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Discusión de sistemas con parámetros
Problema
2020 · Extraordinaria · Reserva
3
Examen

Considera el sistema de ecuaciones

{−my+z=15x+2y+mz=0my+(m−3)z=−3\begin{cases} -my + z = 1 \\ 5x + 2y + mz = 0 \\ my + (m - 3)z = -3 \end{cases}
a) Discute el sistema en función de mm.b) Para m=0m = 0, resuelve el sistema. Calcula, si es posible, una solución en la que y=5y = 5.
Sistemas linealesTeorema de Rouché-Frobenius

Se considera el sistema de ecuaciones lineales, cuya matriz de coeficientes AA y matriz ampliada A∣bA|b son:

A=(0−m152m0mm−3),A∣b=(0−m1152m00mm−3−3)A = \begin{pmatrix} 0 & -m & 1 \\ 5 & 2 & m \\ 0 & m & m-3 \end{pmatrix}, \quad A|b = \begin{pmatrix} 0 & -m & 1 & 1 \\ 5 & 2 & m & 0 \\ 0 & m & m-3 & -3 \end{pmatrix}
a) Discute el sistema en función de mm.

Para discutir el sistema, calculamos el determinante de la matriz de coeficientes AA.

∣A∣=∣0−m152m0mm−3∣=−5∣−m1mm−3∣=−5[(−m)(m−3)−(1)(m)]|A| = \begin{vmatrix} 0 & -m & 1 \\ 5 & 2 & m \\ 0 & m & m-3 \end{vmatrix} = -5 \begin{vmatrix} -m & 1 \\ m & m-3 \end{vmatrix} = -5 [(-m)(m-3) - (1)(m)]
∣A∣=−5[−m2+3m−m]=−5[−m2+2m]=5m2−10m=5m(m−2)|A| = -5 [-m^2 + 3m - m] = -5 [-m^2 + 2m] = 5m^2 - 10m = 5m(m-2)

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

5m(m−2)=0  ⟹  m=0 o m=25m(m-2) = 0 \implies m = 0 \text{ o } m = 2

Analizamos los diferentes casos:Caso 1: Si m≠0m \neq 0 y m≠2m \neq 2.En este caso, ∣A∣≠0|A| \neq 0, por lo que el rango de AA es 3. Como el número de incógnitas es 3, el rango de A∣bA|b también es 3. Por el Teorema de Rouché-Frobenius, el sistema es Compatible Determinado (SCD), tiene una única solución.Caso 2: Si m=0m = 0.La matriz de coeficientes y la matriz ampliada son:

A=(00152000−3),A∣b=(0011520000−3−3)A = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \\ 5 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & -3 \end{pmatrix}, \quad A|b = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 & 1 \\ 5 & 2 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -3 & -3 \end{pmatrix}

Calculamos el rango de AA. Como ∣A∣=0|A|=0, el rango de AA es menor que 3. Tomamos el menor de orden 2: ∣0150∣=−5≠0\begin{vmatrix} 0 & 1 \\ 5 & 0 \end{vmatrix} = -5 \neq 0. Por lo tanto, el rango de AA es 2.Calculamos el rango de A∣bA|b. Observamos que la primera ecuación es z=1z=1 y la tercera es −3z=−3-3z=-3, que también implica z=1z=1. Las filas correspondientes a estas ecuaciones son linealmente dependientes en el contexto de la matriz ampliada (la tercera fila es −3-3 veces la primera, si se considera solo zz y el término independiente). Al considerar la matriz A∣bA|b, el menor ∣00152000−3∣\begin{vmatrix} 0 & 0 & 1 \\ 5 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & -3 \end{vmatrix} (columnas 1,2,3) es 0. El menor formado por las columnas 1, 2, 4 es ∣00152000−3∣=0\begin{vmatrix} 0 & 0 & 1 \\ 5 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & -3 \end{vmatrix} = 0. De hecho, cualquier menor de orden 3 de A∣bA|b es 0. Alternativamente, como las ecuaciones z=1z=1 y −3z=−3-3z=-3 son equivalentes, el sistema se reduce a 2 ecuaciones linealmente independientes (z=1z=1 y 5x+2y=05x+2y=0). Así, el rango de A∣bA|b es 2.Como el rango de AA es 2, el rango de A∣bA|b es 2 y el número de incógnitas es 3, por el Teorema de Rouché-Frobenius, el sistema es Compatible Indeterminado (SCI), tiene infinitas soluciones.Caso 3: Si m=2m = 2.La matriz de coeficientes y la matriz ampliada son:

