(Trabajo de titulación asesorado por la Dra. Diana Avella Alaminos)
Introducción
Un sistema de $m$ ecuaciones lineales con $n$ incógnitas es un conjunto de $m$ ecuaciones lineales que involucran $n$ variables desconocidas. El objetivo de este tipo de sistemas es encontrar los valores de las incógnitas que satisfagan simultáneamente todas las ecuaciones del sistema.
Cada una de las ecuaciones en el sistema representa una restricción en las posibles soluciones del mismo, por lo que la solución del sistema debe cumplir con todas las restricciones impuestas por las ecuaciones. Las soluciones de este tipo de sistemas pueden ser únicas, no existir, o puede haber múltiples soluciones.
Resolver un sistema de ecuaciones lineales puede ser útil en diferentes áreas, como en la física, la ingeniería, la economía, entre otras. Existen diferentes métodos para resolver este tipo de sistemas, como el método de eliminación de Gauss, el método de eliminación de Gauss-Jordan, y el método de la matriz inversa, entre otros.
Definición
Un sistema de $m$ ecuaciones lineales con $n$ incógnitas es:
$\begin{array}{cccc} &a_{11}x_1+ a_{12}x_2+\dotsc +a_{1n}x_n &=&b_1 \\ && \vdots& \\ &a_{m1}x_1+ a_{m2}x_2+\dotsc+a_{mn}x_n &=&b_n \end{array}$
con $a_{ij}\in \mathbb R$ para todo $i\in \set{1,\dotsc,m}$ y para todo $j\in \set{1,\dotsc,n}$. Estos números son llamados los coeficientes.
Si $b_1=b_2=\cdots=b_m=0$ decimos que es un sistema homogéneo.
Ejemplo
$\begin{array}{ccccc} 3x_1&-2x_2&+\frac{1}{4}x_3&+x_4 &=0 \\-2x_1&+x_2&&+5x_4 &=0 \\ 7x_1&+8x_2&& &=0 \end{array}$
Éste es un sistema de $3$ ecuaciones lineales con $4$ incógnitas.
Podemos reescribir el sistema en forma matricial:
$\begin{equation*} \left(\begin{array}{c} a_{11}x_1+\dotsc+a_{1n}x_n \\ \vdots \\a_{m1}x_1+\dotsc+a_{mn}x_n \end{array} \right) \end{equation*}$ $=\begin{equation*} \left(\begin{array}{c} b_1\\ \vdots \\ b_m \end{array} \right) \end{equation*}$
$\begin{equation*} \left(\begin{array}{ccc} a_{11} & \dotsc & a_{1n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{m1} & \dotsc & a_{mn} \end{array} \right) \end{equation*}$ $\begin{equation*} \left(\begin{array}{c} x_1\\ \vdots \\ x_n \end{array} \right) \end{equation*} $ $=\begin{equation*} \left(\begin{array}{c} b_1\\ \vdots \\ b_m \end{array} \right) \end{equation*}$
Si $A=\begin{equation*} \left(\begin{array}{ccc} a_{11} & \dotsc & a_{1n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{m1} & \dotsc & a_{mn} \end{array} \right) \end{equation*}$, $X=\begin{equation*} \left(\begin{array}{c} x_1\\ \vdots \\ x_n \end{array} \right) \end{equation*} $ y $B=\begin{equation*} \left(\begin{array}{c} b_1\\ \vdots \\ b_m \end{array} \right) \end{equation*}$. El sistema quedaria como:
$AX=B.$
A la matriz $A$ se le llama la matriz de coeficientes del sistema.
La matriz aumentada del sistema es:
$\begin{equation*} \left(\begin{array}{ccc|c} a_{11} & \cdots & a_{1n} & b_1 \\ \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ a_{m1} & \cdots & a_{mn} & b_m \end{array}\right) \end{equation*}$$=\left( A|B \right)_{m\times (n+1)}$
Decimos que un vector $S=(s_1\dotsc,s_n)\in \mathbb R^n$ es solución del sistema si $AS=B$.
Observación 1
Si $A^1,\dotsc, A^n\in \mathbb R^m$ son las columnas de $A$, entonces $S\in \mathbb R^n$ es una solución del sistema si y sólo si $s_1 A^1+s_2 A^2+\cdots+s_n A^n=B.$
Demostración
$S=(s_1,\dotsc,s_n)\in \mathbb R^n$ es solución de $AX=B\Longleftrightarrow AS=B$
$\Longleftrightarrow$ $\begin{equation*} \left(\begin{array}{c} a_{11}s_1+\dotsc+a_{1n}s_n \\ \vdots \\a_{m1}s_1+\dotsc+a_{mn}s_n \end{array} \right) \end{equation*}$ $\begin{equation*} \left(\begin{array}{c} b_1\\ \vdots \\ b_m \end{array} \right) \end{equation*}$
$\Longleftrightarrow$ $s_1 \begin{equation*} \left(\begin{array}{c} a_{11}\\ \vdots \\ a_{m1} \end{array} \right) \end{equation*}$ $+$ $\cdots$ $+$ $s_n\begin{equation*} \left(\begin{array}{r} a_{1n}\\ \vdots \\ a_{mn} \end{array} \right) \end{equation*}$$=\begin{equation*} \left(\begin{array}{c} b_1\\ \vdots \\ b_m \end{array} \right) \end{equation*}$
$\Longleftrightarrow$ $s_1 A^1+s_2 A^2+\cdots+s_n A^n=B.$
Observación 2
Todo sistema homogéneo tiene al menos la solución $S=(0,\dotsc,0)\in \mathbb R^n$, llamada la solución trivial.
