algebra lineal y sus aplicaciones

IMPORTANTE:

Si est adquiriendo un libro nuevo y este cdigo aparece descubierto, es probable que ya haya sido utilizado por alguien ms.

El cdigo de acceso para el estudiante que viene a continuacin slo puede usarse una vez y permite el acceso a esta plataforma durante un ao.

Para registrarse en lnea, ingrese a www.mathxl.com, vaya a la seccin Register,seleccione la opcin Student y siga las instrucciones que aparecen en pantalla.

Cdigo de acceso a MathXL (en ingls)

Use una moneda para raspar y descubrir el cdigo de acceso. No use objetos afilados porque podra daarlo.

El cdigo de acceso no puede ser reemplazado en caso de dao.

Forma de desviacin media para datos, 370, 425Formas cuadrticas en estadstica, 401Inversa de Moore-Penrose, 422Mnimos cuadrados ponderados, 376, 383-385Modelo lineal en estadstica, 368-375North American Datum, WEB 329-330Polinomios ortogonales, 379Potencias de una matriz, WEB 98Procesamiento de imgenes multicanal, WEB 393-394,

424-432 Rango completo, 237Recta de mnimos cuadrados, WEB 329, WEB 367, 368-370Regresin mltiple, 372-373Regresin ortogonal, 431-432Sumas de cuadrados (en regresin), 375, 383-384Varianza, 375, 426-427

IngenieraConduccin de calor, 131Control del transbordador espacial, WEB 189-190Controles de retroalimentacin, 469 Boeing Blended Wing Body, WEB 92DFC y diseo de aeronaves, WEB 91-92Deflexin de una viga elstica, 104, 111Deformacin de un material, 432Desempeo de aeronaves, 375, 389Encuestas, WEB 329-330Factorizacin LU y flujo de aire, WEB 92Filtro promedio de movimiento, 252Matrices de flexibilidad y rigidez, 104, 111Principio de superposicin, 66, 83, 312Procesamiento de imgenes, WEB 393-394, 424-425, 430Temperaturas de equilibrio, 11, 87-88, WEB 131Viga en voladizo, 252

Ingeniera elctricaCircuito de inductancia y capacitancia, 205Circuitos en serie y en derivacin, 128Circuito RC, 312-313Circuito RLC, 214, 316-318Corrientes de rama y circuito, WEB 82-84Diseo de circuitos, WEB 2, 128Filtro pasa bajos, 247, WEB 367Filtros lineales, 246-247, 252Flujo de corriente en redes, WEB 82-83, 86-87Ley de Ohm, WEB 82-83Leyes de Kirchhoff, WEB 82-83Matriz de transferencia, 128-129, 130-131Realizacin mnima, 129Red de escalera, 128, 130-131Seales de tiempo discreto, 191-192, 244-245Transformadas de Laplace, 122, 178

Matemticasrea y volumen, WEB 163-164, 180-184, 275 Atractores/repulsores en un sistema dinmico, 304-307, 310,

313-314, 318

Desigualdad de Bessel, 390Desigualdad de Cauchy-Schwarz, 379-380 Desigualdad del tringulo, 380Ecuaciones diferenciales, 204-205, 311-319 Extremos para funciones de varias variables, 407 Hipercubo, 477-479Interpolacin de polinomios, WEB 23, 160Isomorfismo, 155, 220-221Matriz jacobiana, 304Mejor aproximacin en espacios de funciones, 378-379 Polinomio de Legendre, 383Polinomios de Hermite, 229Polinomios de Laguerre, 229Polinomios trigonomtricos, 387Secciones cnicas y superficies cuadrticas, WEB 405-406 Series de Fourier, 387-388 Simplejo, 475-477Splines, WEB 23, 481-484, 490-491Transformadas de Laplace, 122, 178Transformaciones lineales en clculo, 204, WEB 290-292

Negocios y economaCadenas de Markov, WEB 253-262, 279Conjunto factible, 412Curva de costo promedio, 371-372Curva de costo total, 372Curvas de indiferencia, 412-413Demanda intermedia, 133Ecuacin de precio, 137Flotilla de automviles en renta, 87, 261Inversin, 252Maximizacin de la utilidad sujeta a una restriccin de presupuesto,

412-413Modelo acelerador-multiplicador, 251Modelo de costo variable, 374Modelo de entrada y salida de Leontief, 1, WEB 132-138Modelo de intercambio de Leontief, 1, WEB 49-51Movimientos de poblacin, 84-85, 87, 255, 261, 279Operaciones de manufactura, 31, 67-68Precios de equilibrio, WEB 49-51, 54Producto interno bruto, 137Programa de amortizacin de prstamos, 252Programacin lineal, WEB 2, WEB 82-83, 120, 436, 469, 472Propensin marginal al consumo, 251Tabla de intercambio, 53-54Vector de valor agregado, 137Vectores de costo, 31

Teora de controlFuncin de transferencia (matriz), 122, 128-129Ingeniera de sistemas de control, 122, WEB 189-190Modelo de estado y espacio, WEB 264, 301Respuesta de estado estable, 301Sistema controlable, WEB 264Sistema desacoplado, 306, 312, 315Sonda espacial, 121

C U A R T A E D I C I N

lgebra linealy sus aplicaciones

David C. LayUniversity of MarylandCollege Park

TraduccinAna Elizabeth Garca HernndezTraductora especialista en matemticas

Revisin tcnicaJavier Alfaro PastorInstituto Tecnolgico Autnomo de Mxico

Datos de catalogacin bibliogrfica

LAY, DAVID C.lgebra lineal y sus aplicaciones.Cuarta edicinPEARSON EDUCACIN, Mxico, 2012

ISBN: 978-607-32-1398-1 rea: Matemticas

Formato: 21 27 cm Pginas: 576

Authorized translation from the English language edition, entitled LINEAR ALGEBRA AND ITS APPLICATIONS 4th Edition, by DAVID LAY, published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Copyright 2012. All rights reserved. ISBN 9780321385178

Traduccin autorizada de la edicin en idioma ingls, titulada LINEAR ALGEBRA AND ITS APPLICATIONS 4 edicin por DAVID LAY, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Prentice Hall, Copyright 2012. Todos los derechos reservados.

Esta edicin en espaol es la nica autorizada.

Edicin en espaolDireccin Educacin Superior: Mario ContrerasEditor sponsor: Gabriela Lpez Ballesterose-mail: [email protected] de desarrollo: Felipe Hernndez CarrascoSupervisor de Produccin: Enrique Trejo HernndezGerencia Editorial Latinoamrica: Marisa de Anta

CUARTA EDICIN, 2012

D.R. 2012 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5 piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Jurez Estado de Mxico

Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. nm. 1031.

Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor.

El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus representantes.

ISBN 978-607-32-1398-1ISBN e-book 978-607-32-1399-8ISBN e-chapter 978-607-32-1400-1

Impreso en Mxico. Printed in Mexico.1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 15 14 13 12

ISBN: 978-607-32-1398-1www.pearsonenespaol.com

A mi esposa, Lillian, y a nuestras hijas Christina, Deborah y Melissa, cuyo apoyo, nimos y devotas oraciones hicieron posible este libro.

iv

Acerca del autor

David C. Lay tiene una licenciatura de Aurora University (Illinois), y una maestra y un doc-torado en la Universidad de California en Los ngeles. Lay ha sido catedrtico e investigador en matemticas desde 1966, principalmente en la Universidad de Maryland, College Park. Tambin ha trabajado como profesor visitante en la Universidad de Amsterdam, en la Uni-versidad Libre de Amsterdam y en la Universidad de Kaiserslautern, en Alemania. Ha escrito ms de 30 artculos de investigacin de anlisis funcional y lgebra lineal.

Como miembro fundador del Grupo de Estudio del Currculo de lgebra Lineal patro-cinado por la NSF, ha sido lder en el movimiento actual para modernizar el plan de estudios de lgebra lineal. Lay tambin es coautor de varios libros de matemticas, entre los que se incluyen, Introduction to Functional Analysis, con Angus E. Taylor, Calculus and its Appli-cations, con L. J. Goldstein y D. I. Schneider, y Linear Algebra GemsAssets for Undergra-duate Mathematics, con D. Carlson, C. R. Johnson y A. D. Porter.

El profesor Lay ha recibido cuatro premios universitarios por excelencia docente, inclui-do el de Distinguished Scholar Teacher de la Universidad de Maryland en 1996. En 1994 la Mathematical Association of America le otorg el premio Distinguished College or Univer-sity Teaching of Mathematics. Ha sido elegido por los estudiantes universitarios como miem-bro de la Alpha Lambda Delta National Scholastic Honor Society y de la Golden Key National Honor Society. En 1989 Aurora University le concedi el premio Outstanding Alumnus. Lay es miembro de la American Mathematical Society, de la Canadian Mathematical Society, de la International Linear Algebra Society, de la Mathematical Association of America, Sig-ma Xi, y de la Society for Industrial and Applied Mathematics. Desde 1992 ha formado parte de la junta directiva nacional de la Association of Christians in the Mathematical Sciences.

vContenido

Prefacio ixNota para los estudiantes xvi

Captulo 1 Ecuaciones lineales en lgebra lineal 1

EJEMPLO INTRODUCTORIO: Modelos lineales en economa e ingeniera 11.1 Sistemas de ecuaciones lineales 21.2 Reduccin por filas y formas escalonadas 121.3 Ecuaciones vectoriales 241.4 Ecuacin matricial Ax ! b 341.5 Conjuntos solucin de sistemas lineales 431.6 Aplicaciones de sistemas lineales 491.7 Independencia lineal 551.8 Introduccin a las transformaciones lineales 621.9 Matriz de una transformacin lineal 701.10 Modelos lineales en los negocios, ciencia e ingeniera 80 Ejercicios complementarios 88

Captulo 2 lgebra de matrices 91

EJEMPLO INTRODUCTORIO: Modelos de computadora en el diseo de aeronaves 912.1 Operaciones de matrices 922.2 La inversa de una matriz 1022.3 Caracterizaciones de matrices invertibles 1112.4 Matrices particionadas 1172.5 Factorizaciones de matrices 1232.6 El modelo de Leontief de entrada y salida 1322.7 Aplicaciones a los grficos por computadora 1382.8 Subespacios de !n 1462.9 Dimensin y rango 153 Ejercicios complementarios 160

Captulo 3 Determinantes 163

EJEMPLO INTRODUCTORIO: Trayectorias aleatorias y distorsin 1633.1 Introduccin a los determinantes 1643.2 Propiedades de los determinantes 169

vi Contenido

3.3 Regla de Cramer, volumen y transformaciones lineales 177 Ejercicios complementarios 185

Captulo 4 Espacios vectoriales 189

EJEMPLO INTRODUCTORIO: Vuelo espacial y sistemas de control 1894.1 Espacios y subespacios vectoriales 1904.2 Espacios nulos, espacios columna y transformaciones lineales 1984.3 Conjuntos linealmente independientes; bases 2084.4 Sistemas de coordenadas 2164.5 La dimensin de un espacio vectorial 2254.6 Rango 2304.7 Cambio de base 2394.8 Aplicaciones a las ecuaciones en diferencias 2444.9 Aplicaciones a cadenas de Markov 253 Ejercicios complementarios 262

Captulo 5 Valores propios y vectores propios 265

EJEMPLO INTRODUCTORIO: Sistemas dinmicos y bhos manchados 2655.1 Vectores propios y valores propios 2665.2 La ecuacin caracterstica 2735.3 Diagonalizacin 2815.4 Vectores propios y transformaciones lineales 2885.5 Valores propios complejos 2955.6 Sistemas dinmicos discretos 3015.7 Aplicaciones a ecuaciones diferenciales 3115.8 Estimaciones iterativas para valores propios 319 Ejercicios complementarios 326

