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Sistemas con parámetros
Problema
2021 · Ordinaria · Titular
5
Examen

Considera el siguiente sistema de ecuaciones lineales

{mx+2y−z=15x−4y+2z=0x+3my=m+25\begin{cases} mx + 2y - z = 1 \\ 5x - 4y + 2z = 0 \\ x + 3my = m + \frac{2}{5} \end{cases}
a) Discute el sistema según los valores de mm.b) Resuelve el sistema para m=0m = 0. ¿Hay alguna solución en la que x=0x = 0? En caso afirmativo, calcúlala. En caso negativo, justifica la respuesta.
Teorema de Rouché-FrobeniusSistemas con parámetrosCramer
a) Discusión del sistema según los valores de mm.

La matriz de coeficientes AA y la matriz ampliada (A∣B)(A|B) del sistema son:

A=(m2−15−4213m0),(A∣B)=(m2−1∣15−42∣013m0∣m+25)A = \begin{pmatrix} m & 2 & -1 \\ 5 & -4 & 2 \\ 1 & 3m & 0 \end{pmatrix}, \quad (A|B) = \begin{pmatrix} m & 2 & -1 & | & 1 \\ 5 & -4 & 2 & | & 0 \\ 1 & 3m & 0 & | & m + \frac{2}{5} \end{pmatrix}

Calculamos el determinante de la matriz de coeficientes AA:

det⁡(A)=m∣−423m0∣−2∣5210∣+(−1)∣5−413m∣\det(A) = m \begin{vmatrix} -4 & 2 \\ 3m & 0 \end{vmatrix} - 2 \begin{vmatrix} 5 & 2 \\ 1 & 0 \end{vmatrix} + (-1) \begin{vmatrix} 5 & -4 \\ 1 & 3m \end{vmatrix}
det⁡(A)=m(0−6m)−2(0−2)−1(15m−(−4))\det(A) = m(0 - 6m) - 2(0 - 2) - 1(15m - (-4))
det⁡(A)=−6m2+4−15m−4\det(A) = -6m^2 + 4 - 15m - 4
det⁡(A)=−6m2−15m=−3m(2m+5)\det(A) = -6m^2 - 15m = -3m(2m + 5)

Igualamos el determinante a cero para encontrar los valores críticos de mm:

−3m(2m+5)=0  ⟹  m=0o2m+5=0  ⟹  m=−52-3m(2m + 5) = 0 \implies m = 0 \quad \text{o} \quad 2m + 5 = 0 \implies m = -\frac{5}{2}

Discutimos el sistema según estos valores:Caso 1: Si m≠0m \neq 0 y m≠−52m \neq -\frac{5}{2}.En este caso, det⁡(A)≠0\det(A) \neq 0, lo que implica que el rango de AA es 3 (rg(A)=3\text{rg}(A) = 3). Como el número de incógnitas es 3 y el rango de la matriz ampliada no puede ser mayor que el de la matriz de coeficientes, entonces rg(A∣B)=3\text{rg}(A|B) = 3. Por el Teorema de Rouché-Frobenius, el sistema es compatible determinado (tiene una única solución).Caso 2: Si m=0m = 0.Sustituimos m=0m = 0 en las matrices AA y (A∣B)(A|B):

A=(02−15−42100),(A∣B)=(02−1∣15−42∣0100∣25)A = \begin{pmatrix} 0 & 2 & -1 \\ 5 & -4 & 2 \\ 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}, \quad (A|B) = \begin{pmatrix} 0 & 2 & -1 & | & 1 \\ 5 & -4 & 2 & | & 0 \\ 1 & 0 & 0 & | & \frac{2}{5} \end{pmatrix}

Ya sabemos que det⁡(A)=0\det(A) = 0, así que rg(A)<3\text{rg}(A) < 3. Consideramos el menor de orden 2 de AA formado por las filas 2 y 3 y las columnas 1 y 2:

∣5−410∣=5⋅0−(−4)⋅1=4≠0\begin{vmatrix} 5 & -4 \\ 1 & 0 \end{vmatrix} = 5 \cdot 0 - (-4) \cdot 1 = 4 \neq 0

Por lo tanto, rg(A)=2\text{rg}(A) = 2. Ahora, para el rango de la matriz ampliada (A∣B)(A|B), consideramos el determinante del menor de orden 3 que incluye la columna de términos independientes (columnas 1, 2 y 4):

∣0215−401025∣=0−2(5⋅25−0⋅1)+1(5⋅0−(−4)⋅1)\begin{vmatrix} 0 & 2 & 1 \\ 5 & -4 & 0 \\ 1 & 0 & \frac{2}{5} \end{vmatrix} = 0 - 2(5 \cdot \frac{2}{5} - 0 \cdot 1) + 1(5 \cdot 0 - (-4) \cdot 1)
=−2(2)+1(4)=−4+4=0= -2(2) + 1(4) = -4 + 4 = 0

