 2 x 2 x 3 1 2 x 1 2 x 2 4 x 3 2 x 1 1 2 x 2 x 3 0 displaystyle left begin array rcrcrcr 3 x 1 amp amp 2 x 2 amp amp x 3 amp amp 1 2 x 1 amp amp 2 x 2 amp amp 4 x 3 amp amp 2 x 1 amp amp frac 1 2 x 2 amp amp x 3 amp amp 0 end array right 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 mas antiguos de la matematica y tiene una infinidad de aplicaciones como en procesamiento digital de senales analisis estructural estimacion prediccion y mas generalmente en programacion lineal asi como en la aproximacion de problemas no lineales de analisis numerico Indice 1 Introduccion 2 Sistemas lineales reales 2 1 Representacion grafica 2 2 Tipos de sistemas lineales 2 2 1 Algoritmo para determinar si un sistema es compatible 2 2 2 Sistemas compatibles indeterminados 2 2 3 Sistemas incompatibles 2 3 Resolucion de sistemas de ecuaciones lineales 2 3 1 Sustitucion 2 3 2 Igualacion 2 3 3 Reduccion 2 3 4 Metodo grafico 2 3 5 Metodo de Gauss 2 3 5 1 Eliminacion de Gauss Jordan 2 3 6 Regla de Cramer 2 3 7 Algoritmos numericos 3 Solucion de sistemas lineales en un anillo 4 Vease tambien 5 Enlaces externosIntroduccion EditarEn general un sistema con m ecuaciones lineales y n incognitas puede ser escrito en forma normal como a 11 x 1 a 12 x 2 a 1 n x n b 1 a 21 x 1 a 22 x 2 a 2 n x n b 2 a m 1 x 1 a m 2 x 2 a m n x n b m displaystyle left begin matrix a 11 x 1 amp a 12 x 2 amp dots amp a 1n x n amp b 1 a 21 x 1 amp a 22 x 2 amp dots amp a 2n x n amp b 2 dots amp dots amp dots amp dots amp dots a m1 x 1 amp a m2 x 2 amp dots amp a mn x n amp b m end matrix right Donde x 1 x n displaystyle x 1 dots x n son las incognitas y los numeros a i j K displaystyle a ij in mathbb K son los coeficientes del sistema sobre el cuerpo K R C displaystyle mathbb K mathbb R mathbb C dots Es posible reescribir el sistema separando los coeficientes con notacion matricial 1 a 11 a 12 a 1 n a 21 a 22 a 2 n a m 1 a m 2 a m n x 1 x 2 x n b 1 b 2 b m displaystyle begin pmatrix a 11 amp a 12 amp cdots amp a 1n a 21 amp a 22 amp cdots amp a 2n vdots amp vdots amp ddots amp vdots a m1 amp a m2 amp cdots amp a mn end pmatrix begin pmatrix x 1 x 2 vdots x n end pmatrix begin pmatrix b 1 b 2 vdots b m end pmatrix Si representamos cada matriz con una unica letra obtenemos A x b displaystyle mathbf Ax mathbf b 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 eliminacion de Gauss Jordan se aplica a este tipo de sistemas sea cual sea el cuerpo del que provengan los coeficientes La matriz A se llama matriz de coeficientes de este sistema lineal A b se le llama vector de terminos independientes del sistema y a x se le llama vector de incognitas Sistemas lineales reales EditarEn esta seccion se analizan las propiedades de los sistemas de ecuaciones lineales sobre el cuerpo R displaystyle mathbb R es decir los sistemas lineales en los cuales los coeficientes de las ecuaciones son numeros reales Representacion grafica Editar La interseccion de dos planos que no son paralelos coincidentes es una recta Un sistema con n displaystyle n incognitas se puede representar en el n espacio correspondiente En los sistemas con 2 incognitas el universo de nuestro sistema sera el plano bidimensional mientras que cada una de las ecuaciones sera representada por una recta La solucion sera el punto o linea donde se intersequen todas las rectas representan a las ecuaciones Si no existe ningun punto en el que se intersequen al mismo tiempo todas las lineas el sistema es incompatible o lo que es lo mismo no tiene solucion En el caso de un sistema con 3 incognitas el universo sera el espacio tridimensional siendo cada ecuacion un plano dentro del mismo Si todos los planos intersecan en un unico punto las coordenadas de este seran la solucion al sistema Si por el contrario la interseccion de todos ellos es una recta o incluso un plano el sistema tendra infinitas soluciones