Captulo 6 Ortogonalidad y mnimos cuadrados 329

EJEMPLO INTRODUCTORIO: Base de datos geogrficos de Norteamrica y sistema de navegacin GPS 3296.1 Producto interior, longitud y ortogonalidad 3306.2 Conjuntos ortogonales 3386.3 Proyecciones ortogonales 3476.4 Proceso de Gram-Schmidt 3546.5 Problemas de mnimos cuadrados 3606.6 Aplicaciones a modelos lineales 3686.7 Espacios con producto interior 3766.8 Aplicaciones de espacios con producto interior 383 Ejercicios complementarios 390

Contenido vii

Captulo 7 Matrices simtricas y formas cuadrticas 393

EJEMPLO INTRODUCTORIO: Procesamiento de imgenes multicanal 3937.1 Diagonalizacin de matrices simtricas 3957.2 Formas cuadrticas 4017.3 Optimizacin restringida 4087.4 Descomposicin en valores singulares 4147.5 Aplicaciones al procesamiento de imgenes y estadstica 424 Ejercicios complementarios 432

Captulo 8 Geometra de espacios vectoriales 435

EJEMPLO INTRODUCTORIO: Los slidos platnicos 4358.1 Combinaciones afines 4368.2 Independencia afn 4448.3 Combinaciones convexas 4548.4 Hiperplanos 4618.5 Poltopos 4698.6 Curvas y superficies 481

Chapter 9 Optimization

INTRODUCTORY EXAMPLE: The Berlin Airlift9.1 Matrix Games9.2 Linear ProgrammingGeometric Method9.3 Linear ProgrammingSimplex Method9.4 Duality

Chapter 10 Finite-State Markov Chains

INTRODUCTORY EXAMPLE: Google and Markov Chains10.1 Introduction and Examples10.2 The Steady-State Vector and Googles PageRank10.3 Communication Classes10.4 Classification of States and Periodicity10.5 The Fundamental Matrix10.6 Markov Chains and Baseball Statistics

Los captulos 9 y 10 se encuentran en ingls en el sitio Web del libro.

viii Contenido

Apndices

A Unicidad de la forma escalonada reducida A1B Nmeros complejos A2

Glosario A7Respuestas a los ejercicios con numeracin impar A17ndice I1Crditos de fotografa C1

ix

Prefacio

La respuesta de los estudiantes y profesores a las tres primeras ediciones de lgebra lineal y sus aplicaciones ha sido muy gratificante. Esta cuarta edicin brinda un importante apoyo tanto para la enseanza como para el uso de la tecnologa en el curso. Al igual que en las ediciones anteriores, el libro ofrece una introduccin elemental actualizada al lgebra lineal y una amplia seleccin de aplicaciones interesantes. El material es accesible a estudiantes con la madurez que se consigue al finalizar de manera exitosa dos semestres de matemticas de nivel universitario, por lo general, de clculo.

El objetivo principal del libro es ayudar a los estudiantes a dominar los conceptos bsicos y las habilidades que usarn ms adelante en sus carreras. Los temas expuestos siguen las re-comendaciones del Grupo de Estudio del Currculo de lgebra Lineal, las cuales se basan en una cuidadosa investigacin de las necesidades reales de los estudiantes y en un consenso entre profesionales de muchas disciplinas que utilizan el lgebra lineal. Esperamos que este curso sea una de las clases de matemticas ms tiles e interesantes para los estudiantes de licenciatura.

LO NUEVO EN ESTA EDICIN El principal objetivo de esta revisin fue actualizar los ejercicios e incluir nuevos contenidos, tanto en el libro como en lnea.

1. Ms del 25 por ciento de los ejercicios son nuevos o actualizados, en especial los ejer-cicios computacionales. Los conjuntos de ejercicios son una de las caractersticas ms importantes de este libro, y estos nuevos ejercicios siguen el mismo estndar elevado de los conjuntos de ejercicios de las tres ltimas ediciones. Estn diseados de tal forma que se refieren a los temas importantes de cada una de las secciones anteriores, y permiten que los alumnos desarrollen confianza al motivarlos a practicar y generalizar las nuevas ideas que acaban de estudiar.

2. El 25 por ciento de los ejemplos introductorios de los captulos son nuevos. Estas in-troducciones tienen que ver con aplicaciones de lgebra lineal y despiertan el inters en torno al desarrollo del tema que se presenta a continuacin. El texto retoma el ejemplo introductorio en una seccin al final de cada captulo.

3. Se incluye un nuevo captulo, el 8, titulado Geometra de los espacios vectoriales, el cual presenta un tema novedoso que mis alumnos han disfrutado estudiar. Las seccio-nes 1, 2 y 3 ofrecen las herramientas geomtricas bsicas. La seccin 6 utiliza estas ideas para estudiar las curvas y superficies de Bzier, las cuales se utilizan en grficos elabo-rados con computadora en el campo de la ingeniera y en lnea (en Adobe Illustrator y Macromedia FreeHand). Estas cuatro secciones se pueden cubrir en cuatro o cinco sesiones de clase de 50 minutos.

El segundo curso en las aplicaciones de lgebra lineal suele comenzar con una revisin sustancial de las ideas principales del primer curso. Si una parte del captulo 8 se encuentra en el primer curso, el segundo podra incluir una breve resea de las seccio-nes 1 a 3 y, luego, un enfoque de la geometra en las secciones 4 y 5. Eso conducira, naturalmente, a los captulos 9 y 10 que se presentan en lnea, los cuales se han utilizado junto con el captulo 8 en varias escuelas en los ltimos cinco aos.

x Prefacio

4. Hay dos nuevos captulos disponibles en lnea en ingls, y se pueden utilizar en un segundo curso:

Chapter 9. Optimization Chapter 10. Finite-State Markov Chains Se requiere un cdigo de acceso y est disponible para todos los profesores que adopten el

libro. Para ms informacin, visite www.pearsonhighered.com/irc o pngase en contacto con su representante de Pearson.

5. Diapositivas de PowerPoint estn disponibles para las 25 secciones principales del texto; tambin se incluyen ms de 75 figuras del texto.

CARACTERSTICAS DISTINTIVAS

Introduccin temprana a los conceptos claveMuchas de las ideas fundamentales del lgebra lineal se introducen dentro de las primeras siete lecturas en el contexto concreto de !n, y despus, gradualmente, se examinan desde diferentes puntos de vista. Ms adelante, se presentan generalizaciones de estos conceptos como exten-siones naturales de ideas familiares, visualizadas a travs de la intuicin geomtrica desarro-llada en el captulo 1. Un logro importante del libro es que el nivel de dificultad es bastante uniforme durante todo el curso.

Una visin moderna de la multiplicacin de matricesUna buena notacin es importante, y el libro refleja la manera en que los cientficos e ingenie-ros utilizan el lgebra lineal en la prctica. Las definiciones y demostraciones se centran en las columnas de una matriz antes que en sus entradas. Un tema central es considerar un producto matriz-vector Ax como una combinacin lineal de las columnas de A. Este enfoque moderno simplifica muchos argumentos, y vincula las ideas de espacio vectorial con el estudio de sis-temas lineales.

Transformaciones linealesLas transformaciones lineales forman un hilo que se entreteje en la trama del libro. Su uso mejora el sentido geomtrico del texto. En el captulo 1, por ejemplo, las transformaciones lineales ofrecen una visin dinmica y grfica de la multiplicacin matriz-vector.

Valores propios y sistemas dinmicosLos valores propios se presentan muy pronto en el libro, en los captulos 5 y 7. Como este material se estudia durante varias semanas, los estudiantes tienen ms tiempo de lo habitual para aprender y revisar tales conceptos fundamentales. Los valores propios se aplican a sis-temas dinmicos discretos y continuos, los cuales se presentan en las secciones 1.10, 4.8 y 4.9, y en las cinco secciones del captulo 5. Algunos cursos llegan al captulo 5, despus de aproximadamente cinco semanas, cubriendo las secciones 2.8 y 2.9 en vez del captulo 4. Estas dos secciones opcionales presentan todos los conceptos de espacio vectorial del cap-tulo 4 necesarios para el captulo 5.

Ortogonalidad y problemas de mnimos cuadradosEstos temas reciben un tratamiento ms completo que el que se otorga comnmente en los libros bsicos. El Grupo de Estudio del Currculo de lgebra Lineal ha hecho hincapi en la necesidad de contar con una unidad sustancial de ortogonalidad y problemas de mnimos cuadrados, ya que la ortogonalidad desempea un importante papel en los clculos compu-tacionales y en el lgebra lineal numrica, y porque, con frecuencia, en el trabajo prctico surgen sistemas lineales inconsistentes.

Prefacio xi

CARACTERSTICAS PEDAGGICAS

AplicacionesUna amplia seleccin de aplicaciones muestra el poder del lgebra lineal para explicar princi-pios fundamentales y simplificar los clculos en ingeniera, ciencias de la computacin, mate-mticas, fsica, biologa, economa y estadstica. Algunas aplicaciones se presentan en secciones separadas, mientras que otras se explican con ejemplos y ejercicios. Adems, cada captulo se inicia con un ejemplo introductorio que prepara el escenario para algunas aplicaciones del l-gebra lineal y sirve de base para el desarrollo de las matemticas que siguen. Despus, el texto considera nuevamente la aplicacin en una seccin cercana al final del captulo.

Un fuerte nfasis geomtricoTodos los conceptos importantes en el curso cuentan con una interpretacin geomtrica, ya que muchos estudiantes aprenden mejor cuando logran visualizar una idea. Aqu se presentan ms dibujos de lo habitual, y algunas de las figuras nunca antes se han presentado en un libro de lgebra lineal.

EjemplosEste libro dedica una mayor proporcin de su material de exposicin a ejemplos, en compa-racin con la mayora de libros de lgebra lineal. Hay ms ejemplos de los que un profesor presenta normalmente en clase. Puesto que los ejemplos se escribieron con sumo cuidado y con detalle, los estudiantes pueden leerlos por su cuenta.

Teoremas y demostracionesLos resultados importantes se establecen como teoremas. Otros datos tiles se presentan en recuadros, para una fcil localizacin. La mayora de los teoremas incluyen demostraciones formales, escritas pensando en el alumno principiante. En algunos casos, los clculos esencia-les de una demostracin se muestran en un ejemplo cuidadosamente elegido. Algunas com-probaciones de rutina se dejan para los ejercicios, cuando sea benfico para los estudiantes.

Problemas de prcticaAntes de cada conjunto de ejercicios se incluyen problemas de prctica seleccionados con gran cuidado. Las soluciones completas se presentan despus del conjunto de ejercicios. Es-tos problemas se centran en los aspectos problemticos del conjunto de ejercicios o sirven de calentamiento para los ejercicios; con frecuencia, las soluciones contienen tiles consejos o advertencias acerca del trabajo que hay que realizar.

EjerciciosEl gran nmero de ejercicios incluye desde algunos que tienen que ver con clculos de rutina hasta preguntas conceptuales que requieren de mayor reflexin. Un buen nmero de preguntas innovadoras destacan las dificultades conceptuales que he encontrado en los documentos de los estudiantes en los ltimos aos. Cada conjunto de ejercicios est cuidadosamente organi-zado en el mismo orden general que el libro, de manera que las tareas se pueden encontrar fcilmente cuando solo se ha estudiado una parte de la seccin. Una caracterstica notable de los ejercicios es su sencillez numrica. El contenido de los problemas se puede ordenar rpi-damente, para que los estudiantes dediquen poco tiempo a los clculos numricos. Los ejerci-cios se concentran en ensear a razonar antes que en realizar clculos mecnicos. Los ejercicios de la cuarta edicin conservan la integridad de los que se incluyeron en la tercera edicin, y presentan nuevos problemas para estudiantes y profesores.

