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Discusión de sistemas
Problema
2022 · Ordinaria · Suplente
5B
Examen
EJERCICIO 5

Considera el sistema:

{2x+3y+mz=3x+my−z=−13x+y−3z=−m\begin{cases} 2x + 3y + mz = 3 \\ x + my - z = -1 \\ 3x + y - 3z = -m \end{cases}
a) Discute el sistema según los valores de mm.b) Para m=−2m = -2 encuentra, si es posible, y0y_0 para que la solución del sistema sea x=λ,y=y0,z=λ−37x = \lambda, y = y_0, z = \lambda - \frac{3}{7}.
Rouché-FrobeniusParámetros
a) Discusión del sistema según los valores de $m$

Escribimos la matriz de coeficientes AA y la matriz ampliada A∗A^*:

A=(23m1m−131−3),A∗=(23m∣31m−1∣−131−3∣−m)A = \begin{pmatrix} 2 & 3 & m \\ 1 & m & -1 \\ 3 & 1 & -3 \end{pmatrix}, \quad A^* = \begin{pmatrix} 2 & 3 & m & | & 3 \\ 1 & m & -1 & | & -1 \\ 3 & 1 & -3 & | & -m \end{pmatrix}

Calculamos el determinante de la matriz AA:

det⁡(A)=2(−3m−(−1)(1))−3(1(−3)−(−1)(3))+m(1(1)−m(3))det⁡(A)=2(−3m+1)−3(−3+3)+m(1−3m)det⁡(A)=−6m+2−0+m−3m2det⁡(A)=−3m2−5m+2\det(A) = 2(-3m - (-1)(1)) - 3(1(-3) - (-1)(3)) + m(1(1) - m(3)) \\ \det(A) = 2(-3m + 1) - 3(-3 + 3) + m(1 - 3m) \\ \det(A) = -6m + 2 - 0 + m - 3m^2 \\ \det(A) = -3m^2 - 5m + 2

Igualamos det⁡(A)\det(A) a cero para encontrar los valores críticos de mm:

−3m2−5m+2=03m2+5m−2=0-3m^2 - 5m + 2 = 0 \\ 3m^2 + 5m - 2 = 0

Resolvemos la ecuación cuadrática:

m=−5±52−4(3)(−2)2(3)=−5±25+246=−5±496=−5±76m = \frac{-5 \pm \sqrt{5^2 - 4(3)(-2)}}{2(3)} = \frac{-5 \pm \sqrt{25 + 24}}{6} = \frac{-5 \pm \sqrt{49}}{6} = \frac{-5 \pm 7}{6}

Los valores de mm que anulan el determinante son:

m1=−5+76=26=13m2=−5−76=−126=−2m_1 = \frac{-5 + 7}{6} = \frac{2}{6} = \frac{1}{3} \\ m_2 = \frac{-5 - 7}{6} = \frac{-12}{6} = -2

Discutimos el sistema en función de estos valores:

1) Si m≠13m \neq \frac{1}{3} y m≠−2m \neq -2:

En este caso, det⁡(A)≠0\det(A) \neq 0, por lo tanto, el rango de AA es 33 (rg(A)=3\text{rg}(A) = 3). Como el número de incógnitas es 33, y rg(A)=rg(A∗)=3\text{rg}(A) = \text{rg}(A^*) = 3, el sistema es compatible determinado (tiene una única solución).

2) Si m=13m = \frac{1}{3}:

En este caso, det⁡(A)=0\det(A) = 0, por lo que rg(A)<3\text{rg}(A) < 3. Consideramos el menor de orden 22:

M=∣231m∣=2m−3M = \begin{vmatrix} 2 & 3 \\ 1 & m \end{vmatrix} = 2m - 3

Para m=13m = \frac{1}{3}, M=2(13)−3=23−3=−73≠0M = 2(\frac{1}{3}) - 3 = \frac{2}{3} - 3 = -\frac{7}{3} \neq 0. Por lo tanto, rg(A)=2\text{rg}(A) = 2.Ahora analizamos el rango de la matriz ampliada A∗A^*. Consideramos el determinante de la submatriz formada por las columnas 1, 2 y 4 de A∗A^*:

∣23311/3−131−1/3∣=2(13(−13)−(−1)(1))−3(1(−13)−(−1)(3))+3(1(1)−13(3))=2(−19+1)−3(−13+3)+3(1−1)=2(89)−3(83)+0=169−8=16−729=−569\begin{vmatrix} 2 & 3 & 3 \\ 1 & 1/3 & -1 \\ 3 & 1 & -1/3 \end{vmatrix} = 2\left(\frac{1}{3}\left(-\frac{1}{3}\right) - (-1)(1)\right) - 3\left(1\left(-\frac{1}{3}\right) - (-1)(3)\right) + 3\left(1(1) - \frac{1}{3}(3)\right) \\ = 2\left(-\frac{1}{9} + 1\right) - 3\left(-\frac{1}{3} + 3\right) + 3(1 - 1) \\ = 2\left(\frac{8}{9}\right) - 3\left(\frac{8}{3}\right) + 0 = \frac{16}{9} - 8 = \frac{16 - 72}{9} = -\frac{56}{9}

Como este determinante es distinto de cero, rg(A∗)=3\text{rg}(A^*) = 3. Dado que rg(A)=2≠rg(A∗)=3\text{rg}(A) = 2 \neq \text{rg}(A^*) = 3, el sistema es incompatible (no tiene solución).