que seran las coordenadas de los puntos que forman dicha linea o superficie Para sistemas de 4 o mas incognitas la representacion grafica no existe por lo que dichos problemas no se enfocan desde esta optica Tipos de sistemas lineales Editar Los sistemas de ecuaciones se pueden clasificar segun el numero de soluciones que pueden presentar De acuerdo con ese caso se pueden presentar los siguientes casos Sistema compatible si tiene solucion en este caso ademas puede distinguirse entre Sistema compatible determinado cuando tiene una unica solucion Sistema compatible indeterminado cuando admite un conjunto infinito de soluciones Sistema incompatible si no tiene solucion Quedando asi la clasificacion Los sistemas incompatibles geometricamente 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 unico punto Los sistemas compatibles indeterminados se caracterizan por hiper planos que se cortan a lo largo de una recta o mas generalmente un hiperplano de dimension menor Desde un punto de vista algebraico los sistemas compatibles determinados se caracterizan porque el determinante de la matriz es diferente de cero Sistema compatible determinado det A 0 displaystyle text Sistema compatible determinado Longleftrightarrow det mathbf A neq 0 Algoritmo para determinar si un sistema es compatible Editar Podemos averiguar si un sistema es o no compatible mediante el Teorema de Rouche Frobenius que establece que un sistema de ecuaciones lineales es compatible solo si el rango de su matriz ampliada coincide con el de su matriz de coeficientes Supongamos que el sistema es compatible Si el valor comun de los rangos de las matrices coincide con el numero de variables el sistema es compatible determinado en caso contrario es compatible indeterminado Sistemas compatibles indeterminados Editar Un sistema sobre un cuerpo K es compatible indeterminado cuando posee un numero infinito de soluciones Por ejemplo el siguiente sistema x 2 y 1 2 x 4 y 2 displaystyle left begin matrix x amp 2y amp 1 2x amp 4y amp 2 end matrix right Tanto la primera como la segunda ecuacion se corresponden con la recta cuya pendiente es 0 5 displaystyle 0 5 y que pasa por el punto 1 1 displaystyle 1 1 por lo que ambas coinciden en todos los puntos de dicha recta El sistema es compatible por tener solucion o puntos comunes entre las rectas pero es indeterminado al ocurrir esto en infinitos puntos En este tipo de sistemas la solucion generica consiste en expresar una o mas variables como funcion matematica del resto En los sistemas lineales compatibles indeterminados al menos una de sus ecuaciones se puede hallar como combinacion lineal del resto es decir es linealmente dependiente La condicion necesaria para que un sistema sea compatible indeterminado es que el determinante de la matriz del sistema sea cero al igual que el rango de la matriz ampliada sea menor al numero de incognitas y por tanto uno de sus autovalores sera 0 s i s t e m a c o m p a t i b l e i n d e t e r m i n a d o det A 0 displaystyle mathrm sistema compatible indeterminado Rightarrow det mathbf A 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 dimension de ese espacio vectorial coincidira con la multiplicidad geometrica del autovalor cero Sistemas incompatibles Editar De un sistema se dice que es incompatible cuando no presenta ninguna solucion Por ejemplo supongamos el siguiente sistema x 2 y 4 2 x 4 y 1236 displaystyle left begin matrix x amp 2y amp 4 2x amp 4y amp 1236 end matrix right Las ecuaciones se corresponden graficamente con dos rectas ambas con la misma pendiente Al ser paralelas no se cortan en ningun punto es decir no existe ningun valor que satisfaga a la vez ambas ecuaciones Matematicamente un sistema de estos es incompatible cuando el rango de la matriz del sistema es inferior al rango de la matriz ampliada Una condicion necesaria para que esto