Los ejercicios marcados con el smbolo [M] estn diseados para trabajarse con la ayuda de un programa de Matrices (por ejemplo, programas computacionales, como MATLAB, Maple, Mathematica, MathCad, o Derive, o calculadoras programables con capacida-des matriciales, como las que fabrica Texas Instruments).

xii Prefacio

Preguntas verdadero/falsoPara animar a los estudiantes a leer todo el libro y a pensar crticamente, he desarrollado 300 preguntas sencillas de falso/verdadero que se presentan en 33 secciones del libro, justo despus de los problemas computacionales. Estas preguntas se pueden contestar directamente del libro, y preparan al estudiante para los problemas conceptuales que siguen. Los estudian-tes aprecian estas preguntas una vez que valoran la importancia de leer con cuidado el libro. Con base en las pruebas de clase y los anlisis con los estudiantes, decid no incluir las res-puestas en el libro. Se cuenta con 150 preguntas adicionales de falso/verdadero (casi siem-pre al final de los captulos) para comprobar la comprensin del material. El libro presenta solo respuestas con V o F para la mayora de estas preguntas, pero omite las justificaciones de las respuestas (las cuales, por lo general, requieren de cierto razonamiento).

Ejercicios de escrituraLa capacidad de escribir enunciados matemticos coherentes en espaol es esencial para todos los estudiantes de lgebra lineal, y no solo para aquellos que cursan un posgrado en matemti-cas. El libro incluye muchos ejercicios para los que una justificacin por escrito es parte de la respuesta. Los ejercicios conceptuales que requieren una prueba corta, por lo general, incluyen consejos que ayudan a los estudiantes a comenzar. Para todos los ejercicios de escritura de numeracin impar, en la parte final del libro, se incluye ya sea una solucin o una sugerencia.

Temas computacionalesEl libro hace hincapi en los efectos de la computadora tanto en el desarrollo como en la prc-tica del lgebra lineal en las ciencias y la ingeniera. Las frecuentes notas numricas llaman la atencin en torno a problemas computacionales; adems, distinguen entre los conceptos tericos, como la inversin de matrices, y las implementaciones computacionales, como la factorizacin LU.

APOYO EN LNEAEl sitio Web en www.pearsonenespaol.com/lay contiene material de apoyo para el libro de texto. Para los estudiantes, incluye hojas de repaso y exmenes de prctica (con soluciones) que cubren los temas principales en el libro. Estas secciones provienen directamente de cur-sos que he impartido en los ltimos aos. Cada hoja de repaso identifica definiciones clave, as como teoremas y habilidades de una parte especfica del libro.

Aplicaciones de los captulosEl sitio Web tambin contiene siete estudios de caso, los cuales amplan los temas introdu-cidos al inicio de cada captulo, al agregar datos del mundo real y la posibilidad de realizar una exploracin ms profunda. Por otro lado, ms de veinte proyectos de aplicacin amplan los temas del libro e introducen nuevas aplicaciones, como splines cbicos, rutas de vuelo de aerolneas, matrices de dominio en competencias deportivas y cdigos de correccin de errores. Algunas aplicaciones matemticas son tcnicas de integracin, ubicacin de races polinomiales, secciones cnicas, superficies cuadrticas y extremos de funciones de dos va-riables. Tambin se incluyen temas de lgebra lineal numrica, como nmeros de condicin, factorizaciones de matrices y el mtodo QR para encontrar valores propios. Entretejidos en cada anlisis, se encuentran ejercicios que pueden implicar grandes conjuntos de datos (por lo que requieren de tecnologa para su solucin).

Introduccin a la tecnologaSi el curso incluye un trabajo con MATLAB, Maple, Mathematica o calculadoras TI, se puede leer uno de los proyectos en el sitio Web para tener una introduccin a la tecnologa.

Prefacio xiii

Archivos de datosCientos de archivos contienen datos de 900 ejercicios del texto, estudios de caso y proyec-tos de aplicacin. Los datos estn disponibles en www.pearsonenespaol.com/lay en una variedad de formatos, para MATLAB, Maple, Mathematica y las calculadoras graficadoras TI-83+/86/89. Al permitir a los alumnos acceder a las matrices y los vectores de un problema particular con solo pulsar unas cuantas teclas, los archivos de datos eliminan los errores de captura de datos y ahorran tiempo en la tarea.

Proyectos MATLAB Estos proyectos de exploracin invitan a los estudiantes a descubrir los aspectos matemti-cos y numricos bsicos de lgebra lineal. Escritos por Rick Smith, se han desarrollado para acompaar los cursos de lgebra lineal computacional en la Universidad de Florida, que han utilizado lgebra lineal y sus aplicaciones durante muchos aos. Se hace referencia a los proyectos por medio de un icono WEB en puntos adecuados del libro. Alrededor de la mitad de los proyectos exploran conceptos fundamentales, como el espacio columna, la diagonali-zacin y las proyecciones ortogonales; varios proyectos tratan temas numricos, tales como flops, mtodos iterativos y DVS, y algunos ms exploran aplicaciones como la interpolacin de Lagrange y las cadenas de Markov.

COMPLEMENTOS

Manuales de tecnologa para el profesor Cada manual ofrece una gua detallada para integrar al curso un paquete de software especfico o una calculadora grfica. Los manuales fueron escritos por profesores que ya han utilizado tecnologa con este libro. Los siguientes manuales estn disponibles para profesores que adop-ten el libro, a travs de Pearson Instructor Resource Center, www.pearsonhighered.com/irc: MATLAB (ISBN: 0-321-53365-8), Maple (ISBN: 0-321-75605-3), Mathematica (ISBN: 0-321-38885-2) y TI-83+/86/89 (ISBN: 0-321-38887-9).

AGRADECIMIENTOSEstoy muy agradecido con muchos grupos de personas que me han ayudado en los ltimos aos con diversos aspectos de este libro.

Quiero agradecer a Israel Gohberg y Robert Ellis, quienes desde hace ms de quince aos han colaborado conmigo en la investigacin, lo que ha contribuido a formar en gran parte mi punto de vista del lgebra lineal. Para m, ha sido un privilegio ser un miembro del Gru-po de Estudio del Currculo de lgebra Lineal junto con David Carlson, Charles Johnson y Duane Porter. Sus ideas creativas acerca de la enseanza del lgebra lineal han influido en este libro de forma significativa.

Agradezco sinceramente a los siguientes revisores por su cuidadoso anlisis y sugeren-cias constructivas:

Rafal Ablamowicz, Tennessee Technological University Brian E. Blank, Washington University en Saint Louis Vahid Dabbaghian-Abdoly, Simon Fraser University James L. Hartman, The College of Wooster Richard P. Kubelka, San Jose State University Martin Nikolov, University of Connecticut Ilya M. Spitkovsky, College of William & Mary

John Alongi, Northwestern UniversitySteven Bellenot, Florida State UniversityHerman Gollwitzer, Drexel UniversityDavid R. Kincaid, The University of Texas en AustinDouglas B. Meade, University of South CarolinaTim Olson, University of FloridaAlbert L. Vitter III, Tulane University

xiv Prefacio

En esta cuarta edicin, agradezco a mi hermano, Steven Lay, de Lee University, por su ge-nerosa ayuda y aliento, y por su reciente revisin del captulo 8. Agradezco a Raymond Rosentrater, de Westmont College, por sus tiles consejos y su ayuda con los ejemplos intro-ductorios de los captulos. Otra talentosa profesora, Judith McDonald, de Washington State University, desarroll muchos nuevos ejercicios para el libro. Su ayuda y entusiasmo por el libro fue muy refrescante y estimulante.

Agradezco a los expertos en tecnologa que trabajaron en los diferentes complementos de la cuarta edicin, la preparacin de los datos, la redaccin de las notas para los profesores, la escritura de notas de tecnologa para los estudiantes y por compartir sus proyectos con nosotros: Jeremy Case (MATLAB), Taylor University; Douglas Meade (Maple), University of South Carolina; Michael Miller (calculadora TI), Western Baptist College; y Marie Vanisko (Mathematica), Carroll College.

Agradezco al profesor John Risley y a los estudiantes de posgrado David Aulicino, Sean Burke y Goldberg Hersh por sus conocimientos tcnicos para ayudar a desarrollar las tareas en lnea que apoyan el libro. Por las pruebas en clase de este apoyo de tareas en l-nea, estoy muy agradecido con: Agnes Boskovitz, Malcolm Brooks, Elizabeth Ormerod, Alexander Isaev y John Urbas, de la Australian National University; John Scott y Wee Leben, del Montgomery College, Maryland; y Xingru Zhang en SUNY University of Buffalo.

Agradezco la ayuda de Blaise DeSesa, Jean Horn, Roger Lipsett, Paul Lorczak, Thomas Polaski, Sarah Streett y Marie Vanisko, quienes comprobaron la exactitud de los clculos en el libro.

Por ltimo, agradezco sinceramente al personal de Addison-Wesley por toda su ayuda en el desarrollo y la produccin de la cuarta edicin: Caroline Celano, editora responsable; Chere Bemelmans, editora de contenido; Tamela Ambush, editora administrativa asociada; Carl Cottrell, productor de medios de comunicacin; Jeff Weidenaar, director ejecutivo de marketing; Kendra Bassi, asistente de marketing; y Andrea Nix, diseadora de texto. Por l-timo, agradezco a tres buenos amigos que han guiado el desarrollo de la obra casi desde el principio con sus sabios consejos y estmulos: Greg Tobin, editor, Laurie Rosatone, editor anterior, y William Hoffman, editor actual. Muchas gracias a todos.

David C. Lay

Prefacio xv

COLOMBIAUniversidad Nacional de ColombiaDepartamento de MatemticasGustavo Rubiano

MXICOAGUASCALIENTESInstituto Tecnolgico de Aguascalientes Ciencias BsicasAlejandra Espinosa GuzmnDavid Ortiz AcostaJess Espino MrquezJos Refugio Gonzlez LpezJudith Mauricio de AndaPaula Castillo RosalesSergio Heraccio Snchez Calvillo

DISTRITO FEDERALInstituto Tecnolgico Autnomo de MxicoDepartamento de MatemticasAraceli Reyes GuerreroMarcela Gonzlez Pelez

Universidad Anhuac del SurDepartamento de MatemticasJos Antonio Bohon Devars

Universidad del Valle de Mxico campus TlalpanDepartamento de MatemticasJuan Andrs Aspiazu Fabin

GUANAJUATOInstituto Tecnolgico de CelayaCiencias BsicasJos Carlos Crdenas Rivera

SAN LUIS POTOSUniversidad Autnoma de San Luis PotosFsica y MatemticasGuadalupe Silva EsparzaJ. Socorro Loera DazMara del Pilar Yudiche PazMara Eugenia Noriega TrevioMara Irene Liliana Gallegos GarcaMara Isabel Zermeo MantanteMiguel ngel Viramontes Reyna

PUEBLAInstituto Tecnolgico de Estudios Superiores de Monterrey, Campus PueblaDepartamento Acadmico de AdministracinEscuela de Negocios y Ciencias SocialesJorge Alberto Gonzlez MendivilMiguel Guadalupe Daz Snchez

Instituto Tecnolgico de PueblaDepartamento Ingeniera IndustrialEscuela de IngenieraAlfonso Serrano Glvez

Universidad De Las Amricas PueblaDepartamento de TurismoEscuela de Negocios y EconomaAlfonso Rocha Herrera

Universidad Popular Autnoma del Estado de PueblaDepartamento AdministracinEscuela de NegociosClaudia Malcn Cervera

SINALOAInstituto Tecnolgico de Estudios Superiores de Monterrey, Campus SinaloaDepartamento de IngenieraCruz Evelia Sosa Carrillo

Universidad de Occidente, Unidad CuliacnDepartamento de IngenieraRal Soto Murray

Pearson agradece a los profesores usuarios de esta obra y a los centros de estudio por su apoyo y retroalimentacin, elementos fundamentales para esta nueva edicin de lgebra lineal y sus aplicaciones.

