LL3_Sistemes d'equacions II

lloc: Cursos IOC - Batxillerat
Curs: Matemàtiques aplicades a les C. socials II (Bloc 1) ~ gener 2020
Llibre: LL3_Sistemes d'equacions II
Imprès per: Usuari convidat
Data: dimecres, 26 de juny 2024, 10:02

Descripció

Dubtes freqüents Sistemes d'equacions

1. Classificació d'un sistema d'equacions: Teorema de Rouché-Frobenius

Donem un criteri per classificar un sistema d'equacions lineals.

Donat un sistema d'equacions lineals, sigui

    M la matriu associada al sistema

    M' la matriu ampliada

Donem un criteri per classificar un sistema d'equacions lineals.

Teorema de Rouché-Frobenius:

envoltori caixa per Si negreta espai bold italic r bold italic a bold italic n bold italic g negreta espai negreta M negreta espai negreta no igual negreta espai bold italic r bold italic a bold italic n bold italic g negreta espai negreta M negreta apòstrof espai fletxa doble dreta espai sistema negreta espai negreta incompatible
per Si espai bold italic r bold italic a bold italic n bold italic g negreta espai negreta M negreta espai negreta igual bold italic r bold italic a bold italic n bold italic g negreta espai negreta M negreta apòstrof igual normal r espai espai fletxa doble dreta obre claus taula atributs alineació columna left fin atributs fila cel·la Si negreta espai negreta r negreta igual negreta nombre negreta espai negreta d negreta apòstrof negreta incògnites espai espai fletxa doble dreta espai negreta compatible negreta espai negreta determinat espai fi cel·la fila cel·la Si espai negreta r negreta menor que negreta nombre negreta espai negreta d negreta apòstrof negreta incògnites espai espai fletxa doble dreta espai negreta compatible negreta espai negreta indeterminat fi cel·la fi taula tanca fi envoltori
 Exemples:   

Exemple espai 1

Classifiqueu el sistema: 

obre taula fila cel·la x menys 2 y més 3 z igual 3 fi cel·la fila cel·la 2 x més y menys z igual 1 fi cel·la fila cel·la menys x menys 3 y més 4 z igual menys 1 fi cel·la fi taula tanca claus

Esglaonem la matriu ampliada per tal de calcular els rangs de la matriu associada i de l'ampliada: 

 obre parèntesis envoltori per la dreta taula fila 1 cel·la menys 2 fi cel·la 3 fila 2 1 cel·la menys 1 fi cel·la fila cel·la menys 1 fi cel·la cel·la menys 3 fi cel·la 4 fi taula fi envoltori taula fila 3 fila 1 fila cel·la menys 1 fi cel·la fi taula tanca parèntesis fletxa dreta espai espai taula fila blank fila cel·la menys negreta 2 f subíndex 1 més f subíndex 2 espai fi subíndex fi cel·la fila cel·la negreta espai negreta espai negreta espai f subíndex 1 més f subíndex 3 fi cel·la fi taula espai obre parèntesis envoltori per la dreta taula fila 1 cel·la menys 2 fi cel·la 3 fila 0 5 cel·la menys 7 fi cel·la fila 0 cel·la menys 5 fi cel·la 7 fi taula fi envoltori taula fila 3 fila cel·la menys 5 fi cel·la fila 2 fi taula tanca parèntesis espai espai espai espai fletxa dreta espai espai espai espai taula fila blank fila blank fila cel·la f subíndex 2 més f subíndex 3 fi cel·la fi taula espai espai obre parèntesis envoltori per la dreta taula fila 1 cel·la menys 2 fi cel·la 3 fila 0 5 cel·la menys 7 fi cel·la fila 0 0 0 fi taula fi envoltori taula fila 3 fila cel·la menys 5 fi cel·la fila cel·la menys 3 fi cel·la fi taula tanca parèntesis espai

Recordem que el rang d'una matriu, un cop esglaonada, és el nombre de files no nul·les:

   obre taula atributs alineació columna right fin atributs fila cel·la rang espai normal M igual 2 espai fi cel·la fila cel·la rang espai normal M apòstrof igual 3 fi cel·la fi taula tanca claus espai fletxa doble dreta espai negreta espai negreta Sistema negreta espai negreta incompatible espai

