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Discusión de sistemas
Problema
2024 · Extraordinaria · Reserva
6
Examen

Considera el sistema

(523202321)(xyz)=m(xyz)\begin{pmatrix} 5 & -2 & -3 \\ 2 & 0 & -2 \\ 3 & -2 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = m \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix}
a) Determina los valores de mm para los que el sistema es compatible indeterminado.b) Para m=2m = 2 resuelve el sistema, si es posible.
Sistemas linealesAutovaloresDiscusión de sistemas
Resolución de sistema de ecuaciones lineales

El sistema dado puede expresarse como una ecuación matricial de la forma (AmI)X=0(A - mI)X = 0, donde II es la matriz identidad. Agrupando los términos en el primer miembro, obtenemos:

(5m232m2321m)(xyz)=(000)\begin{pmatrix} 5-m & -2 & -3 \\ 2 & -m & -2 \\ 3 & -2 & -1-m \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}
a) Determina los valores de mm para los que el sistema es compatible indeterminado.

Al tratarse de un sistema homogéneo, siempre es compatible (admite al menos la solución trivial x=y=z=0x=y=z=0). Para que sea compatible indeterminado, el determinante de la matriz de coeficientes debe ser nulo:

AmI=5m232m2321m=0|A - mI| = \begin{vmatrix} 5-m & -2 & -3 \\ 2 & -m & -2 \\ 3 & -2 & -1-m \end{vmatrix} = 0

Calculamos el determinante aplicando la regla de Sarrus:

AmI=(5m)(m)(1m)+(2)(2)(3)+(3)(2)(2)[3(m)(3)+(2)(2)(5m)+(1m)(2)(2)]|A - mI| = (5-m)(-m)(-1-m) + (-2)(-2)(3) + (-3)(2)(-2) - [3(-m)(-3) + (-2)(-2)(5-m) + (-1-m)(2)(-2)]
AmI=(5m+m2)(1m)+12+12[9m+204m+4+4m]|A - mI| = (-5m+m^2)(-1-m) + 12 + 12 - [9m + 20 - 4m + 4 + 4m]
AmI=(5m+5m2m2m3)+24(9m+24)=m3+4m24m|A - mI| = (5m + 5m^2 - m^2 - m^3) + 24 - (9m + 24) = -m^3 + 4m^2 - 4m

Igualamos el resultado a cero para hallar los valores de mm:

m3+4m24m=0    m(m24m+4)=0    m(m2)2=0-m^3 + 4m^2 - 4m = 0 \implies -m(m^2 - 4m + 4) = 0 \implies -m(m-2)^2 = 0

Las soluciones son m=0m = 0 y m=2m = 2. Por lo tanto, el sistema es compatible indeterminado para estos valores.

b) Para m=2m = 2 resuelve el sistema, si es posible.

Sustituyendo m=2m = 2 en la matriz del sistema:

(323222323)(xyz)=(000)\begin{pmatrix} 3 & -2 & -3 \\ 2 & -2 & -2 \\ 3 & -2 & -3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}

Observamos que la primera y la tercera fila son iguales, por lo que podemos eliminar una de ellas. El sistema queda reducido a:

{3x2y3z=02x2y2z=0\begin{cases} 3x - 2y - 3z = 0 \\ 2x - 2y - 2z = 0 \end{cases}

Simplificamos la segunda ecuación dividiendo entre 22 para obtener xyz=0x - y - z = 0, de donde despejamos yy:

y=xzy = x - z

Sustituimos esta expresión en la primera ecuación:

3x2(xz)3z=0    3x2x+2z3z=0    xz=0    x=z3x - 2(x - z) - 3z = 0 \implies 3x - 2x + 2z - 3z = 0 \implies x - z = 0 \implies x = z

Si x=zx = z, entonces y=zz=0y = z - z = 0. Parametrizando con z=λz = \lambda:

{x=λy=0z=λλR\begin{cases} x = \lambda \\ y = 0 \\ z = \lambda \end{cases} \quad \forall \lambda \in \mathbb{R}