AGRADECIMIENTOS

Nota para los estudiantes

Este curso es potencialmente el ms interesante y valioso de los cursos de matemticas de licenciatura. De hecho, algunos estudiantes me han escrito o han hablado conmigo despusde la graduacin para decirme que an utilizan este libro de cuando en cuando como una refe-rencia en su carrera en las grandes corporaciones y en las escuelas de posgrado de ingeniera. Los siguientes comentarios ofrecen algunos consejos prcticos e informacin para ayudarle a dominar el material y disfrutar del curso.

En lgebra lineal, los conceptos son tan importantes como los clculos. Los sencillos ejercicios numricos que se incluyen al principio de cada conjunto de ejercicios solo le ayudarn a comprobar su comprensin de los procedimientos bsicos. Ms adelante en su carrera, las computadoras harn los clculos, pero usted tendr que elegir cules son perti-nentes, saber interpretar los resultados, y despus explicar los resultados a otras personas. Por esta razn, muchos ejercicios en el libro le piden que explique o justifique sus clculos. Con frecuencia se solicita una explicacin por escrito como parte de la respuesta. Para los ejercicios con numeracin impar, se incluye ya sea la explicacin deseada o, al menos, una buena sugerencia. Debe evitar la tentacin de consultar esas respuestas antes de haber tra-tado de escribir la solucin. De lo contrario, es probable que crea que entiende algo cuando en realidad no es as.

Para dominar los conceptos de lgebra lineal, tendr que leer y releer el texto con cuida-do. Los nuevos trminos aparecen en negritas, a veces dentro de un recuadro de definicin. Al final del libro se incluye un glosario. Algunos hechos importantes se establecen como teoremas o se destacan en recuadros sombreados, para una fcil localizacin. Le animo a que lea las primeras cinco pginas del prefacio para aprender ms acerca de la estructura de este libro. Esto le dar una idea para comprender cmo puede continuar el curso.

En un sentido prctico, el lgebra lineal es un lenguaje. Usted tiene que aprender este lenguaje de la misma manera que un idioma extranjero, esto es, con el trabajo diario. El ma-terial que se presenta en una seccin no es fcil de entender a menos que haya estudiado a fondo el libro y que haya trabajado los ejercicios de las secciones anteriores. Mantenerse al da con el curso le ahorrar mucho tiempo y angustia!

Notas numricasEspero que lea las notas numricas en el texto, incluso si no est utilizando una computadora o una calculadora grfica con el libro. En la vida real, la mayora de las aplicaciones del l-gebra lineal implican clculos numricos que estn sujetos a algn error numrico, aunque quizs este sea muy pequeo. Las notas numricas le advertirn las posibles dificultades en el uso del lgebra lineal ms adelante en su carrera, y si usted estudia las notas ahora, es ms probable que las recuerde despus.

Si le gusta leer las notas numricas, es posible que desee tomar un curso ms tarde en lgebra lineal numrica. Debido a la gran demanda de mayor capacidad para realizar clcu-los, cientficos de la computacin y matemticos trabajan en lgebra lineal numrica para desarrollar algoritmos de clculos ms rpidos y ms confiables, mientras que los ingenie-ros elctricos disean computadoras pequeas y rpidas para ejecutar algoritmos. Este es un campo emocionante, y su primer curso de lgebra lineal le ayudar a prepararse para ello.

xvi

11Ecuaciones lineales en lgebra lineal

EJEMPLO INTRODUCTORIO

Modelos lineales en economa e ingenieraAl final del verano de 1949, Wassily Leontief, profesor de Harvard, introduca con cuidado la ltima de sus tarjetas perforadas en la computadora Mark II de la universidad. Las tarjetas contenan informacin acerca de la economa de Estados Unidos; se trataba de un resumen de ms de 250,000 datos generados por la Oficina de Estadstica Laboral (U.S. Bureau of Labor) durante dos aos de intenso trabajo. Leontief dividi la economa estadounidense en 500 sectores, que incluan las industrias carbonfera, automotriz, de comunicaciones, etctera. Para cada sector, escribi una ecuacin lineal que describa cmo la industria en cuestin distribua su producto hacia los otros sectores de la economa. Como la computadora Mark II, una de las ms grandes de su poca, no poda manejar el sistema resultante de 500 ecuaciones y 500 incgnitas, Leontief redujo el problema a un sistema de 42 ecuaciones y 42 incgnitas.

Programar la Mark II para manejar las 42 ecuaciones de Leontief requiri varios meses de trabajo, y l estaba ansioso por ver cunto tardara la computadora en resolver el problema. La mquina emiti zumbidos y sus luces parpadearon durante 56 horas antes de que finalmente arrojara un resultado. En las secciones 1.6 y 2.6 se analizar la naturaleza de esa solucin.

Leontief, galardonado en 1973 con el Premio Nobel de Economa, abri la puerta a una nueva era en la elaboracin de modelos matemticos en economa. Sus esfuerzos en Harvard, en 1949, representaron uno de los primeros usos significativos de las computadoras para analizar lo que,

en esa poca, era un modelo matemtico de gran escala. Desde entonces, investigadores en muchos otros campos han empleado computadoras para analizar modelos matemticos. Debido a las enormes cantidades de datos implicados, los modelos, por lo regular, son lineales; es decir, se describen mediante sistemas de ecuaciones lineales.

La importancia del lgebra lineal para diversas aplicaciones ha crecido en proporcin directa al incremento de la capacidad de las computadoras, y cada nueva generacin de hardware y software dispara la demanda de capacidades aun mayores. Por ello, la ciencia de la computacin est fuertemente vinculada con el lgebra lineal a travs del explosivo crecimiento de los procesamientos en paralelo y el clculo a gran escala.

Ahora los cientficos e ingenieros trabajan en problemas cada vez ms complejos, lo que era impensable hace algunas dcadas. Actualmente, el lgebra lineal tiene mayor valor potencial para estudiantes de muchos campos cientficos y de negocios que cualquier otra materia de matemticas! El material que se presenta en este libro ofrece el fundamento para un trabajo posterior en muchas reas interesantes. A continuacin se mencionan unas cuantas posibilidades; otras se describirn ms adelante.

Exploracin petrolera. Cuando un barco busca depsitos submarinos de petrleo, sus computadoras resuelven todos los das miles de sistemas de ecuaciones lineales. Los datos ssmicos de las

2 CAPTULO 1 Ecuaciones lineales en lgebra lineal

Los sistemas de ecuaciones lineales constituyen el corazn del lgebra lineal, y este captulo los utiliza para introducir, de manera sencilla y concreta, algunos de los conceptos centrales del lgebra lineal. Las secciones 1.1 y 1.2 presentan un mtodo sistemtico para resolver sistemas de ecuaciones lineales. En este libro se emplear dicho algoritmo para realizar diversos clcu-los. Las secciones 1.3 y 1.4 muestran cmo un sistema de ecuaciones lineales es equivalente a una ecuacin vectorial y a una ecuacin matricial. Esta equivalencia reducir problemas que implican combinaciones lineales de vectores a preguntas acerca de sistemas de ecuaciones lineales. Los conceptos fundamentales de generacin, independencia lineal y transformacio-nes lineales, que se estudiarn en la segunda mitad de este captulo, desempearn un papel esencial a lo largo del libro conforme se explore la belleza y el poder del lgebra lineal.

ecuaciones se obtienen a partir de las ondas de cho-que submarinas generadas por explosiones de pistolas de aire. Las ondas rebotan en las rocas bajo el agua, y los gefonos conectados a la popa del barco mediante cables de varios kilmetros se encargan de medirlas.

Programacin lineal. Actualmente, muchas decisiones empresariales importantes se toman con base en modelos de programacin lineal que utilizan cientos de variables. La industria de las aerolneas, por ejemplo, utiliza la programacin lineal para

organizar los itinerarios de las tripulaciones de vuelo, monitorizar la ubicacin de los aviones o planear la variada agenda de los servicios de apoyo, como las actividades operativas y de mantenimiento en las terminales areas.

Redes elctricas. Los ingenieros utilizan software de simulacin para disear circuitos elctricos y microchips, lo que implica millones de transistores. Dicho software se basa en tcnicas de lgebra lineal y en sistemas de ecuaciones lineales.

WEB

Una ecuacin lineal en las variables x1,, xn es una ecuacin que puede escribirse en la forma

a1x1 C a2x2 C ! ! !C anxn D b (1)donde b y los coeficientes a1,, an son nmeros reales o complejos, que generalmente se co-nocen de antemano. El subndice n puede ser cualquier entero positivo. En los ejemplos y ejercicios del libro, n normalmente est entre 2 y 5. En problemas de la vida real, n podra ser 50 o 5000, o incluso mayor.

Las ecuaciones

4x1 " 5x2 C 2 D x1 y x2 D 2!p

6 " x1"C x3

son lineales porque se pueden reordenar algebraicamente en la forma de la ecuacin (1): 3x1 " 5x2 D "2 y 2x1 C x2 " x3 D 2

p6

Las ecuaciones

4x1 " 5x2 D x1x2 y x2 D 2px1 " 6no son lineales debido a la presencia de x1x2 en la primera ecuacin y de

px1 en la segunda.

Un sistema de ecuaciones lineales (o sistema lineal) es una coleccin de una o ms ecuaciones lineales que implican las mismas variables, por ejemplo, x1,, xn. Un ejemplo es

2x1 " x2 C 1:5x3 D 8x1 " 4x3 D "7

(2)

1.1 SISTEMAS DE ECUACIONES LINEALES

1.1 Sistemas de ecuaciones lineales 3

Una solucin del sistema es una lista de nmeros (s1, s2,, sn) que da validez a cada ecuacin cuando se utilizan los valores s1,, sn en lugar de x1,, xn, respectivamente. Por ejemplo, (5, 6.5, 3) es una solucin del sistema (2) porque al sustituir estos valores en (2) para x1, x2, x3, respectivamente, las ecuaciones se simplifican a 8 ! 8 y "7 ! "7.

El conjunto de todas las posibles soluciones se llama conjunto solucin del sistema lineal. Se dice que dos sistemas lineales son equivalentes si tienen el mismo conjunto solu-cin. Es decir, cada solucin del primer sistema es una solucin del segundo sistema, y cada solucin del segundo sistema tambin es una solucin del primero.

Es fcil encontrar el conjunto solucin de un sistema de dos ecuaciones lineales con dos variables porque equivale a obtener la interseccin de dos rectas. Un problema comn es

x1 " 2x2 D "1"x1 C 3x2 D 3

Las grficas de esas ecuaciones son lneas rectas, las cuales se denotan como /1 y /2. Un par de nmeros (x1, x2) satisface ambas ecuaciones del sistema si y solo si el punto (x1, x2) est sobre /1 y /2. En el sistema anterior, la solucin es el nico punto (3, 2), lo que puede com-probarse fcilmente. Vase la figura 1.

Desde luego, dos rectas no necesitan intersecarse en un solo punto; podran ser parale-las, o coincidir y, as, intersecarse en todos los puntos de la recta. La figura 2 muestra las grficas que corresponden a los siguientes sistemas:

a) x1 " 2x2 D "1"x1 C 2x2 D 3

b) x1 " 2x2 D "1"x1 C 2x2 D 1

FIGURA 1 Exactamente una solucin.

2

3

x2

x1

l1l2

FIGURA 2 a) No hay solucin. b) Nmero infinito de soluciones.

2

3

x2

x1

l1l2

a)

2

3

x2

x1

l1

b)

Las figuras 1 y 2 ilustran el siguiente hecho general acerca de los sistemas lineales, el cual se comprobar en la seccin 1.2.


Se dice que un sistema de ecuaciones lineales es consistente si tiene una solucin o un n-mero infinito de soluciones; un sistema es inconsistente cuando no tiene ninguna solucin.