Exemple espai 2

Classifiqueu el sistema: 

obre taula fila cel·la x menys 2 y més 3 z igual 3 fi cel·la fila cel·la 2 x més y menys z igual 1 fi cel·la fila cel·la menys x menys 3 y més 4 z igual 2 fi cel·la fi taula tanca claus

Esglaonem la matriu ampliada per tal de calcular els rangs de la matriu associada i de l'ampliada: 

 obre parèntesis envoltori per la dreta taula fila 1 cel·la menys 2 fi cel·la 3 fila 2 1 cel·la menys 1 fi cel·la fila cel·la menys 1 fi cel·la cel·la menys 3 fi cel·la 4 fi taula fi envoltori taula fila 3 fila 1 fila 2 fi taula tanca parèntesis fletxa dreta espai espai taula fila blank fila cel·la menys negreta 2 f subíndex 1 més f subíndex 2 espai fi subíndex fi cel·la fila cel·la negreta espai negreta espai negreta espai f subíndex 1 més f subíndex 3 fi cel·la fi taula espai obre parèntesis envoltori per la dreta taula fila 1 cel·la menys 2 fi cel·la 3 fila 0 5 cel·la menys 7 fi cel·la fila 0 cel·la menys 5 fi cel·la 7 fi taula fi envoltori taula fila 3 fila cel·la menys 5 fi cel·la fila 5 fi taula tanca parèntesis espai espai espai espai fletxa dreta espai espai espai espai taula fila blank fila blank fila cel·la f subíndex 2 més f subíndex 3 fi cel·la fi taula espai espai obre parèntesis envoltori per la dreta taula fila 1 cel·la menys 2 fi cel·la 3 fila 0 5 cel·la menys 7 fi cel·la fila 0 0 0 fi taula fi envoltori taula fila 3 fila cel·la menys 5 fi cel·la fila 0 fi taula tanca parèntesis espai

Recordem que el rang d'una matriu, un cop esglaonada, és el nombre de files no nul·les:

   obre taula atributs alineació columna right fin atributs fila cel·la rang espai normal M igual 2 espai fi cel·la fila cel·la rang espai normal M apòstrof igual 2 fi cel·la fi taula tanca claus espai fletxa doble dreta espai negreta espai Sistema espai compatible


     i el nombre de incógnites, x, y, z és 3  

   Per tant: 

     rango 2 < 3 nombre incógnites      Sistema compatible indeterminat

2. Canvi de files o columnes en la matriu associada a un sistema d'equacions.

En la matriu associada a un sistema podem canviar l'ordre de les files sense cap repercussió (ja que l'ordre de les equacions en un sistema és irrellevant, si canviem d'ordre les equacions obtenim un sistema equivalent, és a dir, amb les mateixes solucions).

Si ens interessa també podem canviar l'ordre de les columnes però al fer això hem de pensar que estem canviat les incògnites que hi ha en cada columna. Vull dir, si per exemple tenim el sistema d'equacions: 

\left. \begin{array}{l}5x + y + z = 1\\3x + 2y + z = - 2\\2x + y = 1\\ \end{array}\right\}

La seva matriu associada és:

\left( {\begin{array}{*{20}{c}}5 & 1 & 1 & {\left| 
{\,\,\,\,1} \right.}\\3 & 2 & 1 & {\left| { - 2}\right.}\\2 
& 1 & 0 & {\left| {\,\,\,\,1} \right.}\\\end{array}} 
\right)


Si volem fer un intercanvi de les columnes 1 i 3 ja que pensem que d'aquesta manera ens és més fàcil esglaonar la matriu, el podem fer però tenint en compte que ara en la 1a columna tindrem els coeficients de la z, i en la 3a columna els de la x (ho hem de recordar al acabar d'esglaonar):

