INTRODUÇÃO ..................................................................................... 2 EQUAÇÕES LINEARES ...................................................................... 2 SOLUÇÕES DE UMA EQUAÇÃO LINEAR .......................................... 3 MATRIZES DE UM SISTEMA .............................................................. 6 SOLUÇÃO DE UM SISTEMA LINEAR ................................................. 7 SISTEMAS ESCALONADOS ............................................................. 10 RESOLUÇÃO DE SISTEMA ESCALONADO .................................... 10 SISTEMAS EQUIVALENTES ............................................................. 12 ESCALONAMENTO DE SISTEMAS .................................................. 13 TEOREMA DE CRAMER ................................................................... 20 DISCUSSÃO DE UM SISTEMA LINEAR ........................................... 25 SISTEMAS LINEARES HOMOGÊNEOS ........................................... 33 RESPOSTAS ..................................................................................... 38 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ........................................................ 40 No final das séries de exercícios podem aparecer sugestões de atividades complementares. Estas sugestões referem-se a exercícios do livro “Matemática” de Manoel Paiva fornecido pelo FNDE e adotado pelo IFMG – Campus Ouro Preto durante o triênio 2015-2017. Todos os exercícios sugeridos nesta apostila se referem ao volume 2. MATEMÁTICA III 1 SISTEMAS LINEARES INTRODUÇÃO EQUAÇÕES LINEARES Tio Ítalo quer dividir $100 entre seus dois sobrinhos de modo que o mais velho receba $8 a mais que o mais novo. Vamos calcular quanto receberá cada um dos sobrinhos? Chamamos de equação linear nas incógnitas x1, x2, x3, ..., xn, toda equação do tipo: Chamando de x e y a parte que cabe ao mais velho e ao mais novo, respectivamente, podemos montar um sistema de equações com as duas incógnitas desta forma: Os números a11, a12, a13, ..., a1n são reais e chamados de COEFICIENTES. a11x1 + a12x2 + a13x3 + ... + a1nxn = b O número b, também real, é chamado de TERMO INDEPENDENTE. x y 100 x y 8 Ex.1: 3x + 2y = 7 é uma equação linear nas incógnitas x e y. 3 e 2 são os coeficientes e 7 é o termo independente. Resolvendo este sistema por qualquer uma das formas que você já conhece, encontramos, como única solução, x = 54 e y = 46. Esta solução pode ser apresentada também pelo par ordenado (54, 46). 5 2 x y 3 z 6 é um equação 2 3 5 2 linear nas incógnitas x, y e z. , e 2 3 3 são coeficientes e 6 é o termo independente. Ex.2: _______________________ Problemas como este, que envolvem duas equações e duas incógnitas, você aprendeu a resolver quando ainda cursava o ensino fundamental mas, a partir de agora, estudaremos sistemas lineares com várias equações e várias incógnitas. CASSIO VIDIGAL 3 1 x3 x4 3x5 4 é 4 2 uma equação linear nas incógnitas x1, 1 3 x2, x3, x4 e x5. 2, -5, , e 3 são os 2 4 coeficientes lineares e 4 é o termo independente. Ex.3: 2 x1 5 x 2 2 IFMG – CAMPUS OURO PRETO Por definição, não são equações lineares algumas expressões como as apresentadas abaixo: O par (5, -3) não é solução da equação pois 3 5 2 3 7 Ex.2: Considere a equação 3x + y – 2z = 8 O terno ordenado (2, 4, 1) é solução da equação pois 3 2 4 2 1 8 . 