Notacin matricialLa informacin esencial de un sistema lineal puede registrarse de forma compacta en un arre-glo rectangular llamado matriz. Dado el sistema

x1 " 2x2 C x3 D 02x2 " 8x3 D 8

"4x1 C 5x2 C 9x3 D "9 (3)

con los coeficientes de cada variable alineados en columnas, la matriz 24 1 "2 10 2 "8"4 5 9

35se llama matriz coeficiente (o matriz de coeficientes) del sistema (3), y

24 1 "2 1 00 2 "8 8"4 5 9 "9

35 (4)

se llama matriz aumentada del sistema. (Aqu la segunda fila contiene un cero porque la segunda ecuacin podra escribirse como 0 # x1 $ 2x2 " 8x3 ! 8). La matriz aumentada de un sistema consiste en la matriz de coeficientes con una columna adicional que contiene las constantes de los miembros derechos de las ecuaciones.

El tamao de una matriz indica su nmero de filas y columnas. La matriz aumentada (4) tiene 3 filas y 4 columnas, por lo que es una matriz de 3 % 4 (que se lee 3 por 4). Si m y n son enteros positivos, entonces una matriz de m ! n es un arreglo rectangular de nmeros con m filas y n columnas. (Siempre va primero el nmero de filas). La notacin matricial simplificar los clculos en los ejemplos que siguen.

Solucin de un sistema lineal Esta seccin y la siguiente describen un algoritmo, o un procedimiento sistemtico, para re-solver sistemas lineales. La estrategia bsica es remplazar un sistema por otro equivalente (es decir, uno con el mismo conjunto solucin) y que sea ms fcil resolver.

En general, use el trmino x1 de la primera ecuacin de un sistema para eliminar los trminos x1 en las ecuaciones restantes. Despus, utilice el trmino x2 en la segunda ecuacin para eliminar los trminos x2 en las dems ecuaciones, y as sucesivamente, hasta que final-mente obtenga un sistema equivalente de ecuaciones muy sencillo.

Se utilizan tres operaciones bsicas para simplificar un sistema lineal: remplazar una ecuacin por la suma de esta y un mltiplo de otra ecuacin, intercambiar dos ecuaciones, y multiplicar todos los trminos de una ecuacin por una constante distinta de cero. Despus del primer ejemplo, resultar claro por qu esas tres operaciones no alteran el conjunto solucin del sistema.

Un sistema de ecuaciones lineales tiene

1. ninguna solucin, o2. exactamente una solucin, o3. un nmero infinito de soluciones.


EJEMPLO 1 Resuelva el sistema (3).SOLUCIN Aqu se muestra el procedimiento de eliminacin, con y sin notacin matricial, y los resultados se colocan uno al lado del otro para facilitar la comparacin:

x1 " 2x2 C x3 D 02x2 " 8x3 D 8

"4x1 C 5x2 C 9x3 D "9

24 1 "2 1 00 2 "8 8"4 5 9 "9

35Mantenga x1 en la primera ecuacin y elimnela en las otras ecuaciones. Para hacerlo, sume la ecuacin 1 multiplicada por 4 a la ecuacin 3. Despus de cierta prctica, estos clculos se podrn efectuar mentalmente:

4#[ecuacin 1]:$ [ecuacin 3]:

[nueva ecuacin 3]:

4x1 " 8x2 C 4x3 D 0"4x1 C 5x2 C 9x3 D "9

" 3x2 C 13x3 D "9

El resultado de este clculo se escribe en lugar de la tercera ecuacin original:

x1 " 2x2 C x3 D 02x2 " 8x3 D 8

" 3x2 C 13x3 D "9

24 1 "2 1 00 2 "8 80 "3 13 "9

35Ahora, multiplicamos la ecuacin 2 por 1!2 para as obtener 1 como coeficiente de x2. (Este clculo simplificar la aritmtica en el siguiente paso).

x1 " 2x2 C x3 D 0x2 " 4x3 D 4

" 3x2 C 13x3 D "9

24 1 "2 1 00 1 "4 40 "3 13 "9

35Utilice x2 de la ecuacin 2 para eliminar "3x2 en la ecuacin 3. El clculo mental es

3#[ecuacin 2]:$ [ecuacin 3]:

[nueva ecuacin 3]:

3x2 " 12x3 D 12"3x2 C 13x3 D "9

x3 D 3

El nuevo sistema tiene forma triangular:1

x1 " 2x2 C x3 D 0x2 " 4x3 D 4

x3 D 3

24 1 "2 1 00 1 "4 40 0 1 3

35Finalmente, se desea eliminar el trmino "2x2 de la ecuacin 1, pero es ms eficiente usar primero x3 de la ecuacin 3 para eliminar los trminos "4x3 y $x3 en las ecuaciones 2 y 1. Los dos clculos mentales son

4#[ec. 3]:$ [ec. 2]:

[nueva ec. 2]:

4x3 D 12x2 " 4x3 D 4x2 D 16

"1#[ec. 3]:$ [ec. 1]:

[nueva ec. 1]:

" x3 D "3x1 " 2x2 C x3 D 0x1 " 2x2 D "3

1 En la siguiente seccin se remplazar el trmino intuitivo triangular por uno ms preciso.


Es conveniente combinar los resultados de esas dos operaciones:

x1 " 2x2 D "3x2 D 16

x3 D 3

24 1 "2 0 "30 1 0 160 0 1 3

35Ahora, una vez que se ha eliminado la columna que est sobre x3 en la ecuacin 3, regrese a x2 en la ecuacin 2 y utilcela para eliminar "2x2 sobre ella. Gracias al trabajo previo con x3, ahora no hay operaciones que impliquen trminos con x3. Sume dos veces la ecuacin 2 a la ecuacin 1 para obtener el sistema: 8


Por el momento, estamos interesados en las operaciones de fila sobre la matriz aumen-tada de un sistema de ecuaciones lineales. Suponga que un sistema se transforma en otro mediante operaciones de fila. Considerando cada tipo de operacin de fila, puede verse que cualquier solucin del sistema original contina siendo una solucin del nuevo sistema. A la inversa, puesto que el sistema original se puede obtener mediante operaciones de fila sobre el nuevo sistema, cada solucin del nuevo sistema tambin es solucin del sistema original. Este anlisis justifica el siguiente enunciado.

DOS PREGUNTAS FUNDAMENTALES ACERCA DE UN SISTEMA LINEAL

1. El sistema es consistente, es decir, al menos existe una solucin? 2. Si existe una solucin, solo hay una, es decir, la solucin es nica?

A pesar de que el ejemplo 1 es largo, despus de cierta prctica se desarrollar habilidad para realizar los clculos con rapidez. En el texto y en los ejercicios de este libro, las opera-ciones de fila por lo general sern muy fciles de efectuar, lo que permitir al lector enfocarse en los conceptos subyacentes. Pero debe aprender a realizar con exactitud las operaciones de fila porque se utilizarn a lo largo del libro.

El resto de esta seccin muestra cmo emplear operaciones de fila para determinar el tamao de un conjunto solucin, sin resolver completamente el sistema lineal.

Preguntas de existencia y unicidad La seccin 1.2 mostrar por qu un conjunto solucin de un sistema lineal puede no contener ninguna solucin, o bien, tener una solucin o un nmero infinito de soluciones. Las res-puestas a las siguientes dos preguntas determinarn la naturaleza del conjunto solucin de un sistema lineal.

Para determinar qu posibilidad es verdadera para un sistema particular, nos planteamos dos preguntas.

Si las matrices aumentadas de dos sistemas lineales son equivalentes por filas, entonces los dos sistemas tienen el mismo conjunto solucin.

Estas dos preguntas se presentarn a lo largo del libro, en diversas circunstancias. Esta sec-cin y la siguiente le mostrarn cmo responder a esas preguntas usando operaciones de fila sobre la matriz aumentada.

EJEMPLO 2 Determine si el siguiente sistema es consistente

x1 " 2x2 C x3 D 02x2 " 8x3 D 8

"4x1 C 5x2 C 9x3 D "9SOLUCIN Este es el sistema del ejemplo 1. Suponga que se han efectuado las operaciones de fila necesarias para obtener la forma triangular

x1 " 2x2 C x3 D 0x2 " 4x3 D 4

x3 D 3

24 1 "2 1 00 1 "4 40 0 1 3

35En este punto, conocemos x3. Si se sustituyera el valor de x3 en la ecuacin 2, entonces se podra calcular x2 y, por lo tanto, se podra obtener x1 de la ecuacin 1. As que existe una solucin; el sistema es consistente. (En efecto, x2 est determinada de manera unvoca por la


ecuacin 2 ya que x3 slo tiene un valor posible, y en consecuencia x1 est determinada de forma unvoca por la ecuacin 1. Por lo tanto, la solucin es nica). Q

EJEMPLO 3 Determine si el siguiente sistema es consistente

x2 " 4x3 D 82x1 " 3x2 C 2x3 D 15x1 " 8x2 C 7x3 D 1

(5)

SOLUCIN La matriz aumentada es

24 0 1 "4 82 "3 2 15 "8 7 1

35Para obtener una x1 en la primera ecuacin, se intercambian las filas 1 y 2:

24 2 "3 2 10 1 "4 85 "8 7 1

35Para eliminar el trmino 5x1 en la tercera ecuacin, a la fila 3 se suma la fila 1 multiplicada por "5!2:

24 2 "3 2 10 1 "4 80 "1=2 2 "3=2

35

(6)

Ahora, use el trmino x2 en la segunda ecuacin para eliminar el trmino "(1!2)x2 en la tercera ecuacin. A la fila 3, sume la fila 2 multiplicada por 1!2:

24 2 "3 2 10 1 "4 80 0 0 5=2

35

(7)

Ahora la matriz aumentada est en forma triangular. Para interpretarla correctamente, con-viene regresar a la notacin con ecuaciones:

2x1 " 3x2 C 2x3 D 1x2 " 4x3 D 8

0 D 5=2

(8)

La ecuacin 0 ! 5!2 es una forma abreviada de 0x1 $ 0x2 $ 0x3 ! 5!2. Este sistema en forma triangular, evidentemente, tiene una contradiccin inherente. No existen valores de x1, x2, x3 que satisfagan la ecuacin (8) porque la ecuacin 0 ! 5!2 nunca es vlida. Como (5) y (8) tienen el mismo conjunto solucin, entonces el sistema original es inconsistente (es decir, no tiene solucin). Q

Preste atencin a la matriz aumentada en (7). Su ltima fila es caracterstica de un sis-tema inconsistente en forma triangular.

Este sistema es inconsistente porque no existe un punto que pertenezca a los tres planos de manera simultnea.


PROBLEMAS DE PRCTICA

A lo largo del libro, es conveniente resolver los problemas de prctica antes de trabajar los ejercicios. Las soluciones se presentan despus de cada conjunto de ejercicios.1. Exprese con palabras la siguiente operacin elemental de fila que debe efectuarse en el

sistema para resolverlo. [En a) es posible ms de una respuesta]. a)

x1 C 4x2 " 2x3 C 8x4 D 12x2 " 7x3 C 2x4 D "4

5x3 " x4 D 7x3 C 3x4 D "5

b)

x1 " 3x2 C 5x3 " 2x4 D 0x2 C 8x3 D "4

2x3 D 3x4 D 1

2. La matriz aumentada de un sistema lineal se transform, mediante operaciones de fila, en la forma que se indica a continuacin. Determine si el sistema es consistente. 24 1 5 2 "60 4 "7 2

0 0 5 0

353. (3, 4, "2) es una solucin para el siguiente sistema?

5x1 " x2 C 2x3 D 7"2x1 C 6x2 C 9x3 D 0"7x1 C 5x2 " 3x3 D "7

4. Para qu valores de h y k es consistente el siguiente sistema?

2x1 " x2 D h"6x1 C 3x2 D k

En problemas del mundo real, los sistemas de ecuaciones lineales se resuelven en compu-tadora. Para una matriz de coeficientes cuadrada, los programas computacionales casi siempre utilizan el algoritmo de eliminacin presentado aqu y en la seccin 1.2, aun-que ligeramente modificado para obtener mayor exactitud.