Dado que det⁡(A)=0\det(A)=0 y el menor de orden 3 formado por las columnas 1, 2 y 4 también es cero, y el menor formado por las columnas 1, 3 y 4 también resulta ser cero (verificación no mostrada), entonces rg(A∣B)=2\text{rg}(A|B) = 2. Como rg(A)=rg(A∣B)=2<3\text{rg}(A) = \text{rg}(A|B) = 2 < 3 (número de incógnitas), el sistema es compatible indeterminado (tiene infinitas soluciones).Caso 3: Si m=−52m = -\frac{5}{2}.Sustituimos m=−52m = -\frac{5}{2} en las matrices AA y (A∣B)(A|B):

A=(−522−15−421−1520),(A∣B)=(−522−1∣15−42∣01−1520∣−2110)A = \begin{pmatrix} -\frac{5}{2} & 2 & -1 \\ 5 & -4 & 2 \\ 1 & -\frac{15}{2} & 0 \end{pmatrix}, \quad (A|B) = \begin{pmatrix} -\frac{5}{2} & 2 & -1 & | & 1 \\ 5 & -4 & 2 & | & 0 \\ 1 & -\frac{15}{2} & 0 & | & -\frac{21}{10} \end{pmatrix}

Ya sabemos que det⁡(A)=0\det(A) = 0, así que rg(A)<3\text{rg}(A) < 3. Consideramos el menor de orden 2 de AA formado por las filas 1 y 3 y las columnas 1 y 2:

∣−5221−152∣=(−52)(−152)−2⋅1=754−2=674≠0\begin{vmatrix} -\frac{5}{2} & 2 \\ 1 & -\frac{15}{2} \end{vmatrix} = (-\frac{5}{2})(-\frac{15}{2}) - 2 \cdot 1 = \frac{75}{4} - 2 = \frac{67}{4} \neq 0

Por lo tanto, rg(A)=2\text{rg}(A) = 2. Ahora, para el rango de la matriz ampliada (A∣B)(A|B), consideramos el determinante del menor de orden 3 que incluye la columna de términos independientes (columnas 1, 2 y 4):

∣−52215−401−152−2110∣=−52(−4(−2110)−0)−2(5(−2110)−0)+1(5(−152)−(−4)(1))\begin{vmatrix} -\frac{5}{2} & 2 & 1 \\ 5 & -4 & 0 \\ 1 & -\frac{15}{2} & -\frac{21}{10} \end{vmatrix} = -\frac{5}{2}(-4(-\frac{21}{10}) - 0) - 2(5(-\frac{21}{10}) - 0) + 1(5(-\frac{15}{2}) - (-4)(1))
=−52(8410)−2(−10510)+1(−752+4)= -\frac{5}{2}(\frac{84}{10}) - 2(-\frac{105}{10}) + 1(-\frac{75}{2} + 4)
=−21−(−21010)+(−752+82)= -21 - (-\frac{210}{10}) + (-\frac{75}{2} + \frac{8}{2})
=−21+21−672=−672≠0= -21 + 21 - \frac{67}{2} = -\frac{67}{2} \neq 0

Por lo tanto, rg(A∣B)=3\text{rg}(A|B) = 3. Como rg(A)=2≠rg(A∣B)=3\text{rg}(A) = 2 \neq \text{rg}(A|B) = 3, el sistema es incompatible (no tiene solución).

b) Resolución del sistema para m=0m = 0. ¿Hay alguna solución en la que x=0x = 0?

Para m=0m = 0, el sistema de ecuaciones lineales es:

{0x+2y−z=15x−4y+2z=0x+3(0)y=0+25\begin{cases} 0x + 2y - z = 1 \\ 5x - 4y + 2z = 0 \\ x + 3(0)y = 0 + \frac{2}{5} \end{cases}
{2y−z=1(1)5x−4y+2z=0(2)x=25(3)\begin{cases} 2y - z = 1 \quad (1) \\ 5x - 4y + 2z = 0 \quad (2) \\ x = \frac{2}{5} \quad (3) \end{cases}

De la ecuación (3) obtenemos directamente el valor de xx:

x=25x = \frac{2}{5}

Sustituimos x=25x = \frac{2}{5} en la ecuación (2):

5(25)−4y+2z=05\left(\frac{2}{5}\right) - 4y + 2z = 0
2−4y+2z=02 - 4y + 2z = 0
1−2y+z=01 - 2y + z = 0
2y−z=1(4)2y - z = 1 \quad (4)

Observamos que la ecuación (4) es idéntica a la ecuación (1). Esto significa que tenemos un sistema con menos ecuaciones linealmente independientes que incógnitas, lo que corresponde a un sistema compatible indeterminado. De la ecuación 2y−z=12y - z = 1, podemos expresar zz en función de yy:

z=2y−1z = 2y - 1

Si tomamos y=λy = \lambda, donde λ∈R\lambda \in \mathbb{R}, las soluciones del sistema para m=0m = 0 son:

{x=25y=λz=2λ−1\begin{cases} x = \frac{2}{5} \\ y = \lambda \\ z = 2\lambda - 1 \end{cases}

¿Hay alguna solución en la que x=0x = 0? De la solución general obtenida para m=0m=0, el valor de xx es x=25x = \frac{2}{5}. Dado que 25≠0\frac{2}{5} \neq 0, no existe ninguna solución en la que x=0x = 0 para este valor de mm.