3) Si m=−2m = -2:

En este caso, det⁡(A)=0\det(A) = 0, por lo que rg(A)<3\text{rg}(A) < 3. Usando el mismo menor de orden 22:

M=2m−3M = 2m - 3

Para m=−2m = -2, M=2(−2)−3=−4−3=−7≠0M = 2(-2) - 3 = -4 - 3 = -7 \neq 0. Por lo tanto, rg(A)=2\text{rg}(A) = 2.Ahora analizamos el rango de la matriz ampliada A∗A^*. Consideramos el determinante de la submatriz formada por las columnas 1, 2 y 4 de A∗A^*:

∣2331−2−1312∣=2((−2)(2)−(−1)(1))−3(1(2)−(−1)(3))+3(1(1)−(−2)(3))=2(−4+1)−3(2+3)+3(1+6)=2(−3)−3(5)+3(7)=−6−15+21=0\begin{vmatrix} 2 & 3 & 3 \\ 1 & -2 & -1 \\ 3 & 1 & 2 \end{vmatrix} = 2((-2)(2) - (-1)(1)) - 3(1(2) - (-1)(3)) + 3(1(1) - (-2)(3)) \\ = 2(-4 + 1) - 3(2 + 3) + 3(1 + 6) \\ = 2(-3) - 3(5) + 3(7) = -6 - 15 + 21 = 0

Como este determinante es cero, y det⁡(A)\det(A) también es cero, debemos verificar otros menores de orden 3 de A∗A^*. Consideremos el menor formado por las columnas 1, 3 y 4:

∣2−231−1−13−32∣=2((−1)(2)−(−1)(−3))−(−2)(1(2)−(−1)(3))+3(1(−3)−(−1)(3))=2(−2−3)+2(2+3)+3(−3+3)=2(−5)+2(5)+3(0)=−10+10+0=0\begin{vmatrix} 2 & -2 & 3 \\ 1 & -1 & -1 \\ 3 & -3 & 2 \end{vmatrix} = 2((-1)(2) - (-1)(-3)) - (-2)(1(2) - (-1)(3)) + 3(1(-3) - (-1)(3)) \\ = 2(-2 - 3) + 2(2 + 3) + 3(-3 + 3) \\ = 2(-5) + 2(5) + 3(0) = -10 + 10 + 0 = 0

Como todos los menores de orden 33 de A∗A^* son cero y ya tenemos un menor de orden 22 no nulo en AA (y por tanto en A∗A^*), concluimos que rg(A∗)=2\text{rg}(A^*) = 2. Dado que rg(A)=2=rg(A∗)<3\text{rg}(A) = 2 = \text{rg}(A^*) < 3 (número de incógnitas), el sistema es compatible indeterminado (tiene infinitas soluciones).

b) Cálculo de $y_0$ para $m = -2$

Para m=−2m = -2, el sistema es compatible indeterminado. Sustituimos m=−2m = -2 en el sistema original:

{2x+3y−2z=3x−2y−z=−13x+y−3z=2\begin{cases} 2x + 3y - 2z = 3 \\ x - 2y - z = -1 \\ 3x + y - 3z = 2 \end{cases}

Como el rango es 22, podemos resolverlo tomando dos ecuaciones y una incógnita como parámetro. Tomamos las dos primeras ecuaciones y hacemos z=λz = \lambda (usando λ\lambda como nuestro parámetro de la solución). Esto no es el λ\lambda del enunciado aún.

{2x+3y=3+2λx−2y=−1+λ\begin{cases} 2x + 3y = 3 + 2\lambda \\ x - 2y = -1 + \lambda \end{cases}

Multiplicamos la segunda ecuación por 22:

{2x+3y=3+2λ2x−4y=−2+2λ\begin{cases} 2x + 3y = 3 + 2\lambda \\ 2x - 4y = -2 + 2\lambda \end{cases}

Restamos la segunda ecuación de la primera:

(2x + 3y) - (2x - 4y) = (3 + 2\lambda) - (-2 + 2\lambda) \\ 7y = 3 + 2\lambda + 2 - 2\lambda \\ 7y = 5 \\ y = \frac{5}{7}

Sustituimos y=57y = \frac{5}{7} en la ecuación x−2y=−1+λx - 2y = -1 + \lambda:

x−2(57)=−1+λx−107=−1+λx=−1+107+λx=−7+107+λx=37+λx - 2\left(\frac{5}{7}\right) = -1 + \lambda \\ x - \frac{10}{7} = -1 + \lambda \\ x = -1 + \frac{10}{7} + \lambda \\ x = \frac{-7 + 10}{7} + \lambda \\ x = \frac{3}{7} + \lambda

Nuestra solución general es:

x=λ+37y=57z=λx = \lambda + \frac{3}{7} \\ y = \frac{5}{7} \\ z = \lambda

El problema nos da la solución en la forma x=λ′,y=y0,z=λ′−37x = \lambda', y = y_0, z = \lambda' - \frac{3}{7}. Para evitar confusión, llamaremos a nuestro parámetro λm\lambda_m y al del problema λp\lambda_p. Entonces nuestra solución es:

x=λm+37y=57z=λmx = \lambda_m + \frac{3}{7} \\ y = \frac{5}{7} \\ z = \lambda_m

Y la forma dada es:

x=λpy=y0z=λp−37x = \lambda_p \\ y = y_0 \\ z = \lambda_p - \frac{3}{7}

Para que las dos soluciones sean equivalentes, debemos igualar las expresiones para zz:

λm=λp−37\lambda_m = \lambda_p - \frac{3}{7}

Ahora sustituimos λm\lambda_m en nuestra expresión para xx:

x=(λp−37)+37=λpx = (\lambda_p - \frac{3}{7}) + \frac{3}{7} = \lambda_p

Y comparamos las expresiones para yy:

y0=57y_0 = \frac{5}{7}

Por lo tanto, el valor de y0y_0 es 57\frac{5}{7}.