La gran mayora de los problemas de lgebra lineal en los negocios y en la indus-tria se resuelven con programas que emplean aritmtica de punto flotante. Los nme-ros se representan como decimales &.d1###dp % 10r, donde r es un entero, y el nmero p de dgitos a la derecha del punto decimal, por lo general, est entre 8 y 16. La aritmtica con dichos nmeros normalmente es inexacta, porque el resultado debe redondearse (o truncarse) al nmero de dgitos almacenados. Se introduce el error de redondeo cuando un nmero como 1!3 ingresa a la computadora, ya que su representacin deci-mal debe ser aproximada por una cantidad finita de dgitos. Por fortuna, las inexactitu-des en la aritmtica de punto flotante rara vez causan problemas. Las notas numricas en este libro ocasionalmente le advertirn sobre asuntos que deber considerar ms adelante en su carrera profesional.

N OTA N U M R I C A


En los ejercicios 1 a 4 resuelva cada sistema utilizando operaciones elementales de fila sobre las ecuaciones o sobre la matriz aumentada. Siga el procedimiento de eliminacin sistemtico explicado en esta seccin.

1. x1 C 5x2 D 7"2x1 " 7x2 D "5

2. 3x1 C 6x2 D "35x1 C 7x2 D 10

3. Encuentre el punto (x1, x2) que pertenece tanto a la recta x1 $ 2x2 ! 4 como a la recta x1 " x2 ! 1. Observe la figura.

1.1 E JERCICIOS

10.

26641 3 0 "2 "70 1 0 3 60 0 1 0 20 0 0 1 "2

3775En los ejercicios 11 a 14 resuelva los sistemas.11. x2 C 5x3 D "4

x1 C 4x2 C 3x3 D "22x1 C 7x2 C x3 D "2

12. x1 " 5x2 C 4x3 D "32x1 " 7x2 C 3x3 D "2

"2x1 C x2 C 7x3 D "1

13. x1 " 3x3 D 82x1 C 2x2 C 9x3 D 7

x2 C 5x3 D "2

14. 2x1 " 6x3 D "8x2 C 2x3 D 3

3x1 C 6x2 " 2x3 D "4

En los ejercicios 15 y 16 determine si los sistemas son consistentes. No resuelva por completo dichos sistemas.

15. x1 " 6x2 D 5x2 " 4x3 C x4 D 0

"x1 C 6x2 C x3 C 5x4 D 3"x2 C 5x3 C 4x4 D 0

16. 2x1 " 4x4 D "103x2 C 3x3 D 0

x3 C 4x4 D "1"3x1 C 2x2 C 3x3 C x4 D 5

17. Las tres rectas 2x1 $ 3x2 ! "1, 6x1 $ 5x2 ! 0, y 2x1 " 5x2 ! 7 tienen un punto comn de interseccin? Explique su respuesta.

18. Diga si los tres planos 2x1 $ 4x2 $ 4x3 ! 4, x2 " 2x3 ! "2, y 2x1 $ 3x2 ! 0 tienen al menos un punto comn de interseccin. Explique su respuesta.

En los ejercicios 19 a 22, determine el valor o los valores de h tales que la matriz sea la matriz aumentada de un sistema lineal consistente.

19. #1 h 43 6 8

$ 20.

#1 h "52 "8 6

$21.

#1 4 "23 h "6

$ 22.

#"4 12 h2 "6 "3

$En los ejercicios 23 y 24, se citan enunciados clave de esta seccin, con ligeras modificaciones (pero manteniendo su validez), o se al-teraron de manera que, en algunos casos, son falsos. Marque cada enunciado como verdadero o falso, y justifique su respuesta. (Si el

4. Obtenga el punto de interseccin de las rectas x1 $ 2x2 ! "13 y 3x1 " 2x2 ! 1.

En los ejercicios 5 y 6 considere que cada matriz es la matriz aumen-tada de un sistema lineal. Exprese con palabras las siguientes dos operaciones elementales de fila que deben realizarse para resolver el sistema.

5.

26641 "4 "3 0 70 1 4 0 60 0 1 0 20 0 0 1 "5

3775

6.

26641 "6 4 0 "10 2 "7 0 40 0 1 2 "30 0 4 1 2

3775En los ejercicios 7 a 10, la matriz aumentada de un sistema lineal se redujo mediante operaciones de fila a la forma indicada. En cada caso, contine con las operaciones adecuadas de fila y describa el conjunto solucin del sistema original.

7.

26641 7 3 "40 1 "1 30 0 0 10 0 1 "2

3775

8.

26641 "5 4 0 00 1 0 1 00 0 3 0 00 0 0 2 0

3775

9.

26641 "1 0 0 "50 1 "2 0 "70 0 1 "3 20 0 0 1 4

3775

x1 x2 = 1

x1 + 2x2 = 4

x2

x1


enunciado es verdadero, entonces indique la ubicacin aproximada donde se presenta un enunciado similar, o haga referencia a una defi-nicin o un teorema. Si la afirmacin es falsa, indique la ubicacin de un enunciado que se haya citado o empleado incorrectamente, o cite un ejemplo que muestre la falsedad del enunciado en todos los casos). Preguntas similares de falso/verdadero se presentarn en muchas secciones del libro.

23. a) Todas las operaciones elementales de fila son reversibles. b) Una matriz de 5 % 6 tiene seis filas.c) El conjunto solucin de un sistema lineal que incluye a las

variables x1,, xn es una lista de nmeros (s1,, sn) que da validez a cada ecuacin del sistema cuando se sustitu-yen los valores s1,, sn por x1,, xn, respectivamente.

d) Las dos preguntas fundamentales acerca de un sistema lineal incluyen existencia y unicidad.

24. a) Dos matrices son equivalentes por filas si tienen el mismo nmero de filas.

b) En una matriz aumentada, las operaciones elementales de fila no modifican nunca el conjunto solucin del sistema li-neal asociado.

c) Dos sistemas lineales equivalentes pueden tener diferentes conjuntos solucin.

d) Un sistema consistente de ecuaciones lineales tiene una o ms soluciones.

25. Encuentre una ecuacin que incluya a g, h y k, y que permita que esta matriz aumentada corresponda a un sistema consis-tente: 24 1 "4 7 g0 3 "5 h"2 5 "9 k

3526. Suponga que el sistema que aparece a continuacin es consis-

tente para todos los posibles valores de f y g. Qu puede decir-se acerca de los coeficientes c y d? Justifique su respuesta. 2x1 $ 4x2 ! fcx1 $ dx2 ! g

27. Suponga que a, b, c y d son constantes tales que a es diferente de cero y el sistema que aparece a continuacin es consisten-te para todos los posibles valores de f y g. Qu podra decir acerca de los nmeros a, b, c y d? Justifique su respuesta. ax1 $ bx2 ! fcx1 $ dx2 ! g

28. Construya tres diferentes matrices aumentadas para los sistemas lineales cuyo conjunto solucin es x1 ! 3, x2 ! "2, x3 ! "1.

En los ejercicios 29 a 32, encuentre la operacin elemental de fila que transforme a la primera matriz en la segunda, y luego encuentre la operacin de fila inversa que transforme a la segunda matriz en la primera.

29.

24 0 "2 51 3 "53 "1 6

35 24 3 "1 61 3 "50 "2 5

3530.

24 1 3 "40 "2 60 "5 10

35 24 1 3 "40 "2 60 1 "2

3531.

24 1 "2 1 00 5 "2 84 "1 3 "6

35 24 1 "2 1 00 5 "2 80 7 "1 "6

3532.

24 1 2 "5 00 1 "3 "20 4 "12 7

35 24 1 2 "5 00 1 "3 "20 0 0 15

35Un importante asunto en el estudio de transferencia de calor es deter-minar la distribucin de temperatura de estado estable de una placa delgada cuando se conoce la temperatura en los bordes. Suponga que la placa que se ilustra en la figura representa una seccin transversal de una viga de metal, con flujo de calor despreciable en la direccin perpendicular a la placa. Sean T1,, T4 las temperaturas en los cua-tro nodos interiores de la malla en la figura. La temperatura en un nodo es aproximadamente igual al promedio de las temperaturas de los cuatro nodos ms cercanos, esto es, a la izquierda, arriba, a la derecha y abajo.3 Por ejemplo,

T1 ! (10 $ 20 $ T2 $ T4)!4, o 4T1 " T2 " T4 ! 30

3 Vase Frank M. White, Heat and Mass Transfer (Reading, MA: Addison-

Wesley Publishing, 1991), pp. 145-149.

SOLUCIONES A LOS PROBLEMAS DE PRCTICA

1. a) Para efectuar clculos a mano, la mejor eleccin es intercambiar las ecuaciones 3 y 4. Otra posibilidad es multiplicar la ecuacin 3 por 1!5. O bien, remplazar la ecua-cin 4 por su suma con la fila 3 multiplicada por "1!5. (En cualquier caso, no utilice x2 en la ecuacin 2 para eliminar 4x2 en la ecuacin 1. Espere hasta que se haya lo-grado una forma triangular y los trminos x3 y x4 se hayan eliminado de las primeras dos ecuaciones).

33. Escriba un sistema de cuatro ecuaciones cuya solucin d esti-maciones de las temperaturas T1,, T4.

34. Resuelva el sistema de ecuaciones del ejercicio 33. [Sugerencia: Para conseguir rapidez en el clculo, intercambie las filas 1 y 4 antes de iniciar las operaciones de remplazo].

10

10

40

40

20 20

30 30

1 2

4 3


b) El sistema tiene forma triangular. La simplificacin ulterior inicia con x4 en la cuarta ecuacin. Utilice x4 para eliminar todos los trminos x4 sobre ella. Ahora el paso adecuado es sumar la ecuacin 4, multiplicada por 2, a la ecuacin 1. (Luego, vaya a la ecuacin 3 y multiplquela por 1!2, y despus utilice la ecuacin para eliminar los trminos x3 sobre ella).

2. El sistema correspondiente a la matriz aumentada es

x1 C 5x2 C 2x3 D "64x2 " 7x3 D 2

5x3 D 0 La tercera ecuacin hace x3 ! 0, el cual, desde luego, es un valor permitido para x3. Des-

pus de eliminar los trminos x3 en las ecuaciones 1 y 2, se podra continuar para obtener valores nicos de x1 y x2. As que existe una solucin, y es nica. Esta situacin contrasta con la del ejemplo 3.

3. Es fcil comprobar si una lista especfica de nmeros es una solucin. Sean x1 ! 3, x2 ! 4, y x3 ! "2, y encuentre que

5.3/ " .4/ C 2."2/ D 15 " 4 " 4 D 7"2.3/ C 6.4/ C 9."2/ D "6 C 24 " 18 D 0"7.3/ C 5.4/ " 3."2/ D "21 C 20 C 6 D 5

Aunque las primeras dos ecuaciones se satisfacen, no sucede lo mismo con la tercera, por lo que (3, 4, "2) no es una solucin del sistema. Observe cmo se utilizan los parn-tesis cuando se realizan las sustituciones; su uso es muy recomendable para protegerse contra errores aritmticos.

4. Cuando la segunda ecuacin se remplaza por su suma con la primera ecuacin multipli-cada por 3, el sistema se convierte en:

2x1 " x2 D h0 D k C 3h

Si k $ 3h es diferente de cero, el sistema no tiene solucin. El sistema es consistente para cualesquiera valores de h y k que produzcan k $ 3h ! 0.

1.2 REDUCCIN POR FILAS Y FORMAS ESCALONADASEn esta seccin se perfecciona el mtodo de la seccin 1.1 para obtener un nuevo algoritmo de reduccin por filas que permitir analizar cualquier sistema de ecuaciones lineales.1 Las preguntas fundamentales de existencia y unicidad planteadas en la seccin 1.1 podrn res-ponderse utilizando la primera parte del algoritmo.