3xy = 10 x2 + y = 3 2 x + 2xy – 3y = 5 y3 x 4 Tente explicar, com os próximos conceitos que veremos, o motivo de expressões como estas, serem definidas como não lineares. SOLUÇÕES DE UMA EQUAÇÃO LINEAR O terno ordenado (0, 6, -1) é solução da equação pois 3 0 6 2 1 8 . O terno ordenado (5, -2, 3) não é solução da equação pois 3 5 2 2 3 8 ________________________ Um sequência ou n-upla ordenada de números reais 1 , 2 , 3 , ..., n é solução da equação linear: a11x1 a12 x 2 a13 x3 ... a1n xn b Geometricamente, dizemos cada par ordenado (x, y) representa um ponto do plano e cada terno ordenado (x, y, z) representa um ponto do espaço tridimensional. Assim, podemos dizer que o par 7 3k ordenado k , onde k é qualquer 2 número real é solução geral da equação do exemplo 1 (na coluna da esquerda) e que o terno ordenado 3k m 8 k , m, com k e m reais, é 2 solução geral do exemplo 2 (acima). se a sentença a11 1 a12 2 a13 3 ... a1n n b for verdadeira. Ex.1: Considere a equação 3x + 2y = 7. O par ordenado (1, 2) é solução da equação pois 3 1 2 2 7 . O par ordenado (3, -1) é solução da equação pois 3 3 2 1 7 MATEMÁTICA III Observações: 1. É fácil perceber que a equação linear 0 x 0 y 0 z 0 admite, como solução qualquer terno ordenado. 2. Já a equação linear admite 0 x 0 y 0 z 3 não nenhuma solução. 3 SISTEMAS LINEARES 3. Por fim, na equação linear 2 x 3 y z 0 , podemos notar uma solução de fácil percepção que é o terno (0, 0, 0). Esta solução é chamada de TRIVIAL. 04) Verifique se o terno ordenado (0, 0, 0) é solução da equação linear 2 3 2 x y z0. 7 5 19 01) Identifique as equações lineares abaixo como Linear ou Não Linear. a) ( ) 5x + 2y = 6 b) ( ) x + 4y – z = 0 c) ( ) x+y–z–1=0 d) ( ) x2 + y = 10 e) ( ) x+y=z–2 f) ( ) 4xy = 10 g) ( ) 2x – x + xy = 8 h) ( ) 92x + 3y + 5z = 12 345 i) ( ) x2 + y2 = j) ( ) 3x1 + 4x2 – x3 = 0 05) Verifique se o terno ordenado (1, 5, -2) é solução da equação linear 2 2 xy z 2. 5 3 02) Verifique se o par ordenado (6, 2) é solução da equação linear 4x – 3y = 18. 06) Calcule k para que o par ordenado (3, k) seja solução da equação linear 3x – 2y = 5. 03) Verifique se o terno ordenado (1, 3, 2) é solução da equação linear 2x + y + 5z = 15 CASSIO VIDIGAL 4 IFMG – CAMPUS OURO PRETO SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES 07) O terno ordenado (k, 2, k + 1) é uma das soluções da equação linear 4x + 5y -3z = 10. :Determine k. Um sistema de equações lineares é um conjunto de m (m 1) equações lineares nas incógnitas x1, x2, x3, ... xn . Assim o sistema a11 x1 a12 x 2 a13 x 3 ... a1n x n b1 a x a x a x ... a x b 22 2 23 3 2n n 2 21 1 S a31 x1 a32 x 2 a33 x 3 ... a3 n x n b3 am1 x1 am2 x 2 am3 x 3 ... amn x n bm é linear. Um sistema como este é chamado de m x n (lemos m por n) pois possui m equações e n incógnitas. 08) Escreva a solução geral da equação linear 2x – y = -1 fazendo x = k com k real. 3 x 2 y 7 x 3 y 1 é um sistema linear 2 x 2 nas incógnitas x e y. 3 x y z 2 x 3 y 4 z 7 2 x y z 1 é um sistema linear 3 x 3 nas incógnitas x, y e z. 09) Encontre uma solução para a equação linear 2x + 3y – z = 0 diferente da solução trivial. O sistema apresentado no início desta secção (página anterior) pode ser transformado em um produto de matrizes. Desta forma temos que: a11 a 21 a 31 a m1 MATEMÁTICA III 5 a12 a 22 a 32 a13 a 23 a 33 a m2 a m3 a1n x1 b1 a 2 n x 2 b 2 a 3 n x 3 b 3 a mn x n b m SISTEMAS LINEARES Ex.4: O sistema 1 escrito como 3 2 x y 4 3 x y 1 pode ser 2 x y 0 1 4 x 1 1 . y 1 0 MATRIZES DE UM SISTEMA Como já foi visto, o sistema linear a11 x1 a12 x 2 a13 x 3 ... a1n x n b1 a x a x a x ... a x b 22 2 23 3 2n n 2 21 1 S a31 x1 a32 x 2 a33 x 3 ... a3 n x n b3 am1 x1 am2 x 2 am3 x 3 ... amn x n bm pode ser escrito sob a forma de um produto de matrizes. Cada uma destas matrizes recebe um nome específico: Observe: 3 x 2 y 7 Ex.1: O sistema pode ser x 3 y 1 3 2 x 7 escrito como 1 3 y 1 a11 a12 a13 a1n x1 b1 a 21 a22 a23 a2 n x 2 b2 a31 a32 a33 a3 n x 3 b3 am1 am2 am3 amn x n bm 3 x y 2 z 2 Ex.2: x 3 y 4 z 7 pode ser escrito 2 x y z 1 3 1 2 x 2 como 1 3 4 y 7 2 1 1 z 1 A C A matriz A é chamada de matriz dos coeficientes. A matriz B é chamada de matriz das incógnitas e a matriz C é a matriz dos termos independentes. 