Teorema.
Al realizar operaciones elementales en la matriz aumentada de un sistema, el sistema asociado cambia pero las soluciones son las mismas.
Demostración
Sean $A\in \mathscr M_{m\times n}(\mathbb R),\, B\in \mathscr M_{m\times 1}(\mathbb R).$
Consideremos el sistema $AX=B$ y $\left( A|B \right)$ su matriz aumentada. Basta probar que al aplicar una operación elemental $e$ a $\left( A|B \right)$ el sistema asociado tiene las mismas soluciones.
$1)$ Sea $e$ la operación que intercambia los renglones $r$ y $t$. Las ecuaciones del sistema obtenido son las mismas que las del sistema original sólo que en otro orden, así que las soluciones son las mismas.
$2)$ Sea $e$ la operación que multipica el renglón $r$ por $\lambda$ con $\lambda\neq 0.$
Las ecuaciones del sistema obtenido son las mismas que las del sistema original salvo por la ecuación $r$ que queda multiplicada por $\lambda$. Pero $S=(s_1,\dotsc,s_n)\in \mathbb R^n$ cumple que
$\begin{array}{rrr}a_{r1}s_1+\cdots+a_{rn}s_n=b_r & \Longleftrightarrow & \lambda (a_{r1}s_1+\cdots+a_{rn}s_n)=\lambda b_r \\ &\Longleftrightarrow & (\lambda a_{r1})s_1+\cdots+(\lambda a_{rn})s_n=\lambda b_r.\end{array}$
Así, las soluciones de ambos sistemas coinciden.
$3)$ Sea $e$ la operación que suma al renglón $r$, $\lambda$ veces el renglón $t$, con $\lambda \in \mathbb R.$
Las ecuaciones del sistema obtenido son las mismas que las del sistema original salvo por la ecuación $r.$ Pero $S=(s_1,\dotsc,s_n)\in \mathbb R^n$ cumple que:
$\begin{array}{ll}a_{r1}s_1+\cdots+a_{rn}s_n&=b_r\\ a_{t1}s_1+\cdots+a_{tn}s_n&= b_t\end{array}$
si y sólo si
$\begin{array}{ll}(a_{r1}s_1+\cdots+a_{rn}s_n)+\lambda (a_{t1}s_1+\cdots+a_{tn}s_n)&=b_r + \lambda b_t\\ a_{t1}s_1+\cdots+a_{tn}s_n&= b_t\end{array}$
si y sólo si
$\begin{array}{ll}(a_{r1}+\lambda a_{t1})s_1+\cdots+(a_{rn}+\lambda a_{tn})s_n&=b_r + \lambda b_t\\ a_{t1}s_1+\cdots+a_{tn}s_n&= b_t\end{array}$
y por lo tanto las soluciones son las mismas.
Tarea Moral
$1.$ Determina si los siguientes sistemas son lineales. Para aquellos que lo sean expresa al sistema en forma matricial $AX=B$, encuentra una solución y expresa a $B$ como combinación lineal de las columnas de $A$.
$i)$
$\begin{align*} 3x+y &=1\\ -5x+y &=0 \end{align*}$
$ii)$
$\begin{align*} -7\frac{1}{x}-\frac{1}{y} &=1\\ -\frac{1}{x}+6\frac{1}{y} &=0\end{align*}$
$iii)$
$\begin{align*} x-3yz-2xz &=8 \end{align*}$
$iv)$
$\begin{align*} 2x+3y-4z+w &=9\\ y+5z &=1 \end{align*}$
$2.$ ¿Qué ocurre con la última columna de la matriz aumentada de un sistema homogéneo al escalonar la matriz? ¿Es necesario escribir esa última columna al realizar el procedimiento que estudiamos para resolver un sistema homogéneo?
$3.$ Considera a un sistema de ecuaciones en forma matricial $AX=B$. Sea $S_p$ una solución particular del sistema y $S_o$ una solución al sistema $AX=0$.
$i)$ ¿Qué puedes decir de $S_o+S_p$?
$ii)$ ¿Cualquier solución de $AX=B$ será la suma de $S_p$ con alguna solución del sistema $AX=0$?
Más adelante
En la siguiente nota veremos ejemplos de resolución de sistemas de ecuaciones, los caracterizaremos de acuerdo a si tiene o no solución y al número de soluciones.
Enlaces relacionados
Enlace a la nota anterior. Nota 37. El rango de una matriz.
Enlace a la nota siguiente. Nota 39. Ejemplos de sistemas de ecuaciones