Upload
oliver9321
View
32
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
“La principal razón de existir del matemático es resolver problemas, y por lo tanto en lo que realmente consisten las matemáticas es en problemas de soluciones”. . Autor Pendiente
Ennemond Camille Jordan: Nació el 5de enero de 1838
en Lyon, Francia. Su padre era ingeniero y su madre artista. Ingresó a la Escuela Politécnica en 1855 para estudiar matemáticas. Seis años más tarde ya era matemático e ingeniero. A partir de 1861 trabajó como matemático en Paris.Estudió en la Escuela Politécnica (promoción 1855). En 1876 entró como profesor en el Colegio de Francia, sustituyendo a Joseph Liouville.
Dentro de sus trabajos encontramos la teoría de grupos, el teorema de la curva de Jordan (un resultado topológico recogido en análisis complejo).La forma normal de Jordan y método matemático para resolver sistema de ecuaciones en lineal. El teorema de Jordan-Holder, que es el resultado básico de unas series de composiciones. El 4 de abril de 1881 fue elegido miembro de la Academia de la Ciencia y de 1885 a 1921 dirige la «Revista de matemáticas puras y aplicadas» fundado por Liouville.Murió el 22 de enero de 1922 en Paris, Francia.
Relación entre matemáticas puras y aplicadas
La matemática aplicada se focaliza principalmente en el empleo de instrumentos matemáticos en disciplinas de diversos órdenes, mientras que la Matemáticas pura se encarga del estudio de sí misma como verdades abstractas. Según el matemático Hardy La matemática aplicada busca expresar verdades físicas dentro de un marco matemático, mientras que las matemáticas puras buscan expresar verdades independientes del mundo físico. Para Hardy, la matemática pura es la verdadera matemática, que ostenta un valor estético permanente, una belleza intrínseca que la hacen comparable a la pintura o a la poesía.
Estudios Matemáticos Argentera
Página | 1
SISTEMA DE ECUACIONES LINEALES Y NO LINEALES
Historia e Importancia.
Los babilonios fueron los primeros en resolver sistemas de ecuaciones, su
procedimiento se basaba en el manejo de grandes tablas.
Los sistemas de ecuaciones son de mucha importancia por sus aplicaciones
en física, ingeniería y economía y su estudio está principalmente dentro del
algebra lineal.
Por medio de dicho sistema se expresan las condiciones de equilibrio de una
estructura en ingeniería, mediciones para levantamientos topográficos y
los sistemas no lineales nos pueden ayudar a buscar posibles soluciones a
muchos problemas relacionados con la dinámica de las poblaciones.
Solamente un 5% de los problemas que se presenta con sistema de
ecuaciones tienen solución exacta, todos las demás tienen soluciones
aproximadas, por lo que hay que dominar diferentes métodos para llegar a
través del camino más fácil, pues si tenemos un sistema de n=10 incógnitas
por el método de Cramer se nos cogerá un promedio de 40,000
multiplicaciones, mientras que por el método de Gauss Jordan llegaremos a
solo 300 multiplicaciones y divisiones.
En general, un sistema con m ecuaciones lineales y n incógnitas puede ser
escrito en forma ordinaria como:
11 12 1 1
21 22 2 2
31 32 3 3
...
...
...
... .... ...
n
n
n
a x a y a z k
a x a y a z k
a x a y a z k
Página | 2
Donde , ... x y z son las incógnitas y los números son los
coeficientes del sistema sobre el cuerpo K.
Sistema de ecuaciones:
Es un conjunto de dos o más ecuaciones con varias incógnitas.