2 x1 x 2 2 x 3 4 Ex.3: x1 5 x 2 7 x 3 1 pode ser 2 x 3 x 3 3 1 2 1 2 x1 4 escrito como 1 5 7 x 2 1 2 0 3 x 3 3 CASSIO VIDIGAL B Também há um conceito matriz completa e incompleta sistema. Veja: 6 de do IFMG – CAMPUS OURO PRETO A matriz dos coeficientes é também chamada de matriz incompleta de S e a matriz b1 a11 a12 a13 a1n a b2 21 a22 a23 a2 n a31 a32 a33 a3 n b3 am1 am2 am3 amn bm é chamada de matriz completa de S. O terno (1, 2, 3) é solução do sistema pois: 1 2 3 6 Sentença verdadeira 2 1 2 3 1 Sentença verdadeira 3 1 2 3 4 Sentença verdadeira Já o terno (-5, 11, 0) não é solução do sistema pois: 5 11 0 6 Sentença verdadeira 2 5 11 0 1 Sentença verdadeira 3 5 11 0 4 Sentença FALSA SOLUÇÃO DE UM SISTEMA LINEAR Dizemos que 1 , 2 , 3 , , n , é solução do sistema x 2 y 3 z 5 Ex.2: O sistema x y 4 z 1 nõ 0 x 0 y 0 z 6 a11 x1 a12 x 2 a13 x 3 ... a1n x n b1 a x a x a x ... a x b 22 2 23 3 2n n 2 21 1 S a31 x1 a32 x 2 a33 x 3 ... a3 n x n b3 am1 x1 am2 x 2 am3 x 3 ... amn x n bm quando admite nenhum terno ordenado como solução pois a última equação não tem solução. a n-upla ordenada for solução de TODAS as equações do sistema. Observação: 1 , 2 , 3 , , n , Quando um sistema linear S admitir pelo menos uma solução, ele é chamado de POSSÍVEL ou COMPATÍVEL. Como foi o caso do exemplo 1 acima. Por outro lado, caso um sistema não admita nenhum terno ordenado como solução, o sistema é chamado de IMPOSSÍVEL ou IMCOMPATÍVEL. Ex.1: Vamos considerar o sistema x y z 6 2 x y z 1 e os ternos ordenados 3 x y z 4 (1, 2, 3) e ( -5, 11, 0). MATEMÁTICA III 7 SISTEMAS LINEARES 12) Verifique se as n-uplas ordenadas são soluções dos sistemas lineares apresentados em cada item. 2 x 5 y 11 a) (3, -1) e 3 x 6 y 3 10) Transforme cada sistema a seguir num produto de matrizes equivalente. 2 x 5 y 3 a) x 7 y 2 2 x y 3 z 5 b) x 4 z 0 3 x 4 y z 1 2 x y z 6 b) (4, 1, 3) e x 3 y 2 z 13 x y z 0 c) (0, 0, 0) e 2 x 3 y 5 z 0 4 x 3 y z 0 11) Faça a matriz completa de cada um dos itens a) e b) do exercício anterior. a) b) CASSIO VIDIGAL 8 IFMG – CAMPUS OURO PRETO x y z 2 d) (1, 2, 3) e 2 x y 5 z 15 13) Verificar se o quádruplo ordenado (1, 0, -2, 1) é solução do sistema: 5 x 3 y 2 z 4 t 5 2 x 4 y 3 z 5 t 9 x 2 y 5 z 3 t 12 x y 1 e) (0, -1) e x y 1 3 x y 2 MATEMÁTICA III 9 SISTEMAS LINEARES SISTEMAS ESCALONADOS RESOLUÇÃO DE SISTEMA ESCALONADO Consideremos um sistema linear S onde, em cada equação existe pelo menos um coeficiente não nulo. Dizemos que S está na forma escalonada quando o número de coeficientes nulos antes do primeiro coeficiente não nulo, aumenta de equação para equação. Vamos aqui separar os sistemas escalonados em dois tipos de sistemas: aqueles onde o número de incógnitas é igual ao número de equações e aqueles que possuem mais incógnitas que equações. 1º Caso: Mesmo número de equações e incógnitas: Uma outra forma de caracterizar um sistema escalonado é verificar sea matriz dos coeficientes é uma matriz triangular entretanto esta caracterização só funciona quando tal matriz for quadrada. Isto acontece quando o número de equações for igual ao número de incógnitas. Os exemplos matrizes escalonadas. abaixo 3 x 7 y 5 z 3 y z 2 . Resolver o sistema 2z 8 Resolução: Partindo da última equação, descobrimos o valor de z, substituindo este valor na segunda equação, encontramos o valor de y. Por fim, substituímos y e z na primeira equação encontrando o valor de x, acompanhe: trazem 2 x y 7 2y 6 2 x y 5 z 7 4 y 2 z 3 z2 Da 3ª equação: 2z 8 Da 2ª equação: y z 2 y 4 2 z 4 y2 4 x y 5 z 3 3y 2z 1 Da 1ª equação: 4 x y z t w 1 z t 2w 0 2 w 3 3 x 7 y 5 z 3 3 x 7 2 5 4 3 3 x 6 3 x 1 Assim, a solução do sistema é o terno ordenado (1, 2, -4). CASSIO VIDIGAL 10 IFMG – CAMPUS OURO PRETO Este tipo de sistema apresenta sempre uma única solução. Temos então um SISTEMA POSSÍVEL E DETERMINADO. 