\left( {\begin{array}{*{20}{c}}5 & 1 & 1 & {\left| 
{\,\,\,\,1} \right.}\\3 & 2 & 1 & {\left| { - 2}\right.}\\2 
& 1 & 0 & {\left| {\,\,\,\,1} \right.}\\\end{array}} 
\right)\, \to \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1 &
  1 & 5 & {\left| {\,\,\,\,1} \right.}\\1 & 2 & 3 & 
{\left| { - 2}\right.}\\0 & 1 & 2 & {\left| {\,\,\,\,1} 
\right.}\\\end{array}} \right)\, \to \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1 
& 1 & 5 & {\left| {\,\,\,\,1}
  \right.}\\0 & 1 & { - 2} & {\left| { - 3} \right.}\\0 
& 1 & 2 & {\left| {\,\,\,\,1} \right.}\\\end{array}} 
\right)\, \to \left( {\begin{array}{*{20}{c}}1 & 1 & 5 & 
{\left| {\,\,\,\,1} \right.}\\0 & 1 & { -
  2} & {\left| { - 3} \right.}\\0 & 0 & 4 & {\left| 
{\,\,\,\,4} \right.}\\\end{array}} \right)

ara al resoldre el sistema començant per l'última fila (recordem que amb el canvi fet en la 3a columna tenim les x), tenim:

4x = 4\,\,\,\, \to \,\,\,\,\,x = 1

en la 2a fila tenim:

y - 2x = - 3\,\,\,\, \to \,\,\,\,y = 2x - 3 = 2 - 3 = - 1

i finalment substituint en la 1a fila:

z + y + 5x = 1\,\,\,\, \to z = 1 - y - 5x = 1 - ( - 1) - 5\cdot1 = 2 - 5 = - 3

Observació: el canvi de columnes es pot fer entre columnes de la matriu de coeficients, no amb la columna dels termes independents de la matriu ampliada.


3. Solucions d'un sistema compatible indeterminat

Discussió i resolució de sistema compatible indeterminat.

Exemple 1

obre taula atributs alineació columna right fin atributs fila cel·la x més 2 y menys z igual 3 fi cel·la fila cel·la menys x més 3 y més 4 z igual menys 1 fi cel·la fila cel·la 2 x menys y menys 5 z igual 4 fi cel·la fi taula tanca claus fletxa doble dreta espai espai obre parèntesis taula fila 1 2 cel·la menys 1 fi cel·la 3 fila cel·la menys 1 fi cel·la 3 4 cel·la menys 1 fi cel·la fila 2 cel·la menys 1 fi cel·la cel·la menys 5 fi cel·la 4 fi taula tanca parèntesis

 Mètode de Gauss. Esglaonem: 

 espai espai obre parèntesis taula fila 1 2 cel·la menys 1 fi cel·la 3 fila cel·la menys 1 fi cel·la 3 4 cel·la menys 1 fi cel·la fila 2 cel·la menys 1 fi cel·la cel·la menys 5 fi cel·la 4 fi taula tanca parèntesis espai espai espai fletxa dreta espai espai taula fila blank fila cel·la f subíndex 2 més f subíndex 1 fi cel·la fila cel·la f subíndex 3 menys 2 f subíndex 1 fi cel·la fi taula espai obre parèntesis taula fila 1 2 cel·la menys 1 fi cel·la 3 fila 0 5 3 2 fila 0 cel·la menys 5 fi cel·la cel·la menys 3 fi cel·la cel·la menys 2 fi cel·la fi taula tanca parèntesis espai espai fletxa dreta espai taula fila blank fila blank fila cel·la f subíndex 3 més f subíndex 2 fi cel·la fi taula espai obre parèntesis taula fila 1 2 cel·la menys 1 fi cel·la 3 fila 0 5 3 2 fila 0 0 0 0 fi taula tanca parèntesis

Discussió (classificació):

(Teorema Rouché-Fröbenius)

rang matriu coeficients = rang matriu ampliada = 2 => compatible

rang = 2 < nombre d'incògnites = 3 => compatible indeterminat

les infinites solucions es poden expressar en funció d'1 paràmetre (ja que la diferència entre el nombre d'incògnites i el rang és 1)

Solució:

Començant per la 2a equació:

