Resolver un sistema consiste en encontrar valores que cumplan todas sus ecuaciones a la vez. Gauss cambia unas ecuaciones por otras equivalentes, más fáciles de leer. Aprenderemos a conservar cada condición mientras construimos ceros, y a reconocer si la respuesta es única, una familia completa o ninguna.
Si necesitas repasar:
1. Una solución tiene que cumplir todas las ecuaciones simultáneamente
Una ecuación lineal combina incógnitas con coeficientes constantes y sumas: por ejemplo, 2x−3y+z=5. No tiene cuadrados de incógnitas, productos entre ellas ni denominadores que dependan de ellas. Una letra sin coeficiente escrito tiene coeficiente uno; −z tiene coeficiente menos uno.
Una solución es una lista ordenada de valores.
Cada ecuación impone una condición; buscamos la intersección de todas. En dos incógnitas se ve como el cruce de rectas, aunque el método también funciona sin dibujar.
Cumplir una ecuación no basta
En x+y=3 y x−y=1, comprueba las parejas (1,2) y (2,1).
Primera pareja
1+2=3, pero 1−2=−1≠1.Segunda
2+1=3 y 2−1=1.Conclusión
Solo la segunda cumple ambas.
(2,1) es solución; (1,2) no.
Las posiciones de la pareja están ligadas al orden x,y.
Reconocer linealidad antes de usar Gauss
Compara 3x−y=4, xy=4 y x²+y=4.
Primera
Coeficientes tres y menos uno, sin productos entre incógnitas: lineal.
Segunda
Multiplica dos incógnitas; no es lineal.
Tercera
Eleva x al cuadrado; tampoco es lineal.
Gauss lineal se aplica directamente solo a la primera.
Un producto como 3x sí está permitido: tres es constante, no otra incógnita.
2. La matriz ampliada guarda los coeficientes en columnas de significado fijo
Elegimos un orden para las incógnitas, por ejemplo x,y,z. Pasamos sus términos al lado izquierdo y los números al derecho. Cada fila de [A|b] guarda los coeficientes de una ecuación; tras la barra va el término independiente.
Una incógnita ausente ocupa su columna con cero. No desplazamos las otras entradas para cerrar el hueco. La barra separa datos que multiplican incógnitas de la columna de resultados. Cambiar el orden de columnas exigiría registrar un cambio del orden de las variables.
Una columna no desaparece cuando falta una incógnita
Forma la ampliada para 2x−z=4 y y=3−x.
Ordenar la segunda
x+y=3.Orden x,y,z
Primera fila (2,0,−1|4).
Segunda
(1,1,0|3).
Filas ampliadas (2,0,−1|4),(1,1,0|3).
El cero de y en la primera impide confundir el −1 de z con un coeficiente de y.
Leer una fila de vuelta a su ecuación
Con columnas x,y,z, interpreta (0,−2,1|5).
Coeficientes
Cero x, menos dos y, más una z.
Ecuación
−2y+z=5.Qué no sabemos aún
La fila no fija z=5 porque el término con y sigue presente.
−2y+z=5.
La lectura inversa ayuda a comprobar que la tabla conserva la ecuación original.
3. Una operación válida se puede deshacer y afecta a toda la fila
Intercambiar ecuaciones no cambia sus soluciones. Multiplicar una por un número distinto de cero tampoco: después podemos dividir por él. Sumar a una ecuación un múltiplo de otra es reversible restando ese mismo múltiplo. Estas son las operaciones elementales de filas.
Se modifica también el término independiente. Si cambiamos solo los coeficientes, inventamos otra condición. Multiplicar por cero borra una ecuación y no se puede deshacer. Con un divisor que contiene un parámetro, primero separamos el caso en que sería cero.
Eliminar un término sin perder la ecuación
En x+y=4 y 2x+3y=11, reemplaza la segunda por la segunda menos dos veces la primera.
Lado izquierdo
(2x+3y)−2(x+y)=y.Lado derecho
11−2·4=3.Sistema nuevo
x+y=4, y=3.Se recupera la segunda antigua sumando dos veces la primera.
La ecuación nueva es y=3, y las soluciones se conservan.
El once también se ha transformado; dejarlo igual habría dado una condición falsa.
Un cero que borra información
¿Se puede reemplazar x=2 por 0·x=0 para resolver?
Antes
Solo x=2 cumplía la ecuación.Después
0=0 lo cumple cualquier x.Reversibilidad
No podemos dividir por cero para recuperar x=2.
No es una operación válida de equivalencia.