2º Caso: Número de equações maior que o número de incógnitas: x y 3 z 5 Resolver o sistema . yz2 Para z = 0 temos (7, 2, 0) Para z = 1 temos (3, 1, 1) Para z = -1 temos (11, 3, -1) Para z = 1 3 1 temos (5, , ) 2 2 2 De forma geral, fazemz = k onde k é qualquer número real, podemos dizer que a resposta é: Resolução: Em sistemas como este, escolhemos uma variável que está em todas as equações e transpomos esta incógnita para o 2º membro em cada equação e obtemos: Para z = k, temos: (7 – 4k, 2 – k, k) Este tipo de sistema que apresenta infinitas soluções é chamado de SISTEMA POSSÍVEL E INDETERMINADO. x y 5 3 z y 2z Nesta segunda equação, já temos y em função de z. Agora vamos substituir a segunda equação na primeira com o objetivo de obter x em função de z: 14) Classifique como determinado ou indeterminado e resolva cada um dos sistemas a seguir: 4 x 2 y 2 z 0 3y z 1 a) z 2 x y 5 3z x 2 z 5 3 z x 7 4z Agora que já temos x e y em função de z, podemos escrever a solução: (7 – 4z, 2 – z, z) sendo z qualquer número real. Assim, toda tripla ordenada da forma apresentada é solução do sistema e podemos chegar a qualquer uma destas soluções substituindo números reais no lugar de z, assim: MATEMÁTICA III 11 SISTEMAS LINEARES a b c 3 d) 2b c 1 2 x y z 3 b) yz 0 x y z t 1 y 2z t 0 c) zt 3 t2 SISTEMAS EQUIVALENTES Dizemos que dois sistemas S1 e S2 são equivalentes se TODA solução de S1 for solução de S2 e toda solução de S2 for solução de S1 Os sistemas x 2 y 3 S1 2 x y 1 e x 2 y 3 S2 são equivalentes pois 3 y 5 ambos são determinados e admitem como única solução o par ordenado 1 5 ; . 3 3 CASSIO VIDIGAL 12 IFMG – CAMPUS OURO PRETO Dois teoremas importantes devem ser destacados aqui. Apesar de a demonstração de ambos ser simples não o faremos pois não cabe neste curso. De qualquer forma, se o leitor se interessar, pode encontrar no 4º volume da coleção “Fundamentos da Matemática Elementar”. Para escalonar um sistema qualquer devemos seguir quatro passos Passo 1: Colocamos como 1ª equação aquela em que o coeficiente da primeira incógnita seja diferente de zero. Passo 2: Anulamos o coeficiente da 1ª incógnita de todas as equações (com exceção da primeira) subistituindo a i-ésima equação (i > 1) pela soma da mesma com a 1ª, multiplicada por um número conveniente. Teorema 1: “Multiplicando-se os membros de uma equação qualquer de um sistema linear S, por um número real K 0, o novo sistema S’ obtido, será equivalente a S.” Passo 3: Deixamos de lado a primeira equação e aplicamos, nas restantes, os passos 1 e 2. Passo 4: Deixamos de lado a 1ª e 2ª equações e aplicamos os passos 1 e 2 nas equações restantes até o sistema ficar escalonado. Teorema 2: “Se substituirmos uma equação de um sistema linear S pela soma, membro a membro dela com outra do mesmo sistema, o novo sistema obtido S’ será equivalente a S.” Vamos seguir os exemplos abaixo a fim de entendermos como aplica os passos acima. Ex.1: Vamos resolver o sistema linear x y 2z 3 2x y z 6 . 2 x 2 y z 1 ESCALONAMENTO DE SISTEMAS Resolução: A fim de evitar ficar escrevendo as incógnitas a todo instante, vamos escrever a matriz completa do sistema acima. 3 1 1 2 1 1 6 2 2 2 1 1 Aplicando os dois teoremas vistos anteriormente, podemos transformar qualquer sistema em um sistema escalonado. Este processo é chamado de ESCALONAMENTO e, a partir do novo sistema escalonado, equivalente ao sistema original, podemos determinar sua solução. MATEMÁTICA III 13 SISTEMAS LINEARES x y 2 z 3 3 y 5 z 12 11 z 11 3 Para tornar o primeiro coeficiente da 2ª linha igual a zero, vamos multiplicar por 2 os termos 1ª linha e somar à segunda: Em seguida, para transformar o primeiro coeficiente da 3ª linha igual a zero, vamos multiplicar a primeira por -2 e somar à 3ª. Note que vamos repetir a primeira linha. Obtemos, assim, um sistema equivalente ao primeiro e, na forma escalonada, vamos encontrar a solução. Da 3ª equação: Da 2ª equação: 11 z 11 3 z3 3 y 5 z 12 3 y 5 3 12 3 y 3 y 1 Agora, para tornar o coeficiente de y na 3ª linha