5 y més 3 z igual 2

agafarem z com el paràmetre λ    z= λ 

5 y més 3 lambda igual 2
5 y igual 2 menys 3 lambda
espai espai espai espai negreta espai bold italic y negreta igual fracció negreta 2 entre negreta 5 negreta menys fracció negreta 3 entre negreta 5 bold italic lambda

substituint en la 1a equació estil mida 14px x més 2 y menys z igual 3 fi estil tenim:

x més 2 obre parèntesis fracció 2 entre 5 menys fracció numerador 3 lambda entre denominador 5 fi fracció tanca parèntesis menys lambda igual 3
x més fracció 4 entre 5 menys fracció numerador 6 lambda entre denominador 5 fi fracció menys lambda igual 3
x igual 3 menys fracció 4 entre 5 més fracció numerador 6 lambda entre denominador 5 fi fracció més lambda
espai espai espai espai bold italic x negreta igual fracció negreta 11 entre negreta 5 negreta més fracció negreta 11 entre negreta 5 bold italic lambda

Per tant les solucions són

obre claus taula fila cel·la negreta x negreta igual fracció negreta 11 entre negreta 5 negreta més fracció negreta 11 entre negreta 5 negreta lambda negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai fi cel·la fila cel·la negreta y negreta igual fracció negreta 2 entre negreta 5 negreta menys fracció negreta 3 entre negreta 5 negreta lambda negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai fi cel·la fila cel·la negreta z negreta igual negreta lambda negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai negreta espai fi cel·la fi taula tanca espai espai espai espai per tot normal lambda pertany IR


(per tot lambda pertany normal nombres reals es llegeix "per a tot lambda pertanyent als reals", vol dir simplement que lambda pot ser qualsevol nombre real)

Vídeo

En aquest vídeo podeu veure la resolució d'aquest mateix exercici:  


4. Determinats d'ordre 2 o 3.

La forma més pràctica de calcular un determinant d'ordre 2 o 3 és aplicant la Regla de Sarrus. 

(recordeu que només es pot calcular el determinant d'una matriu quadrada (igual nombre de files que columnes). 

Determinant d'una matriu 2x2

  A igual obre parèntesis taula fila a b fila c d fi taula tanca parèntesis      fletxa doble dreta    obre barra vertical negreta A tanca barra vertical negreta igual obre barra vertical taula fila negreta a negreta b fila negreta c negreta d fi taula tanca barra vertical negreta igual bold italic a negreta per bold italic d negreta menys bold italic b negreta per bold italic c

  Exemple

  A igual obre parèntesis taula fila 2 3 fila cel·la menys 4 fi cel·la 5 fi taula tanca parèntesis espai espai espai fletxa doble dreta espai espai espai obre barra vertical A tanca barra vertical igual 2 per 5 menys 3 per parèntesi esquerre menys 4 parèntesi dret igual 10 més 12 igual 22

 Determinant d'una matriu 3x3  

A igual obre parèntesis taula fila cel·la a subíndex 11 fi cel·la cel·la a subíndex 12 fi cel·la cel·la a subíndex 13 fi cel·la fila cel·la a subíndex 21 fi cel·la cel·la a subíndex 22 fi cel·la cel·la a subíndex 23 fi cel·la fila cel·la a subíndex 31 fi cel·la cel·la a subíndex 32 fi cel·la cel·la a subíndex 33 fi cel·la fi taula tanca parèntesis espai taula fila cel·la espai espai espai espai espai espai espai espai fi cel·la fila blank fila blank fi taula             

 obre barra vertical A tanca barra vertical igual obre barra vertical taula fila cel·la a subíndex 11 fi cel·la cel·la a subíndex 12 fi cel·la cel·la a subíndex 13 fi cel·la fila cel·la a subíndex 21 fi cel·la cel·la a subíndex 22 fi cel·la cel·la a subíndex 23 fi cel·la fila cel·la a subíndex 31 fi cel·la cel·la a subíndex 32 fi cel·la cel·la a subíndex 33 fi cel·la fi taula tanca barra vertical igual taula fila blank fila cel·la a subíndex 11 per a subíndex 22 per a subíndex 33 més a subíndex 21 per a subíndex 32 per a subíndex 13 més a subíndex 12 per a subíndex 23 per a subíndex 31 menys fi cel·la fila cel·la menys obre claudàtors a subíndex 31 per a subíndex 22 per a subíndex 13 més a subíndex 32 per a subíndex 23 per a subíndex 11 més a subíndex 12 per a subíndex 21 per a subíndex 33 tanca claudàtors fi cel·la fi taula