A=(0−2152202−1),A∣b=(0−211522002−1−3)A = \begin{pmatrix} 0 & -2 & 1 \\ 5 & 2 & 2 \\ 0 & 2 & -1 \end{pmatrix}, \quad A|b = \begin{pmatrix} 0 & -2 & 1 & 1 \\ 5 & 2 & 2 & 0 \\ 0 & 2 & -1 & -3 \end{pmatrix}

Calculamos el rango de AA. Como ∣A∣=0|A|=0, el rango de AA es menor que 3. Tomamos el menor de orden 2: ∣0−252∣=10≠0\begin{vmatrix} 0 & -2 \\ 5 & 2 \end{vmatrix} = 10 \neq 0. Por lo tanto, el rango de AA es 2.Calculamos el rango de A∣bA|b. Tomamos el menor de orden 3 formado por las columnas 1, 2 y 4:

∣0−2152002−3∣=0−(−2)(5(−3)−0)+1(5⋅2−0)=2(−15)+10=−30+10=−20≠0\begin{vmatrix} 0 & -2 & 1 \\ 5 & 2 & 0 \\ 0 & 2 & -3 \end{vmatrix} = 0 - (-2)(5(-3) - 0) + 1(5 \cdot 2 - 0) = 2(-15) + 10 = -30 + 10 = -20 \neq 0

Como existe un menor de orden 3 no nulo en A∣bA|b, el rango de A∣bA|b es 3.Como el rango de AA es 2 y el rango de A∣bA|b es 3, por el Teorema de Rouché-Frobenius, el sistema es Incompatible (SI), no tiene solución.

b) Para m=0m = 0, resuelve el sistema. Calcula, si es posible, una solución en la que y=5y = 5.

Para m=0m=0, el sistema es Compatible Indeterminado, y sus ecuaciones son:

{−0y+z=15x+2y+0z=00y+(0−3)z=−3\begin{cases} -0y + z = 1 \\ 5x + 2y + 0z = 0 \\ 0y + (0 - 3)z = -3 \end{cases}

Simplificando, obtenemos:

{z=15x+2y=0−3z=−3\begin{cases} z = 1 \\ 5x + 2y = 0 \\ -3z = -3 \end{cases}

De la primera y tercera ecuación, obtenemos directamente z=1z = 1. Sustituyendo este valor en las ecuaciones restantes (solo queda la segunda):

5x+2y=05x + 2y = 0

Podemos expresar xx en términos de yy (o viceversa). Sea y=λy = \lambda, donde λ∈R\lambda \in \mathbb{R} es un parámetro. Entonces:

5x+2λ=0  ⟹  5x=−2λ  ⟹  x=−25λ5x + 2\lambda = 0 \implies 5x = -2\lambda \implies x = -\frac{2}{5}\lambda

La solución general del sistema para m=0m=0 es:

(x,y,z)=(−25λ,λ,1)(x, y, z) = \left(-\frac{2}{5}\lambda, \lambda, 1\right)

Para calcular una solución en la que y=5y = 5, sustituimos λ=5\lambda = 5 en la solución general:

x=−25(5)=−2x = -\frac{2}{5}(5) = -2
y=5y = 5
z=1z = 1

La solución particular en la que y=5y = 5 es (−2,5,1)(-2, 5, 1).