igual a zero, devemos multiplicar a segunda linha por 4/3 e somar o resultado à terceira. Note que devemos repetir, neste momento, a primeira e segunda linhas Da 1ª equação: x y 2z 3 x 1 2 3 3 x5 3 x2 Desta forma, a solução procurada é o terno ordenado (2, -1, 3) ___________________________ Ex.2: Vamos resolver x y 2z 5 2 x 3 y z 15 3 x 5 y 4 z 5 o sistema Resolução: Vamos, primeiro, escrever a matriz completa do sistema dado: Agora, vamos transformar esta matriz em um sistema linear escalonado e descobrir a solução como já fizemos . CASSIO VIDIGAL 14 IFMG – CAMPUS OURO PRETO 1 1 2 3 3 5 2 1 4 1 1 2 5 0 5 0 0 4 5 15 5 Vamos multiplicar a primeira linha por -2 e somar à segunda e em seguida multiplicaremos a primeira linha por -3 para somarmos à terceira. Com este procedimento, tornaremos nulo os coeficientes da primeira incógnita das linhas 2 e 3. 1 1 2 1 2 3 3 5 4 Com esta matriz, remontamos um novo sistema, equivalente Àquele proposto. Desta forma, temos: x y 2 z 5 5y 5z 5 4 z 8 5 2 3 15 5 Agora escalonado: Assim, obtemos: 1 1 2 5 0 5 0 2 2 Da 3ª equação: 5 5 10 Da 2ª equação: resolvemos o sistema 4 z 8 z 2 5 y 5 z 5 5 y z 1 y 2 1 y3 O nosso próximo passo é multiplicar a segunda linha por um valor conveniente a fim de, ao somarmos na terceira linha, conseguimos tornar nulo o coeficiente de y. Este número conveniente será 2/5. Note que não vamos alterar em nada a primeira linha. 1 1 2 5 0 5 0 2 2 5 5 8 Da 1ª equação: x y 2z 5 x 3 2 2 5 x4 Desta forma, a solução procurada é o terno ordenado (4, 3, -2) 5 5 2 / 5 10 ____________________ e obtemos: MATEMÁTICA III 15 SISTEMAS LINEARES Observe que chegamos numa igualdade verdadeira mas que não nos permite continuar resolver. Neste caso, dizemos que o SISTEMA é POSSÍVEL INDETERMINADO, ou seja, tem solução mas são infinitas. Ex.3: Vamos resolver o sistema x 2y z 3 3x y z 1 2 x 4 y 2 z 6 Resolução: Este sistema acima pode ser reescrito como Escrevendo a matriz completa: 1 2 1 3 1 1 2 4 2 . 3 1 6 x 2 y z 3 7 y 4 z 8 Multiplicaremos a primeira linha por -3 e somaremos à segunda, em seguida, vamos multiplicar a primeira linha por -2 e somamos à terceira. Isso faz tornar os coeficientes de x, nas duas últimas linhas, nulos. 3 3 1 6 1 2 1 3 1 1 2 4 2 e neste caso, podemos escrever a solução deste sistema em função de z. Da segunda equação temos que y 2 Substituindo na primeira equação e isolando x, temos: Obtemos, então, esta matriz: 1 2 0 7 0 0 1 4 0 8 4z 7 8 4z x 2 z 3 7 5z x 7 3 8 0 Note que aconteceu algo “extraordinário” na última linha, todos os termos se anularam, assim, ao montarmos o sistema a partir desta matriz, obtemos: Por fim, fazendo z = k, podemos escrever o terno ordenado em função de k: 5 k 8 4k , ,k 7 7 x 2 y z 3 7 y 4 z 8 0 0 CASSIO VIDIGAL 16 IFMG – CAMPUS OURO PRETO Observe que chegamos numa igualdade sabidamente falsa na terceira equação e, com isso, dizemos que o SISTEMA é IMPOSSÍVEL e assim, a solução é vazia, ou seja: Ex.4: Vamos resolver o sistema x 2y z 3 3x y z 1 2 x 4 y 2 z 7 S ou S Resolução: Escrevendo a matriz completa: 1 2 1 3 1 1 2 4 2 3 1 7 Multiplicaremos a primeira linha por -3 e somaremos à segunda, em seguida, vamos multiplicar a primeira linha por -2 e somamos à terceira. Isso faz tornar os coeficientes de x, nas duas últimas linhas, nulos. 