Clasificación:
a) Sistema de ecuaciones compatible:
Es aquel que tiene solución. 3 5 5
2 1
u w
u w
b) Sistema de ecuaciones incompatibles:
Es aquel que no tiene solución
2 6 2 8
2 8 10
4 12 4 6
m n w
m n
m n w
c) Sistema de ecuaciones compatibles determinado:
Es aquel que tiene al menos una solución.2 3 8
4 2
x y
x y
d) Sistema de ecuaciones compatibles Indeterminado:
Es aquel que tiene infinitas soluciones.6 2 8
6 2 4
m n
n w
e) Ecuaciones dependientes: Es cuando en un sistema una ecuación
depende de la otra.6 2 8
18 6 24
j k
n w
Página | 3
f) Sistema independiente: Es cuando en un sistema una ecuación no
depende de la otra.6 2 8
5 7 24
j k
n w
Métodos para resolver sistema de ecuaciones.
1. Método de Sustitución
2. Método de Igualación
3. Método de Reducción
4. Método Gráfico
5. Método de Cramer (Determinantes)
6. Método de inversión de matrices.
7. Método de Gauss (Reducción)
8. Método de Gauss-Jordan (Eliminación)
9. Método de Gauss-Seidel
10. Método de Jacobi
Página | 4
1. Método de sustitución
Consiste en despejar una incógnita en cualquiera de las ecuaciones y
sustituirla en la otra; así, se obtiene una sola ecuación con una incógnita.
Una vez obtenido el valor de esta incógnita, se sustituye su valor en
cualquiera de las ecuaciones del sistema inicial para calcular el valor de la
otra incógnita.
Ejemplo: Resolver el siguiente sistema2 3 8
4 2
x y
x y
a) Despejamos x en I. 8 3 / 2x y
b) Sustituimos en la otra ecuación. 8 3
4( ) 22
yy
c) Resolvemos la ecuación obtenida 16 6 2
7 14 2
y y
y y
d) Sustituimos e y=2 en la ecuación 2 3 8x y eso implica que ser
2x+3(2)=8 por lo que tenemos que 2x=2 dividiendo será x=1. Por lo
tanto este sistema se satisface para X=1 y Y=2.
Página | 5
2. Método de igualación:
Este método consiste en despejar la misma incógnita en ambas ecuaciones
e igualar las expresiones resultantes; se resuelve la ecuación de primer
grado con una incógnita obtenida y se sustituye este valor en las ecuaciones
iníciales.
Ejemplo: Resolver el siguiente sistema de ecuaciones 2 3 8
4 2
x y
x y
.Despejamos Y de la primera y segunda ecuación.
8 32 3 8
2
24 2
4
yx y x
yx y x
1. Igualamos ambos despeje:8 3 2
2 4
y yx x
2. Resolvemos
4 8 3 2 2 32 12 4 2
12 2 4 32 14 28 2
y y y y
y y y y
Sustituyendo a y=2 en la ecuación II.
4 2 4 2 2
4 4 1
x y x
x x
3. La solución obtenida es 1^ 2x y
Página | 6
3. Método de Reducción o suma y resta:
Consiste en multiplicar ambas ecuaciones por escalares que permitan
eliminar una de las variables, y luego realizar las operaciones indicadas.
Para resolver un sistema de ecuación por el método de reducción o se
igualan los coeficientes salvo el signo de una de la incógnita mediante
multiplicación por numero apropiados de la ecuación. O se suma o se resta
las dos ecuaciones del sistema resultante.
Se preparan las dos ecuaciones, multiplicándolas por los números que
convenga.
Ejemplo: Resolver este sistema de ecuaciones5 2 1
3 7
x y
x y
por escalares 3^2
5 2 1 15 6 33
2 6 142 3 7
17 17
Sustituyendo x=1 en ecuacion
2
x=1^ 2
II
7 1 6 3 7
3 3
1
x=
Multiplicando
x y x
y
y
x yx
x y
y
yx
y
Página | 7
4. Método de Gabriel Cramer.
Es aplicable si el sistema tiene igual número de ecuaciones que de
incógnitas n=m y el determinante de la matriz de coeficientes es distinto de
cero. Un sistema de Cramer es, por definición, compatible determinado y,
por tanto, tiene siempre una solución única.
Pasos:
1. Calcular la determinante del sistema s , se formará una matriz solamente con los
coeficientes de la variable.