Exemple: 

Calcular el determinant de la matriu obre parèntesis taula fila 2 cel·la menys 1 fi cel·la 3 fila 1 cel·la menys 4 fi cel·la 1 fila cel·la menys 3 fi cel·la 0 1 fi taula tanca parèntesis

  vídeo on podreu veure més clarament com es calcula:   

   

5. Matriu inversa

Calculem la inversa de la matriu

                            bold italic A negreta igual obre parèntesis taula fila negreta 2 cel·la negreta menys negreta 1 fi cel·la fila negreta 1 negreta 3 fi taula tanca parèntesis

Ho fem de 3 maneres diferents.

(Per matrius 3x3 seria similar però quedarà una mica més llarg d'operacions)

                                            

- Utilitzant el determinant i els adjunts de la transposada.

  Calcular la inversa de  A igual obre parèntesis taula fila 2 cel·la menys 1 fi cel·la fila 1 3 fi taula tanca parèntesis

 

  Calculem el determinant  obre barra vertical A tanca barra vertical igual 2 per 3 menys 1 per parèntesi esquerre menys 1 parèntesi dret igual 6 més 1 igual 7

  Considerem la transposada de la matriu A:     A elevat a t igual obre parèntesis taula fila 2 1 fila cel·la menys 1 fi cel·la 3 fi taula tanca parèntesis

         i la matriu d'adjunts de  A elevat a t :

                                                            obre parèntesis taula fila 3 cel·la menys parèntesi esquerre menys 1 parèntesi dret fi cel·la fila cel·la menys 1 fi cel·la 2 fi taula tanca parèntesis 

  Per tant:  

        A elevat a menys 1 fi elevat igual fracció 1 entre 7 obre parèntesis taula fila 3 1 fila cel·la menys 1 fi cel·la 2 fi taula tanca parèntesis

                       

· Plantejant un sistema d'equacions:

    Calcular la inversa de  A igual obre parèntesis taula fila 2 cel·la menys 1 fi cel·la fila 1 3 fi taula tanca parèntesis

  Volem una matriu X tal que A per X igual I

  És a dir:

                 obre parèntesis taula fila 2 cel·la menys 1 fi cel·la fila 1 3 fi taula tanca parèntesis per obre parèntesis taula fila a b fila c d fi taula tanca parèntesis igual obre parèntesis taula fila 1 0 fila 0 1 fi taula tanca parèntesis

                 obre parèntesis taula fila cel·la 2 a menys c fi cel·la cel·la 2 b menys d fi cel·la fila cel·la a més 3 c fi cel·la cel·la b més 3 d fi cel·la fi taula tanca parèntesis igual obre parèntesis taula fila 1 0 fila 0 1 fi taula tanca parèntesis espai espai espai espai espai

obre taula atributs alineació columna right fin atributs fila cel·la 2 a menys c igual 1 fi cel·la fila cel·la a més 3 c igual 0 fi cel·la fi taula tanca claus espai espai espai espai fletxa doble dreta espai espai obre taula atributs alineació columna right fin atributs fila cel·la 6 a menys 3 c igual 3 fi cel·la fila cel·la a més 3 c igual 0 fi cel·la fi taula tanca claus espai espai espai fletxa doble dreta espai espai 7 a igual 3 espai espai espai fletxa doble dreta espai a igual fracció 3 entre 7
espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai 3 c igual menys a igual menys fracció 3 entre 7 espai espai fletxa doble dreta espai espai c igual menys fracció numerador 3 entre denominador 3 per 7 fi fracció igual menys fracció 1 entre 7