3 3 1 7 1 2 1 3 1 1 2 4 2 2 Obtemos, então, esta matriz: 1 2 0 7 0 0 1 4 0 3 8 1 Note que, mais uma vez, aconteceu algo inusitado na última linha, todos os coeficientes se anularam, assim, ao montarmos o sistema a partir desta matriz, obtemos: x 2 y z 3 7 y 4 z 8 0 1 MATEMÁTICA III 17 SISTEMAS LINEARES 2 x 3 y z 14 b) 1x 4 y 2 z 7 3 x 3 y 4 z 14 15) Resolva os sistemas a seguir: x 2 y 4 z 24 a) 3 x y 2 z 7 2 x 3 y 5 z 4 CASSIO VIDIGAL 18 IFMG – CAMPUS OURO PRETO xyz3 d) x 2 y 3 z 6 2 x 3 y 4 z 5 2x 2y z 1 c) 4 x 3 y 5 z 5 3 x 1y 4 z 4 MATEMÁTICA III 19 SISTEMAS LINEARES 16) Resolva o sistema 2 x y z w 1 x 2 y z w 2 x y 2 z w 3 x y z 2 w 4 TEOREMA DE CRAMER Consideremos um sistema onde o número de equações é igual ao número de incógnitas. Nestas condições, A é uma matriz quadrada.e seja D = det A. Pelo Teorema de Cramer, se D 0 , então o sistema em questão é possível e determinado, ou seja, tem uma única solução 1 , 2 , 3 , , n tal D que i i , i 1, 2, 3, ..., ne Di é o D determinante obtido de A substituindo a i-ésima coluna pela dos termos independentes das equações do sistema. A demonstração de tal teorema não cabe aqui mas pode ser encontrada em diversos livros de ensino médio como, por exemplo, o volume 4 dos Fundamentos da Matemática Elementar (Gelson Iezze e Samuel Hazzan), Ex.1: Vamos resolver, aplicando Teorema de Cramer, o sistema x y z 6 x y z 4 . 2 x y z 1 o Resolução: Vamos isolar a matriz A e calcular D = det A: 1 1 1 D 1 1 1 4 2 1 CASSIO VIDIGAL 20 1 IFMG – CAMPUS OURO PRETO x Como D 0 , podemos garantir que o sistema é possível e tem solução única, então podemos continuar. Vamos, agora, calcular D x , D y e D z . Dx 4 1 D 4 y Dy D 12 3 4 Dz 8 2 D 4 E, temos assim a única solução do sistema: (1, 3, 2). Dx z Para encontrar Dx, vamos tomar a mesma matriz A substituindo os termos da primeira coluna (coeficientes de x) pela coluna dos termos independentes, assim: Ex.2: Resolver, por Cramer, o seguinte x y z 1 sistema: 2 x y z 1 3z 2 2 x y 1 6 1 1 D x 4 1 1 4 1 1 1 Resolução: Devemos, em princípio, assumir que 3 z 2 0 e 2 x y 0 . A partir daí, temos que: Dy Para encontrar Dy, vamos tomar a mesma matriz A substituindo os termos da segunda coluna (coeficientes de y) pela coluna dos termos independentes, assim: 2x y 1 2x y 3z 2 3z 2 2x y 3z 2 1 6 1 D y 1 4 1 12 2 1 z 1 1 z 1 2x y 2x y 2 x y z 1 1 Dz Para encontrar Dz, vamos tomar a mesma matriz A substituindo os termos da terceira coluna (coeficientes de z) pela coluna dos termos independentes, assim: 1 1 6 E, a partir daí, temos o seguinte sistema: x y z 1 2 x y 3 z 2 2 x y z 1 Dz 1 1 4 8 2 1 Vamos calcular o determinantes D , D x , D y e D z se D 0 . 1 Desta forma, temos que: MATEMÁTICA III 21 SISTEMAS LINEARES próximo tópico desta apostila é que vamos aprender a discutir sistemas lineares. 1 1 1 D 2 1 3 4 2 1 1 1 Dx 2 1 1 1 3 6 1 1 Dy 2 1 2 17)Resolver, pela regra de Cramer, os seguintes sistemas: x 4 y 0 a) 3 x 2 y 5 1 1 1 3 5 2 1 1 1 1 Dz 2 1 2 1 1 2 3 1 Com estas informações, determinamos, agora, a solução do sistema: x Dx 6 3 D 4 2 y Dy z Dz 3 D 4 D 5 5 4 4 2 x y 2 b) x 3 y 3 Agora devemos avaliar as condições que foram levantadas no início da resolução quais sejam: 3 z 2 0 e Isso pode ser feito 2x y 0 . mentalmente e notamos que ambas as condições são respeitadas com as soluções encontradas. Assim, 5 3 3 S , , 4 4 2 Obs.: Se, ao resolver um sistema aplicando o Teorema de Cramer, encontrarmos D = 0, podemos afirmar que o sistema não é determinado, porém nada podemos dizer sobre se é indeterminado ou se é impossível. No CASSIO VIDIGAL 22 IFMG – CAMPUS OURO PRETO 1 3 x y z c) 2 x 3 z 1 4 x y 2 z 7 MATEMÁTICA III x y z 5 d) x 2 y 4 z 4 3 x y 2 z 3 23 SISTEMAS LINEARES y z t 1 x 2 x y z 2 e) t 0 x y z 2 x 2 z t 1 CASSIO VIDIGAL x1 x f) 1 2 x1 x1 24 x2 2 x2 x3 x3 x4 1 2 x2 3 x2 x3 x3 x4 2 x4 1 0 IFMG – CAMPUS OURO PRETO DISCUSSÃO DE UM SISTEMA LINEAR Ex.1: Discuta o sistema abaixo: ax 3ay 0 . 2 x ay 4 Discutir um sistema linear consiste em classificá-lo quanto à quantidade de soluções. Resolução: Um sistema que possui uma única solução é chamado de SISTEMA POSSÍVEL E DETERMINADO (SPD). Um sistema que admite infinitas soluções é classificado como SISTEMA POSSÍVEL INDETERMINADO (SPI). Por fim, um sistema que não admite nenhuma solução, é chamado de SISTEMA IMPOSSÍVEL (SI). 