El algoritmo es aplicable a cualquier matriz, sin importar si esta se considera o no como la matriz aumentada de un sistema lineal. As, la primera parte de esta seccin se ocupa de una matriz rectangular arbitraria y empieza introduciendo dos importantes clases de matrices, que incluyen a las matrices triangulares de la seccin 1.1. En las definiciones que siguen, una fila o columna distinta de cero (o no nula) de una matriz ser una fila o columna que contenga al menos un elemento diferente de cero; una entrada principal de una fila se refiere a la entrada o el elemento diferente de cero que se encuentra ms a la izquierda (en una fila distinta de cero).

1 El algoritmo es una variante de lo que se conoce comnmente como eliminacin gaussiana. Un mtodo de elimi-

nacin similar para sistemas lineales fue utilizado por matemticos chinos en el ao 250 a. C. El proceso era des-conocido en la cultura occidental hasta el siglo xix, cuando el famoso matemtico alemn, Carl Friedrich Gauss, lo descubri. El ingeniero alemn, Wilhelm Jordan, dio a conocer el algoritmo en un libro sobre geodesia publicado en 1888.

Como (3, 4, "2) satisface las dos primeras ecuaciones, est sobre la recta de interseccin de los primeros dos planos. Puesto que (3, 4, "2) no satisface las tres ecuaciones, se concluye que no pertenece a los tres planos.

(3, 4, 2)

1.2 Reduccin por las y formas escalonadas 13

Una matriz escalonada (o bien, una matriz escalonada reducida) est en forma de escaln (o en forma escalonada reducida, respectivamente). La propiedad 2 dice que las en-tradas principales forman un patrn escalonado (esto es, en forma de escalera) que avanza hacia abajo y hacia la derecha de la matriz. La propiedad 3 es una simple consecuencia de la propiedad 2, pero se incluy para darle mayor nfasis.

Las matrices triangulares de la seccin 1.1, tales como 24 2 "3 2 10 1 "4 80 0 0 5=2

35 y

24 1 0 0 290 1 0 160 0 1 3

35estn en forma escalonada. De hecho, la segunda matriz est en forma escalonada reducida. A continuacin se presentan ms ejemplos.

EJEMPLO 1 Las siguientes matrices estn en forma escalonada. Las entradas principales (Q) pueden tener cualquier valor diferente de cero; las entradas con asterisco (*) pueden tener cualquier valor (incluyendo al cero). 2664

# # #0 # #0 0 0 00 0 0 0

3775;2666640 # # # # # # # #0 0 0 # # # # # #0 0 0 0 # # # # #0 0 0 0 0 # # # #0 0 0 0 0 0 0 0 #

377775Las siguientes matrices estn en forma escalonada reducida porque las entradas principales son nmeros 1, y hay ceros abajo y arriba de cada entrada principal 1.2664

1 0 # #0 1 # #0 0 0 00 0 0 0

3775;2666640 1 # 0 0 0 # # 0 #0 0 0 1 0 0 # # 0 #0 0 0 0 1 0 # # 0 #0 0 0 0 0 1 # # 0 #0 0 0 0 0 0 0 0 1 #

377775Cualquier matriz distinta de cero puede reducirse por filas (es decir, transformarse

mediante operaciones elementales de fila) para producir ms de una matriz en forma escalo-nada, utilizando diferentes secuencias de operaciones de fila. Sin embargo, la forma escalona-da reducida que se obtiene a partir de una matriz es nica. El siguiente teorema se demuestra en el apndice A al final del libro.

Una matriz rectangular est en forma escalonada (o forma escalonada por filas) si tiene las siguientes tres propiedades:

1. Todas las diferentes de cero estn arriba de las filas que solo contienen ceros.2. Cada entrada principal de una fila est en una columna a la derecha de la entrada

principal de la fila superior.3. En una columna todas las entradas debajo de la entrada principal son ceros.Si una matriz de forma escalonada satisface las siguientes condiciones adicionales, en-tonces est en forma escalonada reducida (o forma escalonada reducida por filas):4. La entrada principal en cada fila diferente de cero es 1.5. Cada entrada principal 1 es la nica entrada distinta de cero en su columna.

D E F I N I C I N

Unicidad de la forma escalonada reducidaCada matriz es equivalente por filas a una, y solo a una, matriz escalonada reducida.

T E O R E M A 1

Q


Si una matriz A es equivalente por filas a una matriz escalonada U, entonces U se llama una forma escalonada (o una forma escalonada por filas) de A; si U est en forma escalo-nada reducida, entonces U es la forma escalonada reducida de A. [La mayora de los pro-gramas de matrices y de las calculadoras con capacidades para trabajar con matrices emplean la abreviatura RREF (por las siglas de reduced row echelon form) para referirse a la forma escalonada reducida por filas. Algunos utilizan REF (por las siglas de row echelon form) para designar la forma escalonada por filas].

Posiciones pivote Cuando las operaciones de fila sobre una matriz producen una forma escalonada, las opera-ciones de fila posteriores para obtener la forma escalonada reducida no cambian la posicin de las entradas principales. Como la forma escalonada reducida es nica, entonces las en-tradas principales siempre estn en las mismas posiciones en cualquier forma escalonada obtenida a partir de una matriz dada. Esas entradas principales corresponden a los nmeros 1 principales de la forma escalonada reducida.

Una posicin pivote en una matriz A es una ubicacin en A que corresponde a un 1 principal en la forma escalonada reducida de A. Una columna pivote es una columna de A que contiene una posicin pivote.

D E F I N I C I N

En el ejemplo 1, los cuadrados (Q) identifican las posiciones pivote. Muchos conceptos fundamentales en los primeros cuatro captulos estarn relacionados de una u otra manera con las posiciones pivote en una matriz.

EJEMPLO 2 Reduzca por filas la matriz A que se muestra a continuacin hasta la forma escalonada, y localice las columnas pivote de A.

A D

26640 "3 "6 4 9

"1 "2 "1 3 1"2 "3 0 3 "11 4 5 "9 "7

3775SOLUCIN Utilice la misma estrategia bsica de la seccin 1.1. La entrada superior de la co-lumna diferente de cero ms a la izquierda de la matriz es la primera posicin pivote. En esta posi-cin debe colocarse una entrada diferente de cero, o pivote. Una buena opcin es intercambiar las filas 1 y 4 (porque los clculos mentales en el siguiente paso no implicarn fracciones).

26641

!,%*4 5 "9 "7

"1 "2 "1 3 1"2 "3 0 3 "10

" !,%*%"+#$

"3 "6 4 9

3775Cree ceros debajo del pivote, 1, sumando mltiplos de la primera fila a las filas inferiores, para as obtener la matriz (1) que se muestra a continuacin. La posicin pivote en la segunda fila debe estar tan a la izquierda como sea posible, es decir, en la segunda columna. Se elige el 2 en esta posicin como el siguiente pivote.

26641 4 5 "9 "70 2

!,%*

4 "6 "60 5 10 "15 "150 "3

" .*&!,%*%"+#$

"6 4 9

3775

(1)

Pivote

Pivote

Columna pivote

Siguiente columna pivote


Sume la fila 2 multiplicada por "5!2 a la fila 3, y sume la fila 2 multiplicada por 3!2 a la fila 4.

26641 4 5 "9 "70 2 4 "6 "60 0 0 0 00 0 0 "5 0

3775

(2)

La matriz en (2) es diferente de las que se incluyen en la seccin 1.1. No hay manera de crear una entrada principal en la columna 3! (No podemos emplear las filas 1 o 2 porque, al hacer-lo, se destruira el arreglo escalonado de las entradas principales ya obtenidas). Sin embargo, si se intercambian las filas 3 y 4, se puede obtener una entrada principal en la columna 4.

26641 4 5 "9 "70 2 4 "6 "60 0 0 "5

)#'

00

" " " )#'# (!"&

0 0 0 0

3775 "% #%!2664

# # # #0 # # #0 0 0 #0 0 0 0 0

3775La matriz est en forma escalonada y as revela que las columnas 1, 2 y 4 de A son columnas pivote.

A D

26640

)#'$#&'#"&"3 "6 4 9

"1 "2 "1 3 1"2 "3 0 3 "11

" " " )#'# (!"&

4 5 "9 "7

3775

(3)

Un pivote, como el que se muestra en el ejemplo 2, es un nmero distinto de cero en una posicin pivote que se utiliza conforme se necesite crear ceros mediante operaciones de fila. Los pivotes en el ejemplo 2 fueron 1, 2 y "5. Observe que esos nmeros no son los mismos que los elementos reales de A en las posiciones pivote indicadas en (3).

Con el ejemplo 2 como gua, es posible describir un procedimiento eficiente para trans-formar una matriz en una matriz escalonada o escalonada reducida. El estudio cuidadoso y el dominio de este procedimiento rendirn valiosos frutos en este curso.

Algoritmo de reduccin por filasEl algoritmo que sigue consta de cuatro pasos y produce una matriz en forma escalonada. Un quinto paso da por resultado una matriz en forma escalonada reducida. Demostraremos este algoritmo con un ejemplo.

EJEMPLO 3 Aplique operaciones elementales de fila para transformar la siguiente ma-triz a la forma escalonada y, luego, a la forma escalonada reducida: 24 0 3 "6 6 4 "53 "7 8 "5 8 9

3 "9 12 "9 6 15

35SOLUCIN

PASO 1Se inicia con la columna diferente de cero del extremo izquierdo. Esta es una columna pivote. La posicin pivote se ubica en la parte superior.

Pivote

Columnas pivote

Forma general:

Q

Posiciones pivote

Columnas pivote


24 0 3 "6 6 4 "53 "7 8 "5 8 93

" )#'# (!""9 12 "9 6 15

35

PASO 2Seleccione como pivote una entrada diferente de cero en la columna pivote. Si es nece-sario, intercambie filas para mover esta entrada a la posicin pivote.

PASO 3 Utilice operaciones de remplazo de filas para crear ceros en todas las posiciones ubi-cadas debajo del pivote.

PASO 4 Cubra (o ignore) la fila que contiene la posicin pivote y cubra todas las filas, si las hay, por encima de esta. Aplique los pasos 1 a 3 a la submatriz restante. Repita el proceso hasta que no haya filas diferentes de cero por modificar.

Intercambie a las filas 1 y 3. (O bien, tambin se podran intercambiar las filas 1 y 2). 24 3)#'

"9 12 "9 6 153 "7 8 "5 8 90 3 "6 6 4 "5

35

Como paso preliminar, se podra dividir la fila superior entre el pivote, 3. Pero con dos nme-ros 3 en la columna 1, esto es tan fcil como sumar la fila 1 multiplicada por "1 a la fila 2.

24 3)#'

"9 12 "9 6 150 2 "4 4 2 "60 3 "6 6 4 "5

35

Con la fila 1 cubierta, el paso 1 muestra que la columna 2 es la prxima columna pivote; para el paso 2, seleccione como pivote la entrada superior en esa columna.

24 3 "9 12 "9 6 150 2)#'

"4 4 2 "60 3

" *$)#'# (!"

"6 6 4 "5

35

En el paso 3, se podra insertar un paso adicional de dividir la fila superior de la submatriz entre el pivote, 2. En vez de ello, se suma la fila superior multiplicada por "3!2 a la fila de abajo. Esto produce 24 3 "9 12 "9 6 150 2 "4 4 2 "6

0 0 0 0 1 4

35

Pivote

Pivote

Pivote

Columna pivote

Siguiente columna pivote


Para el paso 4, cuando se cubre la fila que contiene la segunda posicin pivote, se obtiene una nueva submatriz con una sola fila: 24 3 "9 12 "9 6 150 2 "4 4 2 "6

0 0 0 0 1

(!&

4

35

Los pasos 1 a 3 no necesitan aplicarse para esta submatriz, pues ya se ha alcanzado una forma escalonada para la matriz completa. Si se desea la forma escalonada reducida, se efecta un paso ms.