2. Buscar a x para eso se quedan en el mismo sitio los valores de Y, y los de X, se
sustituyen por los términos independientes, y luego se calcula la determinante.
3. Buscar a y para eso se quedan en el mismo sitio los valores de X, y los de Y, se
sustituyen por los términos independientes, y luego se calcula la determinante.
4. x
xs
, de esta forma encontramos el valor de la incógnita X.
5. y
ys
y aquí la de Y.
Ejemplo: Resolver el siguiente sistema de ecuaciones 4 2 14
3 7
x y
x y
1) Buscando a 4 2
141 3
s
2) Luego encontramos a 14 2
42 14 287 3
x
3) Mientras que 4 14
28 14 421 7
y
4) Por lo que 42
314
yy
s
y 28
214
xx
s
Página | 8
5) Solución: 2^ 3x y
2 0
4 10
5 3 14
Resolviendo
Ejemplo 2 : Resolver el siguiente si
este sistema por el metodo de Cramm
stema compatibl
er tenemos que:
1 2 1 0
0 1 4 10
5 0
e determi
3 14
nado
x y z
y z
x z
s
1 2 1
0 1 4 3 40 0 5 0 0 43 5 38
5 0 3
0 2 1
10 1 4 0 112 0 14 0 60 112 74 38
14 0 3
1 0 1
0 10 4 30 0 0 50 0 56 30 106 76
5 14 3
1 2 0
0 1 10 14 100 0 0 0 0 114
5 0 14
x
y
z
xx
38
138
762
38
1143
38
solución:
1; 2;
3
s
yy
s
zz
s
x y z
Página | 9
5. Método gráfico
Para este método solamente enfocaremos los sistemas de m
ecuaciones con dos incógnitas. Cuya solución será la intercepción
que hay en las diferentes gráficas.
Resolver los siguientes sistemas de ecuaciones
a)
2 0
3
x y
x y
Si localizamos los intercepto de cada grafica o dos puntos cualesquiera
podremos hacer el grafico y ver rápidamente la intercepción.
2 (0,0);(2,4
3 (0,3);(3,0)
y x
y x
Como vemos la intersección de las gráficas es x= 1 ^ y=2 esa es la solución del
sistema.
x
yy = 2x
y = 3-x
Página | 10
Ejemplo 2 : Resolver el siguiente sistema compatible determinado
por el método gráfico.
4 11
2x
Despejándo la variable en cada ecuación y luego asi
3 9
-
gnando valores
obtendremos que las
5y 2
y
x y
y
x
graficas se cortarán en un mismo punto, si se desea
se pueden buscar interceptos, El punto en comun es la solución del sistema
Haciendo las gráficas se obtiene:
Haciendo un análisis veremos que es un sistema compatible determinado cuya solución es el
punto de intersección (3, 1). Es el punto en común de las graficas.
Página | 11
6. Método de Gauss por medio de (Reducción) o matriz
aumentada.
Antes de entrar en materia con este método es necesario que el lector
recuerde lo que es una combinación lineal y cuando dos vectores son
linealmente dependientes e independientes.
Una Combinación lineal de dos o más vectores: Es el vector que se
obtiene al sumar dos vectores multiplicados por escalares. Podemos ver que
dados los vectores ^u v y los escalares , , entonces el vector u v es
una combinación lineal de ^u v .
En álgebra lineal, un conjunto de vectores es linealmente independiente si
ninguno de ellos puede ser escrito como una combinación lineal de los
restantes. Por ejemplo, en R3, los vectores (1, 0, 0), (0, 1, 0) y (0, 0, 1) son
linealmente independientes, mientras que (2, −1, 1), (1, 0, 1) y (3, −1, 2)
no lo son, ya que el tercero es la suma de los dos primeros.