1. Sabemos, pelo Teorema de Cramer, a 3a que se D 0 o sistema tem 2 a solução única. Assim, os valores de a para os quais D = 0, são os que tornam o sistema indeterminado ou impossível. Vamos examinar este caso: Observe o diagrama abaixo: D a 3a 2 a a2 6 a a2 6 a aa 6 0 a 0 ou a 6 2. Para a = 0, o sistema fica: Um sistema com n equações e n incógnitas é SPD quando o determinante da matriz dos coeficientes é diferente de zero. Caso tal determinante seja nulo, devemos escalonar o sistema para discuti-lo. Se, em algum momento encontrarmos uma equação indeterminada, do tipo 0x1 + 0x2 + ... + 0xn = 0, dizemos que o sistema é SPI e se, por outro lado, encontrarmos uma equação do tipo 0x1 + 0x2 + ... + 0xn 0, dizemos que o sistema é SI. 0 x 0 y 0 x 2 e y é qualquer 2 x 0 y 4 Logo, para a = 0, o sistema dado é indeterminado. 3. Para a = 6, o sistema fica: 6 x 18 y 0 x 3 y 0 ~ 2 x 6 y 4 x 3 y 2 Note que as equações são incompatíveis, logo p sistema é impossível. MATEMÁTICA III 25 SISTEMAS LINEARES Resumindo, então, temos a 0 e a 6 SPD a0 SPI : a6 SI 18) Discutir os seguintes sistemas nas incógnitas x e y: x y 3 a) 2 x my 6 x y 2 Ex.2: Discutir o sistema . 2 x ay b Resolução: 1. Se D 1 1 2 a Cramer, o única. D 0 , pelo Teorema de sistema 1 1 2 a tem solução a2 a 2 0 a 2 2. Se a = -2, o sistema fica assim: x y 2 x y 2 ~ 2 x 2 y b 0 x 0 y b 4 Assim, temos que b 4 0 Sistemapossível indeterminado b 4 0 Sistemaimpossível 3. Resumindo, temos: SPD a 2 a 2 e b 4 SPI a 2 e b 4 SI CASSIO VIDIGAL 26 IFMG – CAMPUS OURO PRETO 2 x 3 y a b) 6 x 3 y 2 MATEMÁTICA III x 2 y ax c) 2 x ay y 27 SISTEMAS LINEARES ax y 1 d) a 1x 2ay 4 CASSIO VIDIGAL 19) Discutir o sistema linear: 2 2 2 2a 1 x 4a 1 y 2a 1 2 4a 1x 2a 1y 4a 1 28 IFMG – CAMPUS OURO PRETO x 2 y 1 21) Discutir o sistema 3 x ay b mx y 1 m 20) Discutir o sistema x my 0 MATEMÁTICA III 29 SISTEMAS LINEARES 22) Se abcd 0, determinar p e q para ax by c que o sistema seja px qy d indeterminado. CASSIO VIDIGAL 23) Discutir e resolver xyz0 x y mz 2 mx 2 y z 1 . 30 o sistema IFMG – CAMPUS OURO PRETO mx y z 4 24) Discutir o sistema x my z 0 x y 2 MATEMÁTICA III 25) Discutir e resolver mx y mz m 2 x mz 3 mx my 2 31 o sistema SISTEMAS LINEARES 26) Discutir e resolver x my z 0 2 x y mz 3 2 x 2 y mz 2 o sistema 27) a) Determinar os valores de k para que a equação matricial abaixo tenha solução. 2 5 3 x 1 4 10 2 y 5 6 15 1 z k b) Resolver a equação na condição do item a. CASSIO VIDIGAL 32 IFMG – CAMPUS OURO PRETO Observe os exemplos a seguir: SISTEMAS LINEARES HOMOGÊNEOS 4 x 6 y 0 Ex.1: Resolver o sistema . 6 x 9 y 0 Resolução: 4 6 D 36 36 0 6 9 Se, num sistema linear, todos os termos independentes são iguais a zero, então o sistema é denominado SISTEMA LINEAR HOMOGÊNEO. Como D = 0 e o sistema é homogêneo, ele só pode ser SPI, ou seja, admite infinitas soluções. Vamos, então, encontrar estas soluções. Para tal, faremos y = k. 3 x 2 y 0 Ex.1: é um sistema linear x 2 y 0 homogêneo 4 x 6 y 0 4 x 6k 0 4 x 6k 6k 3k x x 4 2 Desta forma, a solução do sistema é: 3k S , k 2 x y 4 z 0 Ex.2: x 3 y z 0 é outro exemplo de 2 x y z 0 sistema linear homogêneo. ____________________________ Ex.2: Resolver o sistema x y z 0 . 2 x y z 0 x 2 y 5 z 0 Um sistema linear homogêneo de n equações e n incógnitas (n 2) é sempre possível, pois admite, pelo menos, a solução (0, 0, 0, ..., 0) denominada solução trivial. Resolução: 1 D 2 Como estes sistemas são sempre possíveis, são os únicos que podem ser classificados, exclusivamente, pelo determinante da matriz dos coeficientes. Como não existe a possibilidade de o sistema ser SI, temos: 1 2 5 Como D 0, o sistema admite uma única solução. Se o sistema é homogêneo, podemos então afirmar que a solução é S = (0, 0, 0) det A 0 SPI det A 0 SPD MATEMÁTICA III 1 1 1 1 ... 