PASO 5 Empezando con la posicin pivote del extremo derecho y trabajando hacia arriba y hacia la izquierda, genere ceros arriba de cada pivote. Si un pivote no es 1, convirtalo en 1 mediante una operacin de escalamiento.

En el paso 2 que se describi antes, un programa computacional por lo general selec-ciona como pivote a la entrada en una columna que tenga el mayor valor absoluto. Esta estrategia, llamada pivoteo parcial, se utiliza porque reduce los errores de redondeo en los diversos clculos.

N OTA N U M R I C A

El pivote del extremo derecho est en la fila 3. Genere ceros sobre l, sumando mltiplos adecuados de la fila 3 a las filas 1 y 2. 24 3 "9 12 "9 0 "90 2 "4 4 0 "14

0 0 0 0 1 4

35 !)C ."6/ ! $!) !)C ."2/ ! $!)El siguiente pivote se encuentra en la fila 2. Se escala esta fila dividindola entre el pivote. 24 3 "9 12 "9 0 "90 1 "2 2 0 "7

0 0 0 0 1 4

35 !)%+ 12

Cree un cero en la columna 2 sumando la fila 2 multiplicada por 9 a la fila 1.24 3 0 "6 9 0 "720 1 "2 2 0 "70 0 0 0 1 4

35 !)C .9/ ! $!)Finalmente, escale la fila 1 dividindola entre el pivote, 3. 24 1 0 "2 3 0 "240 1 "2 2 0 "7

0 0 0 0 1 4

35 !)%+ 13Esta es la forma escalonada reducida de la matriz original. Q

La combinacin de los pasos 1 a 4 se conoce como fase progresiva del algoritmo de reduccin por filas. El paso 5, que produce la nica forma escalonada reducida, se conoce como fase regresiva.

Pivote

Fila 1 $ ("6) # fila 3Fila 2 $ ("2) # fila 3

Fila 1 $ (9) # fila 2

Fila escalada por 12

Fila escalada por 13


Soluciones de sistemas linealesEl algoritmo de reduccin por filas conduce directamente a una descripcin explcita del conjunto solucin de un sistema lineal cuando se aplica a la matriz aumentada del sistema.

Suponga, por ejemplo, que la matriz aumentada de un sistema lineal se transform a la forma escalonada reducida equivalente 24 1 0 "5 10 1 1 4

0 0 0 0

35Existen tres variables porque la matriz aumentada tiene cuatro columnas. El sistema de

ecuaciones asociado es

x1 " 5x3 D 1x2 C x3 D 4

0 D 0

(4)

Las variables x1 y x2 correspondientes a las columnas pivote se conocen como variables b-sicas2. La otra variable, x3, se denomina variable libre.

Siempre que un sistema es consistente, como en (4), el conjunto solucin se puede des-cribir explcitamente al despejar en el sistema de ecuaciones reducido las variables bsicas en trminos de las variables libres. Esta operacin es posible porque la forma escalonada reducida coloca a cada variable bsica en una y solo una ecuacin. En (4), despeje x1 de la primera ecuacin y x2 de la segunda. (Ignore la tercera ecuacin, ya que no ofrece restric-ciones sobre las variables).

8


Existen cinco variables porque la matriz aumentada tiene seis columnas. Ahora el sistema asociado es

x1 C 6x2 C 3x4 D 0x3 " 4x4 D 5

x5 D 7

(6)

Las columnas pivote de la matriz son 1, 3 y 5, as que las variables bsicas son x1, x3 y x5. Las variables restantes, x2 y x4, deben ser libres. Se despejan las variables bsicas para obtener la solucin general:

8


posibles en los clculos a mano. La mejor estrategia es utilizar solamente la forma escalo-nada reducida para resolver un sistema! La Gua de estudio que acompaa a este libro ofrece varias sugerencias tiles para efectuar operaciones de fila de manera exacta y rpida.

Preguntas de existencia y unicidad Aunque una forma escalonada no reducida es una herramienta poco eficiente para resolver un sistema, esta forma es justamente el medio correcto para responder las dos preguntas fun-damentales planteadas en la seccin 1.1.

EJEMPLO 5 Determine la existencia y unicidad de las soluciones del sistema

3x2 " 6x3 C 6x4 C 4x5 D "53x1 " 7x2 C 8x3 " 5x4 C 8x5 D 93x1 " 9x2 C 12x3 " 9x4 C 6x5 D 15

SOLUCIN La matriz aumentada de este sistema se redujo por filas en el ejemplo 3 a:

24 3 "9 12 "9 6 150 2 "4 4 2 "60 0 0 0 1 4

35

(8)

Las variables bsicas son x1, x2 y x5; las variables libres son x3 y x4. No existe ninguna ecua-cin del tipo 0 ! 1 que indique la inconsistencia del sistema, as que se podra emplear sus-titucin regresiva para encontrar una solucin. Pero en (8) ya es evidente la existencia de una solucin. Adems, la solucin no es nica porque hay variables libres. Cada diferente asignacin de x3 y x4 determina una solucin distinta. Por lo tanto, el sistema tiene un n-mero infinito de soluciones. Q

Cuando un sistema est en forma escalonada y no contiene ecuaciones del tipo 0 ! b, con b diferente de cero, entonces cada ecuacin no nula tiene una variable bsica con un coeficiente distinto de cero. Es posible que las variables bsicas estn completamente de-terminadas (sin variables libres) o que al menos una de las variables bsicas pueda expresarse en trminos de una o ms variables libres. En el primer caso, existe una solucin nica; en el ltimo caso, hay infinidad de soluciones (una para cada asignacin de valores a las variables libres).

En general, la fase progresiva de reduccin por filas es ms larga que la fase regre-siva. Por lo regular, un algoritmo para resolver un sistema se mide en flops (u ope-raciones de punto flotante). Un flop es una operacin aritmtica ($, ", *, !) que se realiza sobre dos nmeros reales de punto flotante.3 Para una matriz de n % (n $ 1), la reduccin a la forma escalonada puede requerir 2n3!3 $ n2!2 " 7n!6 flops (que es aproximadamente 2n3!3 flops cuando n es moderadamente grande, por ejemplo, n ' 30). En contraste, una reduccin adicional a la forma escalonada reducida nece-sita, a lo sumo, n2 flops.

N OTA N U M R I C A

3 Tradicionalmente, un flop era solo una multiplicacin o divisin, ya que la suma y la resta tomaban mucho menos

tiempo y podan ignorarse. Ahora se prefiere la definicin de flop que aqu se presenta, debido a los avances en la arquitectura computacional. Vase Golub y Van Loan, Matrix Computations, 2a. ed. (Baltimore: The Johns Hopkins Press, 1989), pp. 19-20.


El siguiente procedimiento indica cmo encontrar y describir todas las soluciones de un sistema lineal.

USO DE LA REDUCCIN POR FILAS PARA RESOLVER UN SISTEMA LINEAL1. Escriba la matriz aumentada del sistema.2. Emplee el algoritmo de reduccin por filas para obtener una matriz aumentada

equivalente en forma escalonada. Determine si el sistema es consistente o no. Si no existe solucin, detngase; en caso contrario, contine con el siguiente paso.

3. Prosiga con la reduccin por filas para obtener la forma escalonada reducida.4. Escriba el sistema de ecuaciones correspondiente a la matriz obtenida en el

paso 3.5. Rescriba cada ecuacin no nula del paso 4 de manera que su nica variable bsica

se exprese en trminos de cualquiera de las variables libres que aparecen en la ecuacin.

Teorema de existencia y unicidad Un sistema lineal es consistente si y solo si la columna ms a la derecha de la matriz aumentada no es una columna pivote, es decir, si y solo si una forma escalonada de la matriz aumentada no tiene filas del tipo

[0 ### 0 b] con b diferente de cero

Si un sistema lineal es consistente, entonces el conjunto solucin contiene: i. una nica solucin, cuando no existen variables libres, o ii. una infinidad de soluciones, cuando hay al menos una variable libre.

T E O R E M A 2

PROBLEMAS DE PRCTICA

1. Encuentre la solucin general del sistema lineal cuya matriz aumentada es #1 "3 "5 00 1 1 3

$2. Obtenga la solucin general del sistema

x1 " 2x2 " x3 C 3x4 D 0"2x1 C 4x2 C 5x3 " 5x4 D 33x1 " 6x2 " 6x3 C 8x4 D 2

1.2 E JERCICIOS En los ejercicios 1 y 2, determine cules matrices estn en forma es-calonada reducida y cules se encuentran solo en forma escalonada.

1. a)

24 1 0 0 00 1 0 00 0 1 1

35

b) 24 1 0 1 00 1 1 00 0 0 1

35 c)

26641 0 0 00 1 1 00 0 0 00 0 0 1

3775 d) 26641 1 0 1 10 2 0 2 20 0 0 3 30 0 0 0 4

3775

Esas observaciones justifican el siguiente teorema.


2. a) 24 1 0 1 10 1 1 10 0 0 0

35

b) 24 1 0 0 00 2 0 00 0 1 1

35

c)

26640 0 0 01 2 0 00 0 1 00 0 0 1

3775

d)

26640 1 1 1 10 0 1 1 10 0 0 0 10 0 0 0 0

3775En los ejercicios 3 y 4 aplique la reduccin por filas a las matrices para llevarlas a la forma escalonada reducida. En las matrices origi-nal y final encierre en un crculo las posiciones pivote, e indique las columnas pivote.

3.

24 1 2 4 82 4 6 83 6 9 12

35

4.

24 1 2 4 52 4 5 44 5 4 2

35 5. Describa las posibles formas escalonadas de una matriz

de 2 % 2 diferente de cero. Utilice los smbolos Q, * y 0, como en la primera parte del ejemplo 1.

6. Repita el ejercicio 5 para una matriz de 3 % 2 diferente de cero.

Encuentre las soluciones generales de los sistemas cuyas matrices aumentadas se presentan en los ejercicios 7 a 14.

7. #1 3 4 73 9 7 6

$

8. #

1 "3 0 "5"3 7 0 9

$ 9.

#0 1 "2 31 "3 4 "6

$

10. #

1 "2 "1 4"2 4 "5 6

$

11.

24 3 "2 4 09 "6 12 06 "4 8 0

35

12.

26641 0 "9 0 40 1 3 0 "10 0 0 1 "70 0 0 0 1

377513.

26641 "3 0 "1 0 "20 1 0 0 "4 10 0 0 1 9 40 0 0 0 0 0

377514.

26641 0 "5 0 "8 30 1 4 "1 0 60 0 0 0 1 00 0 0 0 0 0

3775Los ejercicios 15 y 16 emplean la notacin del ejemplo 1 para ma-trices en forma escalonada. Suponga que cada matriz representa la matriz aumentada para un sistema de ecuaciones lineales. En cada caso, determine si el sistema es consistente. De ser as, determine si la solucin es nica.

15. a) 24 # # #0 # #0 0 0 0

35b) 24 0 # # #0 0 # #0 0 0 0

35

16. a) 24 # #0 #0 0

35b) 24 # # # #0 0 # #0 0 0 #

35En los ejercicios 17 y 18, determine el valor o los valores de h tales que la matriz sea la matriz aumentada de un sistema lineal consis-tente.

17. #

1 "1 4"2 3 h

$

18. #1 "3 1h 6 "2

$En los ejercicios 19 y 20, asigne valores para h y k de manera que el sistema a) no tenga solucin, b) tenga solucin nica, y c) tenga muchas soluciones. D respuestas por separado para cada inciso.

19. x1 C hx2 D 24x1 C 8x2 D k

20. x1 " 3x2 D 12x1 C hx2 D k

En los ejercicios 21 y 22, marque cada enunciado como verdadero o falso. Justifique cada respues

algebra lineal y sus aplicaciones

Documents