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Matemática (61) · Unidad 8 — Sistemas de ecuaciones lineales

Sistemas con parámetros

Con un parámetro k adentro se escalona igual que siempre, pero sin dividir nunca por algo que pueda ser 0. Todo se decide en el último escalón: si su coeficiente no se anula hay solución única; si se anula, el término independiente dice si hay infinitas o ninguna.

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La explicación

Escalonar con una letra adentro

k es un número que todavía no conocés, y se opera con él como con cualquier número. La única regla nueva es ésta: no se multiplica ni se divide una fila por una expresión que pueda valer 0, como k − 1. Si k resultara ser 1, habrías borrado una ecuación sin darte cuenta.

1. Si se puede, dejá la fila que tiene la k para el final (intercambiá filas).
2. Hacé ceros con múltiplos que sean números, no expresiones con k.
3. Seguí hasta que la k quede toda en el último escalón.

El último escalón decide

En un sistema de tres incógnitas, al final queda una fila ( 0 0 p(k) | q(k) ). Leída como ecuación, dice p(k)·x3 = q(k):

p(k) ≠ 0 → compatible determinado
p(k) = 0 y q(k) = 0 → c. indeterminado
p(k) = 0 y q(k) ≠ 0 → incompatible
1. Escalonar hasta tener p(k) y q(k).
2. Buscar los k que anulan p(k).
3. Para cada uno de esos k, calcular q(k): decide entre infinitas y ninguna.
4. Dar la respuesta en tres casos que cubran todos los k.

En un sistema de 2×2, a·x1 + b·x2 = e ; c·x1 + d·x2 = f, el último escalón es proporcional a a·d − b·c. Si a·d − b·c ≠ 0 hay solución única; si es 0, las dos rectas son paralelas o la misma, y hay que reemplazar el k y mirar los términos independientes.

Cuando el parámetro está sólo del lado derecho

Si la k aparece sólo en los términos independientes, los coeficientes no cambian y la escalera es siempre la misma. Si en ella queda una fila de coeficientes nulos, el sistema es compatible sólo para el k que hace 0 su término independiente; si no queda ninguna, es determinado para todo k.

Parámetros que salen de una solución conocida

«Se sabe que (2, −1, 1) es solución» es información: se reemplaza el punto en cada ecuación y quedan ecuaciones cuyas incógnitas son los parámetros. Con esos valores, el sistema ya no tiene letras y se resuelve normalmente.

Dos sistemas con una solución en común

Un punto es solución de los dos si cumple todas las ecuaciones de los dos. Entonces se juntan todas en un solo sistema: sus soluciones son las comunes. «Exactamente una en común» quiere decir que el sistema junto es compatible determinado.

El control que conviene hacer siempre

Probá un valor concreto de k en cada caso y clasificá ese sistema sin letras. Por ejemplo, si dijiste «determinado para k ≠ 1 y k ≠ −2», resolvé con k = 0 y verificá que sale una sola solución; y reemplazá k = 1 y k = −2 para ver con tus ojos la fila 0 = 0 o la fila 0 = c.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Clasificar según los valores de k el sistema x₁ + x₂ − x₃ = 1 ; 2x₁ + 3x₂ = 5 ; x₁ + 2x₂ + (k² + k − 1)x₃ = k + 3.

Escalonar: la k ya está en la última fila, así que la dejo ahí.

F2 − 2F1: ( 0 1 2 | 3 )
F3 − F1: ( 0 1 k² + k | k + 2 )
F3 − F2: ( 0 0 k² + k − 2 | k − 1 )

El último escalón: p(k) = k² + k − 2 = (k − 1)(k + 2), que se anula en k = 1 y en k = −2. Y q(k) = k − 1.

Caso por caso:

k = 1: ( 0 0 0 | 0 ) → c. indeterminado
k = −2: ( 0 0 0 | −3 ) → incompatible
k ≠ 1 y k ≠ −2 → c. determinado

Control con k = 0 (caso determinado): la última fila es −2x3 = −1, x3 = 1/2; después x2 = 3 − 1 = 2 y x1 = 1 − 2 + 1/2 = −1/2. En la tercera ecuación original con k = 0: −1/2 + 4 − 1/2 = 3 = k + 3 ✔. Una sola solución, como se dijo.

Control con k = 1: con x3 = t queda (−2 + 3t, 3 − 2t, t). En la tercera original, x1 + 2x2 + x3 = −2 + 3t + 6 − 4t + t = 4 = k + 3 ✔ para todo t.

Dónde se pierde el punto: ver que p(k) se anula en dos valores y declarar «incompatible» en los dos. En k = 1 también se anula q(k), y ahí hay infinitas soluciones.

Y uno del nivel del parcial

Se sabe que (2, −1, 1) es solución del sistema ax₁ + x₂ + bx₃ = 1 ; x₁ + bx₂ + x₃ = 5. Hallar a y b, y después todas las soluciones del sistema.

Reemplazar el punto: cada ecuación da una condición sobre a y b.

2a − 1 + b = 1
2 − b + 1 = 5

De la segunda, b = −2. En la primera: 2a − 1 − 2 = 1, a = 2.

El sistema sin letras:

2x1 + x2 − 2x3 = 1
x1 − 2x2 + x3 = 5

Escalonar: intercambio las filas para tener un 1 arriba y hago F2 − 2F1: ( 0 5 −4 | −9 ). Dos escalones y tres incógnitas: una libre.

Un atajo para no arrastrar fracciones: ya conozco una solución, (2, −1, 1). A cualquier solución se llega desde ésa sumándole una solución del homogéneo (el mismo sistema con ceros a la derecha). Busco una con enteros: 5x2 − 4x3 = 0 con x3 = 5 da x2 = 4, y de x1 − 2x2 + x3 = 0 sale x1 = 3. Entonces:

(2, −1, 1) + s·(3, 4, 5)
= (2 + 3s, −1 + 4s, 1 + 5s), s ∈ ℝ

Control con s = 1, que da (5, 3, 6): 10 + 3 − 12 = 1 ✔ y 5 − 6 + 6 = 5 ✔.

Dónde se pierde el punto: contestar sólo a y b. El enunciado pide también todas las soluciones, y una solución conocida no es «la» solución: el sistema tiene dos ecuaciones y tres incógnitas.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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