19 33 SISTEMAS LINEARES Ex.3: Determine a para que o sistema x y az 0 admita soluções x ay z 0 x a 1y z 0 diferentes da trivial: 29) Discutir, segundo os valores do parâmetro a, o sistema: x 4 y 5 z 0 2 x y 3 z 0 3 x ay 2 z 0 Resolução: Para que o sistema acima admita solução diferente de (0, 0, ..., 0), devemos ter D = 0, ou seja: 1 1 1 a 1 a 1 a 1 0 a 1 0 a 1 a Logo, a = 1. 28) Verifique se o sistema linear x y z 0 homogêneo é 2 x 2 y 4 z 0 x y 3 z 0 determinado ou indeterminado. CASSIO VIDIGAL 34 IFMG – CAMPUS OURO PRETO 30) Resolver o sistema x y 3 z 0 4 x y z 0 2 x 3 y 7 z 0 MATEMÁTICA III 31) Discutir segundo os valores do parâmetro m os seguintes sistemas: x my 0 a) 2 x 6 y 0 35 SISTEMAS LINEARES k x y z 0 32) Estudar o sistema k y z x 0 k x z y 0 x y z 0 b) mx 3 y 5 z 0 m2 x 9 y 25 z 0 CASSIO VIDIGAL 36 IFMG – CAMPUS OURO PRETO x y z 0 33) Dado o sistema 4 x 2my 3 z 0 , 2 x 6 y 4mz 0 determinar m para que o sistema admita soluções diferentes da trivial e determiná-las. MATEMÁTICA III 34) Qual o valor de k para que o sistema x y z 0 2 x ky z 0 admita solução própria? x 2 y 2 z 0 (Nota: a solução trivial é também chamada de solução imprópria) 37 SISTEMAS LINEARES 14) RESPOSTAS 15) a) S={(-2, 5, -3) } b) S={ (3, 3, 1) } 7 7 k k 1 c) SPI; S= , , k 5 5 d) SI 16) S= { ( -1, 0, 1, 2) } 17) a) a) L f) NL 02) Sim 03) Sim 04) Sim 05) Não 06) k=2 07) k=3 b) 08) (k, 2k + 1) 09) A resposta é aberta mas como exemplo, temos (1, 1, 5). c) d) 11) e) L j) L e) 2 5 x 3 a) 1 7 y 2 2 1 3 x 5 b) 1 0 4 y 0 3 4 1 z 1 2 5 a) 1 7 a) Sim d) Não f) 18) 3 2 2 1 3 b) 1 0 4 3 4 1 12) d) NL i) NL 5 3k 1 k d) SPI, S , , k 2 2 01) 10) b) L c) L g) NL h) L c) SPD, S 8, 4, 1, 2 (Cont) b) Sim e) Não 5 0 1 c) Sim 19) 13) 14) É solução 5 a) SPD, S , 1, 2 4 3 2k , k , k k b) SPI, S 2 CASSIO VIDIGAL 38 1 2, 2 4 3 , 5 5 1, 1, 1 2, 3, 0 1 11 4, , , 2 2 2 0, 0, 2, 1 a) m 2 SPD m 2 SPI b) a 1 SPD a 1 SI c) a 1 e a 3 SPD a 1 ou a 3 SPI 1 a 2 e a 1 SPD d) a 1 ou a 1 SI 2 1 1 a 0 , 2 e 2 SPD 1 a 0 ou a SPI 2 1 a 2 SI IFMG – CAMPUS OURO PRETO 20) 21) m 1 e m 1 SPD m 1 SPI m 1 SI x y a 6 SPD a 6 e b 3 SPI a 6 e b 3 SI z bd ad e q c c 22) p 23) Resolução: 1 1 1 m 0 , pela 1. Se m 2 1 regra de Cramer, o sistema tem solução única. Assim, os valores de m que anulam o determinante são os que tornam o sistema indeterminado ou impossível. Vamos, então, resolver o sistema para D 0 . 1 1 1 D 1 1 m mm 1 0 2 1 1 Dy 1 0 2 1 1 1 xyz0 xyz0 x y z 2 ~ 0 x 2 y 0 z 2 x 2 y z 1 0 x y 0 z 1 note que pelas duas últimas equações, podemos afirmar que y = -1 e x = 1 – z. Tomando z = k, temos a solução S 1 k, 1, k 1 1 m 1 m Resumindo, m 0 e m 1 SPD SPI m 1 m 0 SI 0 2 2 m 1 m 2 1 Assim, temos que: MATEMÁTICA III Dz 2 m 1 2 D mm 1 m 3. se m = 1, temos: m 1 1 1 Dz 1 1 m 1 mm 1 m e vemos, na última equação, que o sistema é impossível. 1 m 1 m 2 D 2. Se m = 0 temos: xyz0 x y 0z 2 0 x 2 y z 1 Escalonando o sistema, encontramos: xyz0 xyz0 0 x 2 y z 2 ~ 0 x 2 y z 2 0 x 2 y z 1 0 x 0 y 0 z 1 m 0 daí, temos que e m 1 0 1 1 Dx 2 Dy e a solução do sistema é: 1 2 1 S , , m m m 1 D 1 m 1 m 1 Dx D mm 1 m 39 SISTEMAS LINEARES 24) 25) m 1 SPD m 1 SPI REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA DANTE, m 0 e m 1 SPD S m 2 , 4 m , m 4 m m2 m m 1 SPI 3 k 1k S , , k 2 2 m 0 SI Luiz Roberto; Matemática, Volume dois. São Paulo, Atica, 2005. IEZZI, Gelson e outros; Fundamentos da Matemática Elementar, Volume 4. São Paulo, Atual, 5ª edição, 1977. m 2 SPD S m 2 , 1, 2 m 2 SPI S 2 k , 1, k 27) a) k = 6 3 17 40k , k, b) S 8 16 PAIVA, 26) Manoel Rodrigues; Matemática, Volume 2, São Paulo, Editora Moderna, 1ª edição, 1995. 28) Indeterminado. 29) 30) 3 a 13 SPD a 3 SPI 13 Links dos apostila: 2k 13k S , , k 5 5 http://vidigal.ouropreto.ifmg.edu.br/siste mas-lineares-introducao/ 31) a) b) 32) vídeos sugeridos nesta Pág. 06 m 3 SPD m 3 SPI Pág. 17 m 3 e m 5 SPD m 3 ou m 5 SPI http://vidigal.ouropreto.ifmg.edu.br/escal onamento/ 1 k 1 e k 2 SPD k 1 ou k 1 SPI 2 k k 33) m 1 , , k 2 2 3 m 0 , k , k 2 34) k = 1 CASSIO VIDIGAL 40 IFMG – CAMPUS OURO PRETO