suceda es que el determinante de la matriz del sistema sea cero s i s t e m a i n c o m p a t i b l e det A 0 displaystyle mathrm sistema incompatible Rightarrow det mathbf A 0 Resolucion de sistemas de ecuaciones lineales Editar Sustitucion Editar El metodo de sustitucion consiste en despejar en una de las ecuaciones con cualquier incognita preferiblemente la que tenga menor coeficiente y a continuacion sustituirla en otra ecuacion por su valor En caso de sistemas con mas de dos incognitas 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 ecuacion y una incognita menos que el inicial en el que podemos seguir aplicando este metodo reiteradamente Por ejemplo supongamos que queremos resolver por sustitucion este sistema 3 x y 22 4 x 3 y 1 displaystyle left begin matrix 3x amp y amp amp 22 4x amp 3y amp amp 1 end matrix right En la primera ecuacion seleccionamos la incognita y displaystyle y por ser la de menor coeficiente y que posiblemente nos facilite mas las operaciones y la despejamos obteniendo la siguiente ecuacion y 22 3 x displaystyle y 22 3x El siguiente paso sera sustituir cada ocurrencia de la incognita y displaystyle y en la otra ecuacion para asi obtener una ecuacion donde la unica incognita sea la x displaystyle x 4 x 3 22 3 x 1 4 x 66 9 x 1 13 x 66 1 13 x 65 displaystyle 4x 3 22 3x 1 qquad Rightarrow 4x 66 9x 1 qquad Rightarrow 13x 66 1 qquad Rightarrow 13x 65 Al resolver la ecuacion obtenemos el resultado x 5 displaystyle x 5 y si ahora sustituimos esta incognita por su valor en alguna de las ecuaciones originales obtendremos y 7 displaystyle y 7 con lo que el sistema queda ya resuelto Igualacion Editar El metodo de igualacion se puede entender como un caso particular del metodo de sustitucion en el que se despeja la misma incognita en dos ecuaciones y a continuacion se igualan entre si la parte derecha de ambas ecuaciones Tomando el mismo sistema utilizado como ejemplo para el metodo de sustitucion si despejamos la incognita y displaystyle y en ambas ecuaciones nos queda de la siguiente manera y 22 3 x y 4 x 1 3 displaystyle left begin matrix y amp 22 3x y amp cfrac 4x 1 3 end matrix right Como se puede observar ambas ecuaciones comparten la misma parte izquierda por lo que podemos afirmar que las partes derechas tambien son iguales entre si 22 3 x 4 x 1 3 3 22 3 x 4 x 1 65 13 x x 5 displaystyle 22 3x frac 4x 1 3 Rightarrow quad 3 22 3x 4x 1 Rightarrow quad 65 13x Rightarrow quad x 5 Una vez obtenido el valor de la incognita x displaystyle x se sustituye su valor en una de las ecuaciones originales y se obtiene el valor de la y displaystyle y La forma mas facil de tener el metodo de sustitucion es realizando un cambio para despejar x despues de averiguar el valor de la y Reduccion Editar Este metodo suele emplearse mayoritariamente en los sistemas lineales siendo pocos los casos en que se utiliza para resolver sistemas no lineales El procedimiento disenado para sistemas con dos ecuaciones e incognitas consiste en transformar una de las ecuaciones generalmente mediante productos de manera que obtengamos dos ecuaciones en la que una misma incognita aparezca con el mismo coeficiente y distinto signo A continuacion se suman ambas ecuaciones produciendose asi la reduccion o cancelacion de dicha incognita obteniendo asi una ecuacion con una sola incognita donde el metodo de resolucion es simple Por ejemplo en el sistema 2 x 3 y 5 5 x 6 y 4 displaystyle left begin matrix 2x amp 3y amp 5 5x amp 6y amp 4 end matrix right No tenemos mas que multiplicar la primera ecuacion por 2 displaystyle 2 para poder cancelar la incognita y displaystyle y Al multiplicar dicha ecuacion nos queda asi 2 2 x 3 y 5 4 x 6 y 10 displaystyle 2 2x 3y 5 quad longrightarrow quad 4x 6y 10 Si sumamos esta ecuacion a la segunda del sistema original obtenemos una nueva ecuacion donde la incognita y displaystyle y