Ahora ya se esta preparados para empezar a trabajar con este método de
resolución de ecuaciones por lo que dado un sistema de "m" ecuaciones con
"n" incógnitas se trata de obtener un sistema equivalente cuya 1ª ecuación
tenga n incógnitas, la segunda n-1, la tercera n-2, y así sucesivamente
hasta llegar a la última ecuación, que tendrá una sola incógnita. Hecho esto,
se resuelve la última ecuación, a continuación la penúltima, y así hasta
llegar a la primera. Es decir, el método de Gauss consiste en triangular
superiormente la matriz de coeficientes. Siempre debemos tratar de que el
coeficiente de la variable de la primera ecuación sea la unidad.
Recodar que para trabajar con los vectores (filas, renglones o columnas)
cuando se vaya a hacer cero los elementos por debajo de la diagonal
secundaria hagamos la combinación utilizando las filas que indique el
subíndice donde se vaya a hacer cero, es decir, que si se v a a hacer cero el
elemento 31a se debe combinar la fila 3 y la 1 a través de operaciones
matemáticas para así obtener otro vector o fila.
Página | 12
Ejemplo 1: Resolver el siguiente sistema de ecuaciones por el método de
gauss2 3 8
5 6 7
x y
x y
a) Si se forma la matriz aumentada será con los coeficientes de las
variables por lo que
2 3 8
5 6 7
Tiene esta forma
11 12
21 22
8
7
a a
a a
b) Ahora se realiza la búsqueda de ceros a la izquierda de la línea
trabajando con las celdas, solo que como la matriz es de orden 2*2 solo se hará un cero que estará ubicado en 21a .
2 2 121 2 5
2 3 8
5 6 7F F Fa
al operar obtenemos
2 3 8
0 27 54
c) Volviendo a reponer las variables tenemos que 2 3 8
0 27 54
x y
y
resolviendo ahora tenemos que 54
227
y buscando el valor de la otra
variable 2
2 3 8 2 3(2) 8 12
x y x x por lo tanto 1^ 2x y
Ejemplo 2: Resolver el siguiente sistema por el método de Gauss.
4 2 2 4
6 2 4 18
2 4 10 10
x y z
x y z
x y z
a) forma la matriz aumentada.
4 2 2 4
6 2 4 18
2 4 10 10
Página | 13
b) Realizar la búsqueda de ceros a la izquierda de la línea intermitente, en
las celdas correspondientes a31 21 32, ,a a a
11
31 3 3 1
22 21 2 2 1
33
32 3 3 2
2 4 2 2 4 2 1 1 2 2
6 2 4 18 3 1 2 9 2 32
2 4 10 10 1 2 5 5
2
2 1 1 2 2 1 1 25 3
0 5 7 12 0 5 7 12
0 3 11 8 0 0 76 76
FF
a F F FF
F a F F F
FF
a F F F
c) el sistema ha quedado de esta forma
2 2
5 7 12
76 76
x y z
y z
z
Buscando a z tenemos que 76 76 1z z
Ahora resolviendo en la 2da
5 7 12 5 7( 1) 12
12 7 51
5 5
y z y
y
Para x obtendremos 2 2
2 1 1 2 2 4 2
x y z
x x x
d) Solución: 2, 1, 1x y z
Página | 14
7. Método de Gauss- Jordán.
Es una variante del método de Gauss, y resulta ser más simple al final del
proceso, ya que no es preciso despejar las variables pues la solución se
obtiene directamente.
Este método se basa en diagonalizar la matriz de coeficientes,
triangularizarla inferior y superiormente, es decir, hacerla cero tanto por
arriba como por abajo y se obtendrá el resultado en la diagonal principal.
Ejemplo 1: Resolver el siguiente sistema de ecuaciones por el método de
Gauss-Jordan.
4 2 2 4
6 2 4 18
2 4 10 10
x y z
x y z
x y z
a) forma la matriz aumentada.
4 2 2 4
6 2 4 18
2 4 10 10
b) Realizar la búsqueda de ceros a la izquierda de la línea intermitente, en
las celdas correspondientes a 31 21 32 13 23, 12, , , ,a a a a a a .