                    obre parèntesis taula fila cel·la 2 a menys c fi cel·la cel·la 2 b menys d fi cel·la fila cel·la a més 3 c fi cel·la cel·la b més 3 d fi cel·la fi taula tanca parèntesis igual obre parèntesis taula fila 1 0 fila 0 1 fi taula tanca parèntesis espai espai espai espai espai

obre taula atributs alineació columna right fin atributs fila cel·la 2 b menys d igual 0 fi cel·la fila cel·la b més 3 d igual 1 fi cel·la fi taula tanca claus espai espai espai espai fletxa doble dreta espai espai obre taula atributs alineació columna right fin atributs fila cel·la 6 b menys 3 d igual 0 fi cel·la fila cel·la b més 3 d igual 1 fi cel·la fi taula tanca claus espai espai espai fletxa doble dreta espai espai 7 b igual 1 espai espai espai fletxa doble dreta espai b igual fracció 1 entre 7
espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai espai 3 d igual 1 menys b igual 1 menys fracció 1 entre 7 espai igual fracció 6 entre 7 espai fletxa doble dreta espai espai d igual fracció numerador 6 entre denominador 3 per 7 fi fracció igual fracció 2 entre 7

                    Per tant: 

                    A elevat a menys 1 fi elevat igual fracció 1 entre 7 obre parèntesis taula fila 3 1 fila cel·la menys 1 fi cel·la 2 fi taula tanca parèntesis

                                   

· Pel mètode de Gauss-Jordan

    Calcular la inversa de  A igual obre parèntesis taula fila 2 cel·la menys 1 fi cel·la fila 1 3 fi taula tanca parèntesis

  De fet és el mateix que hem fet a dalt però ho expressem en forma matricial. 

  Es tracta de plantejar la matriu ampliada formada per la matriu i la matriu identitat. És a dir:

   obre parèntesis taula fila cel·la taula fila 2 cel·la menys 1 fi cel·la fila 1 3 fi taula fi cel·la cel·la envoltori per l'esquerra espai taula fila 1 0 fila 0 1 fi taula fi envoltori fi cel·la fi taula tanca parèntesis 

   Hem de fer transformacions elementals fins que en la part esquerra ens quedi la matriu identitat: obre parèntesis taula fila 1 0 fila 0 1 fi taula tanca parèntesis 

   obre parèntesis taula fila cel·la taula fila 2 cel·la menys 1 fi cel·la fila 1 3 fi taula fi cel·la cel·la envoltori per l'esquerra espai taula fila 1 0 fila 0 1 fi taula fi envoltori fi cel·la fi taula tanca parèntesis espai espai fletxa dreta espai espai obre parèntesis taula fila cel·la taula fila 2 cel·la menys 1 fi cel·la fila 0 cel·la menys 7 fi cel·la fi taula fi cel·la cel·la envoltori per l'esquerra espai taula fila 1 0 fila 1 cel·la menys 2 fi cel·la fi taula fi envoltori fi cel·la fi taula tanca parèntesis espai espai fletxa dreta espai espai obre parèntesis taula fila cel·la taula fila cel·la menys 14 fi cel·la 0 fila 0 cel·la menys 7 fi cel·la fi taula fi cel·la cel·la envoltori per l'esquerra espai taula fila cel·la menys 6 fi cel·la cel·la menys 2 fi cel·la fila 1 cel·la menys 2 fi cel·la fi taula fi envoltori fi cel·la fi taula tanca parèntesis espai espai fletxa dreta espai espai obre parèntesis taula fila cel·la taula fila 1 0 fila 0 1 fi taula fi cel·la cel·la envoltori per l'esquerra espai taula fila cel·la 3 dividit per 7 fi cel·la cel·la 1 dividit per 7 fi cel·la fila cel·la menys 1 dividit per 7 fi cel·la cel·la 2 dividit per 7 fi cel·la fi taula fi envoltori fi cel·la fi taula tanca parèntesis

    Per tant:      

     A elevat a menys 1 fi elevat igual fracció 1 entre 7 obre parèntesis taula fila 3 1 fila cel·la menys 1 fi cel·la 2 fi taula tanca parèntesis