ha sido reducida y que en este caso nos da directamente el valor de la incognita x displaystyle x 4 x 6 y 10 5 x 6 y 4 x 6 displaystyle begin array rrcr 4x amp 6y amp amp 10 5x amp 6y amp amp 4 hline x amp amp amp 6 end array x 6 displaystyle x 6 El siguiente paso consiste unicamente en sustituir el valor de la incognita x displaystyle x en cualquiera de las ecuaciones donde aparecian ambas incognitas y obtener asi que el valor de y displaystyle y si sustituimos en la primera ecuacion es igual a 2 x 3 y 5 x 6 2 6 3 y 5 y 17 3 displaystyle left begin array rrcr 2x amp 3y amp amp 5 x amp amp amp 6 end array right quad longrightarrow quad 2 6 3y 5 quad longrightarrow quad y frac 17 3 Metodo grafico Editar Rectas que pasan por el punto 2 4 Consiste en construir la grafica de cada una de las ecuaciones del sistema El metodo manualmente aplicado solo resulta eficiente en el plano cartesiano es decir para un espacio de dimension dos El proceso de resolucion de un sistema de ecuaciones mediante el metodo grafico se resuelve en los siguientes pasos Se despeja la incognita en ambas ecuaciones Se construye para cada una de las dos ecuaciones de primer grado obteniendo la tabla de valores correspondientes Se representan graficamente ambas rectas en los ejes coordenados En este ultimo paso hay tres posibilidades Si ambas rectas se cortan las coordenadas del punto de corte son los unicos valores de las incognitas 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 solucion en los reales pero si en los complejos Metodo de Gauss Editar El metodo de eliminacion de Gauss o simplemente metodo de Gauss consiste en convertir un sistema lineal de n ecuaciones con n incognitas en uno escalonado en el que la primera ecuacion tiene n incognitas la segunda ecuacion tiene n 1 incognitas hasta la ultima ecuacion que tiene 1 incognita De esta forma sera facil partir de la ultima ecuacion e ir subiendo para calcular el valor de las demas incognitas Ejemplo de eliminacion de GaussSe reunen 30 personas entre hombres mujeres y ninos Se sabe que entre los hombres y el triple de mujeres exceden en 20 el doble de los ninos Tambien se sabe que entre hombres y mujeres se duplican al numero de ninos Plantear y resolver el sistema de ecuaciones x displaystyle x numero de hombres y displaystyle y numero de mujeres z displaystyle z numero de ninos dd Se reunen 30 personas entre hombres mujeres y ninos x y z 30 displaystyle x y z 30 Se sabe que entre los hombres y el triple de mujeres exceden en 20 el doble de los ninos x 3 y 2 z 20 displaystyle x 3y 2z 20 Tambien se sabe que entre hombres y mujeres se duplican al numero de ninos x y 2 z displaystyle x y 2z Agrupando las tres ecuaciones tenemos el sistema que ordenado resulta x y z 30 x 3 y 2 z 20 x y 2 z x y z 30 x 3 y 2 z 20 x y 2 z 0 displaystyle left begin array l x y z 30 x 3y 2z 20 x y 2z end array right quad longrightarrow left begin array rrrcr x amp y amp z amp amp 30 x amp 3y amp 2z amp amp 20 x amp y amp 2z amp amp 0 end array right Aplicamos Gauss restando la primera ecuacion a las dos siguientes x y z 30 2 y 3 z 10 3 z 30 displaystyle left begin array rrrcr x amp y amp z amp amp 30 amp 2y amp 3z amp amp 10 amp amp 3z amp amp 30 end array right En este caso en la tercera ecuacion se ha eliminado la y por lo que no es necesario hacer mas operaciones Por lo tanto obtenemos que z 10 de la tercera ecuacion 3 z 30 z 30 3 z 10 displaystyle 3z 30 longrightarrow quad z cfrac 30 3 longrightarrow quad z 10 Sustituyendo z en la segunda ecuacion obtenemos que y 10 2 y 3 z 10 z 10 2 y 30 10 2 y 20 y 10 displaystyle left begin array rrcr 2y amp 3z amp amp 10 amp z amp amp 10 end array right longrightarrow quad 2y 30 10 longrightarrow quad 2y 20 longrightarrow quad y 10 Sustituyendo z e y en la primera ecuacion obtenemos x 10 x y z 30 y 10 z 10 x 10 10 30 x 30 10 10 x 10 displaystyle