11
31 3 3 1
22 21 2 2 1
33
332 3 3 2 3
2 4 2 2 4 2 1 1 2 2
6 2 4 18 3 1 2 9 2 32
2 4 10 10 1 2 5 5
2
2 1 1 2 2 1 1 25 3
0 5 7 12 0 5 7 12 76
0 3 11 8 0 0 76 76
2 1 1
0
FF
a F F FF
F a F F F
FF
Fa F F F F
12 1 2 1
13 1 3 1
23 2 3 2
2 2 1 0 3 55 7 12 0 5 0 5
70 0 1 1 0 0 1 1
10 0 0 20
0 5 0 5
0 0 1 1
a F F Fa F F F
a F F F
Página | 15
c) Como ya tenemos la matriz diagonal ahora la convertimos en escalar
unidad.
11
22
10 0 0 20 1 0 0 210
0 5 0 5 0 1 0 1
0 0 1 1 0 0 1 15
FF
FF
d) La solución es: 2, 1, 1x y z
Ejercicio para el estudiante 2: Resolver por Gauss-Jordan
X Y Z 11
2X Y Z 5
3X 2Y Z 24
sabiendo que el resultado es: x=4; y=5; w= 2
RESOLUCIÓN DE SISTEMAS ECUACIONES NO LINEALES.
Usualmente este tipo de ecuaciones se resuelven por el método de
sustitución. Vamos a ilustrarnos con un ejemplo.
8) Método de Sustitución para sistemas no lineales
Resuelve el sistema 2 4
3
x y
xy
a) Despejando Y en la Ec.2 3
yx
luego sustituimos en la ec1 y operamos
2 2 334 4 4 3 0x y x x x
x
Realizando por Paolo Ruffini veremos que ésta ecuación solo tiene una raíz
real x=-1.
Sustituyéndola en la otra ecuación para encontrar el valor de la incógnita y
obtendremos
3 ( 1) 3 3xy y y 1^ 3x y
Página | 16
9) Sistemas de ecuaciones exponenciales
Un sistema de ecuaciones exponenciales es aquel sistema en los que las
incógnitas aparecen en los exponentes. Lo que hay que hacer es eliminar las
bases y resolverlo de formas anteriormente visto.
Pasos para resolver un sistema:
a) Igualar los exponentes si los dos miembros tienen potencias con la misma base.
b) Cuando en el sistema no se puedan eliminar directamente las bases, se hace cambio de variables.
Ejemplo 1: Resolver el sistema 4 2 14
2 4 2
5 5
5 5
x y
x y
Eliminando la base tenemos que quedarán los exponentes.4 2 14
2 4 2
x y
x y
Resolviendo el sistema tenemos que x=3 ^ y=1.
Ejemplo 2: Buscar la solución de1
1
4 10 3
4 10 26
x y
x y
Haciendo un cambio de bases tenemos que 4 ^ 10x ym n
Arreglando la ecuación 1
4 10 34
4 (10)10 26
x y
x y
y sustituyendo 1
4 10 34
4 (10)10 26
x y
x y
Resolviendo el sistema por un método anterior obtendremos que
16 ^ 1m n , como ya sabemos que 4 ^ 10x ym n y que 16 ^ 1m n .
Ahora sustituimos y nos quedará 4 16 ^10 1x y , resolviendo estas ecuaciones
exponenciales 2 ^ 0x y . La prueba queda a consideración del lector.
Página | 17
10) Sistemas de ecuaciones logarítmicas
Los sistemas de ecuaciones logarítmicas se resuelven esencialmente igual
que las ecuaciones exponenciales, actuando sobre cada ecuación igual que
hemos hecho y resolviendo el sistema (ya sin logaritmos que se obtenga).
2log 5log 4
log log 5
Resolviendo por el m todo de reducci n tenemos que
2log 5log 4 2 log 5log 4
5log 5log 25 log log 5
Ejemp
lo 1: Resolver
7 log 21
x y
x y
é ó
x y x y
x yx y
x
3
log 3
10 1000
Sustituyendo en la ecu. II
log log 5 log1000 log 5
log 2 100 1000
x
x
x y y
y xy
^ 0 10y
2 21
log log 1
Podemos observar que la primera ecuaci n es lineal y la
segunda eslogar tmica por lo tanto debemos llevar una a
la otra, rec
Ejemplo 2. Resolve
omendable es llevar la logar tmic
rm n
m n
ó
í
lo í
a a lineal.
log 1 10 10
Sustituyendo en la ecuaci n 1.
log 1 10 10
2(10 ) 21 20 21 1
Sustituyendo n 1 en la ecuaci n II
log log 1 log log1
10 ^
1
log 1 1 10
m mm n
n n
ó
m
m mm n
n n
n n n n n
ó
m n m
m m n
Página | 18
ACTIVIDADES.
CON LA CALCULADORA REVISAR ESTOS SISTEMAS DE ECUACIONES
1. Resuelve por el método de sustitución los siguientes sistemas de
ecuaciones.
a) 3w 2z 13
2w 6z 16
b)
9m 3n 8w 16
3m 3n- 14
8m n 4 3
w
w
c) 15u 5v 5
3u v 3
2. Resuelva los siguientes sistemas de ecuaciones por el método de
igualación:
a)
3 y 11
510x 38
3
x
y
b)
1 x y - 0
2
133 7 0
2x y
c)
x – 6y – 4z 79
2x 3y 5z 62
3x 9y 20z 4
Página | 19
3. Resuelve los siguientes sistemas de ecuaciones utilizando el método de
reducción:
a) 4x 2y 34
2x 16y 102
b)
x 2y 3z 23
5x – 6y z 3
3x 7y – 8z 25
c) 3x 10y 20
2x 12y 16
4. Resuelve los siguientes sistemas de ecuaciones utilizando el método de
Cramer:
a) 2 4 12
5 6 18
x y
x y
b) 13 9 5
4 36 10
x y
x y
c)
x - 6y z 10
x – y 4z 8
3x 4y – z 4
Página | 20
5. Resolver los siguientes sistemas de ecuaciones por el método de Gauss.
a) 3 7
2 4 6
x y
x y
b) 3 2 2
5 8 60
x y
x y
c)
4 2 3
3 4 2 1
5 3
8
2
a b c
a b
a b c
c
d)
2 8 2 1
4 10 14 18
6 4 2 2
2
a b c
a b c
a b c
Página | 21
6. Resolver los siguientes sistemas de ecuaciones por el método de Gauss-
Jordán.
a) 3 4 14
2 6
x y
x y
b) 2 2 5
5
–
7
x 6y z 1
x y z
x y z
c)
4 3 11
3 4 24
2 4 2
x y z
x y z
x y z
La educación necesita tanto de formación técnica, científica y profesional, como
de sueños y utopías. Freire
Página | 22
Bibliografía
Morel Roberto, Ventura Eduardo (2008); Matemática Superior I. Santo
Domingo Rep. Dom: Universidad Católica de santo Domingo.
Sobel Max; Lerner Norbert, (2006). Precálculo. 6ta edición, México: editora Pearson Educación.
Baldor Aurelio, (1994). Algebra. Undécima edición, México: editora Codice
América, S.A.
Santillana I. serie umbral, (educación media).
(2001), 1ra edición, Rep.Dom: Editora Santillana
Demana; Waits; Foley; Kennedy y Blitzer. Matemáticas universitarias introductorias con nivelador mathlab. (2009), 1ra edición, México: Editora
Pearson Educación. 448 pag.
Peña Geraldino, Rafael. Matemática Básica Superior, (2005), 4ta edición,
República Dominicana. Editorial Antillanas.
Ecuaciones lineales y cuadráticas http://www.vitutor.com/ecuaciones
Historia de las matrices http://es.wikipedia.org/wiki/Matriz_28matem
http://es.wikipedia.org/wiki/Camille_Jordan
http://www.vitutor.com/al/log/se_e.html para el cuaderno de trabajo.
Sistema de ecuaciones logarítmicas en http://www.vitutor.net
Revisado el 24 de abril 2012.
Prof. Wilton Oltmanns
Página | 23