left begin array rrrcr x amp y amp z amp amp 30 amp y amp amp amp 10 amp amp z amp amp 10 end array right longrightarrow quad x 10 10 30 longrightarrow quad x 30 10 10 longrightarrow quad x 10 Con lo que hemos obtenido el resultado del sistema x y z 30 x 3 y 2 z 20 x y 2 z x 10 y 10 z 10 displaystyle left begin array l x y z 30 x 3y 2z 20 x y 2z end array right quad longrightarrow left begin array l x 10 y 10 z 10 end array right Eliminacion de Gauss Jordan Editar Una variante de este metodo denominada eliminacion de Gauss Jordan es un metodo aplicable unicamente a los sistemas lineales de ecuaciones y consistente en triangular la matriz aumentada del sistema mediante transformaciones elementales hasta obtener ecuaciones de una sola incognita cuyo valor sera igual al coeficiente situado en la misma fila de la matriz Este procedimiento es similar al anterior de reduccion pero ejecutado de manera reiterada y siguiendo un cierto orden algoritmico Ejemplo de eliminacion de Gauss JordanSupongase que es necesario encontrar los numeros x y z que satisfacen simultaneamente al siguiente sistema de ecuaciones lineales 2 x y z 8 3 x y 2 z 11 2 x y 2 z 3 displaystyle left begin array rrrcr 2x amp y amp z amp amp 8 3x amp y amp 2z amp amp 11 2x amp y amp 2z amp amp 3 end array right Inicialmente se escriben los coeficientes del sistema como una matriz aumentada Lo que en notacion matricial se denota por 2 1 1 8 3 1 2 11 2 1 2 3 displaystyle left begin array rrrr 2 amp 1 amp 1 amp 8 3 amp 1 amp 2 amp 11 2 amp 1 amp 2 amp 3 end array right Posteriormente se reduce la incognita x displaystyle x sumando a la segunda fila la primera multiplicada por 3 2 displaystyle frac 3 2 y a la tercera la primera fila La matriz queda asi 2 1 1 8 0 1 2 1 2 1 0 2 1 5 displaystyle left begin array rrrr 2 amp 1 amp 1 amp 8 0 amp frac 1 2 amp frac 1 2 amp 1 0 amp 2 amp 1 amp 5 end array right El siguiente paso consiste en eliminar la incognita y displaystyle y en la primera y tercera fila para lo cual se suma la segunda multiplicada por 2 displaystyle 2 y por 4 displaystyle 4 respectivamente 2 0 2 6 0 1 2 1 2 1 0 0 1 1 displaystyle left begin array rrrr 2 amp 0 amp 2 amp 6 0 amp frac 1 2 amp frac 1 2 amp 1 0 amp 0 amp 1 amp 1 end array right Por ultimo se elimina z displaystyle z tanto de la primera como de la segunda fila sumandoles la tercera multiplicada por 2 displaystyle 2 y por 1 2 displaystyle frac 1 2 respectivamente 2 0 0 4 0 1 2 0 3 2 0 0 1 1 displaystyle left begin array rrrr 2 amp 0 amp 0 amp 4 0 amp frac 1 2 amp 0 amp frac 3 2 0 amp 0 amp 1 amp 1 end array right Llegados a este punto se puede resolver directamente las ecuaciones que se nos plantean 2 x 4 y 2 3 2 z 1 displaystyle left begin matrix 2x 4 cfrac y 2 cfrac 3 2 z 1 end matrix right O si se prefiere se puede multiplicar las tres filas de la matriz por 1 2 displaystyle frac 1 2 2 displaystyle 2 y 1 displaystyle 1 respectivamente y obtener asi automaticamente los valores de las incognitas en la ultima columna x 2 y 3 z 1 displaystyle left begin matrix x amp 2 y amp 3 z amp 1 end matrix right Regla de Cramer Editar Articulo principal Regla de Cramer La regla de Cramer da una solucion para sistemas compatibles determinados en terminos de determinantes y adjuntos dada por x j det A j det A displaystyle x j cfrac det A j det mathbf A Donde Aj es la matriz resultante de reemplazar la j esima columna de A por el vector columna b Para un sistema de dos ecuaciones y dos incognitas a x b y e c x d y f displaystyle left begin matrix a x amp amp b y amp e c x amp amp d y amp f end matrix right La regla de Cramer da la siguiente solucion x e b f d a b c d e d b f a d b c y a e c f a b c d a f e c a d b c displaystyle x frac begin vmatrix e amp b f amp d end vmatrix begin vmatrix a amp b c amp d end vmatrix ed bf over ad bc qquad y frac begin vmatrix a amp e c amp f end vmatrix begin vmatrix a amp b c amp d end vmatrix af ec over ad bc Nota Cuando en la determinante original det A el resultado es 0 el sistema indica multiples o sin coincidencia Algoritmos numericos Editar La eliminacion de Gauss Jordan es un algoritmo numerico usado para una gran cantidad de casos especificos aunque posteriormente se han desarrollado algoritmos alternativos mucho mas eficientes La mayoria de estos algoritmos mejorados tienen una complejidad computacional de O n donde n es el numero de ecuaciones del sistema Algunos de los metodos mas usados son Para los problemas de la forma Ax b donde A es una matriz de Toeplitz simetrica se puede utilizar la recursion de Levinson o alguno de los metodos derivados de este Un metodo derivado de la recursion de Levinson es la recursion de Schur que es ampliamente usado en el campo del procesamiento digital de senales Para los problemas de la forma Ax b donde A es una matriz singular o casi singular la matriz A se descompone en el producto de tres matrices en un proceso llamado descomposicion en valores singulares Cuando consideramos ecuaciones lineales cuyas soluciones son numeros racionales reales o complejos o mas generalmente un cuerpo K displaystyle mathbb K la solucion puede encontrarse mediante Regla de Cramer Para sistemas de muchas ecuaciones la regla de Cramer puede ser computacionalmente mas costosa y suelen usarse otros metodos mas economicos en numero de operaciones como la eliminacion de Gauss Jordan y la descomposicion de Cholesky Existen tambien metodos indirectos basados en iteraciones como el metodo de Gauss Seidel Si el cuerpo es infinito como es el caso de los numeros reales o complejos entonces solo puede darse una de las tres siguientes situaciones el sistema no tiene solucion en dicho caso se dice que el sistema esta sobredeterminado o que es incompatible el sistema tiene una unica solucion el sistema es compatible determinado el sistema tiene un numero infinito de soluciones el sistema es compatible indeterminado Solucion de sistemas lineales en un anillo EditarArticulo principal Ecuacion diofantica Los metodos para resolver el sistema 1 sobre un anillo son muy diferentes a los considerados anteriormente De hecho la mayoria de los metodos usados en cuerpos como la regla de Cramer son inaplicables en anillos debido a que no existen inversos multiplicativos La existencia de solucion del sistema 1 sobre los enteros requiere varias condiciones Para cada i mcd a i 1 a i 2 a i n displaystyle mbox mcd a i1 a i2 a in es divisor de b i displaystyle b i Si la condicion anterior se cumple para un determinado i existe un conjunto de enteros S i displaystyle mathcal S i formado por el conjunto de enteros que satisface la i esima ecuacion y existira solucion si la interseccion S 1 S n displaystyle mathcal S 1 cap cap mathcal S n neq varnothing Vease tambien EditarSistema de ecuacionesEnlaces externos Editar Wikiversidad alberga proyectos de aprendizaje sobre Sistema de ecuaciones lineales Solucionador descriptivo de ecuaciones linealesExplicacion paso a paso de como aplicar el Metodo de ReduccionExplicacion paso a paso de como aplicar el Metodo de IgualacionSolucionador de sistemas lineales Ecuaciones Lineales en Matlab Central compilacion de algoritmos para resolver ecuaciones lineales enMATLAB Calculadora Sistema de ecuaciones lineales Herramienta generica con calculo de inversa y determinantes Ejemplos de resolucion de sistemas de ecuaciones lineales Datos Q11203 Multimedia System of linear equations Obtenido de https es wikipedia org w index php title Sistema de ecuaciones lineales amp oldid 139422702, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

español

, española, descargar, gratis, descargar gratis, mp3, video, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, imagen, música, canción, película, libro, juego, juegos