Crear ceros mediante suma de ecuaciones conserva la información; multiplicar toda una ecuación por cero la destruye.
4. Gauss crea ceros debajo de un pivote y después avanza
Elegimos una entrada no nula como pivote; si hace falta, intercambiamos filas para colocarla. Sumamos múltiplos de esa fila a las inferiores para anular la misma columna. Repetimos más abajo y más a la derecha, dejando filas nulas al final.
La forma escalonada tiene pivotes que avanzan hacia la derecha. No es obligatorio que valgan uno ni que todas las casillas superiores sean distintas de cero. Si una columna no ofrece pivote, pasamos a la siguiente; nunca dividimos por cero para forzar una posición.
Una eliminación de tres ecuaciones, paso a paso
Escalona x+y+z=6; 2x+3y+z=11; x−y+2z=5.
Primera fila
Pivote uno en x; conservamos (1,1,1|6).
Eliminar x de la segunda
F₂←F₂−2F₁: (0,1,−1|−1).
Eliminar x de la tercera
F₃←F₃−F₁: (0,−2,1|−1).
Usar el nuevo pivote de y
F₃←F₃+2F₂: (0,0,−1|−3).
Forma escalonada: (1,1,1|6),(0,1,−1|−1),(0,0,−1|−3).
En el último paso usamos la segunda fila ya actualizada, y calculamos también −1+2·(−1)=−3.
Cambiar una fila evita un pivote cero
Escalona 2y=4 y x+y=5 en el orden x,y.
Inicial
Filas (0,2|4),(1,1|5).
Intercambiar
Ponemos (1,1|5) arriba y (0,2|4) debajo.
Forma
Ya hay pivotes en x y en y; debajo del primero hay cero.
La tabla queda escalonada sin dividir por cero.
Un cero inicial no demuestra que falte solución: había una fila útil para intercambiar.
5. Volvemos desde la última ecuación o continuamos hasta la forma reducida
En la sustitución hacia atrás empezamos por la última ecuación útil. Con su incógnita calculada, subimos a la anterior y repetimos. Si hay un pivote para cada incógnita, esto reconstruye la solución única.
Gauss-Jordan continúa creando ceros por encima de los pivotes y los normaliza a uno. La forma reducida permite leer directamente las variables básicas. Ambos procedimientos conservan las mismas soluciones; para un sistema pequeño no es obligatorio reducir toda la tabla si sustituir hacia atrás es más corto.
Recuperar tres incógnitas
Resuelve la tabla escalonada del dibujo anterior.
Última
−z=−3, luego z=3.Segunda
y−z=−1, por tanto y−3=−1 y y=2.Primera
x+y+z=6: x+2+3=6, luego x=1.Ordenar
Escribimos (x,y,z)=(1,2,3).
(1,2,3).
En la segunda original: 2·1+3·2+3=11; en la tercera: 1−2+2·3=5.
La misma solución mediante Gauss-Jordan
Reduce las filas (1,1|5),(0,2|4).
Normalizar el segundo pivote
F₂←F₂/2: (0,1|2).
Eliminar por encima
F₁←F₁−F₂: (1,0|3).
Leer
Las dos filas son x=3 e y=2.
(x,y)=(3,2).
Sustitución hacia atrás en la tabla inicial daba primero y=2 y después x=3.
6. Una fila cero puede ser redundancia o una contradicción
Una sola contradicción basta para que todo el sistema sea incompatible.
El rango de A cuenta pivotes del bloque de coeficientes, y el de [A|b] incluye también la última columna. Si esta crea un pivote adicional, los rangos difieren y no hay solución. Si coinciden, el sistema es compatible; falta contar variables libres para saber si la solución es única.
Una ecuación repetida
Escalona x+2y=4 y 2x+4y=8.
Eliminar
F₂←F₂−2F₁.
Fila resultante
(0,0|0), es decir 0=0.Rangos
Un pivote en ambos bloques: rango uno.
Solo queda x+2y=4.
Sistema compatible con una condición independiente.
Tener dos ecuaciones escritas no obliga a dos restricciones distintas.
Casi los mismos números, ninguna solución
Cambia el ocho anterior por nueve.
Misma operación
F₂←F₂−2F₁.
Resultado
(0,0|1), igualdad 0=1.Clasificación
rg A=1 y rg[A|b]=2.
No tiene solución.
No se ignora una fila solo porque todos sus coeficientes de incógnitas sean cero; hay que mirar también b.
7. Una variable sin pivote es libre; necesitamos describir todas las elecciones
Si un sistema compatible tiene n incógnitas y rango r, deja n−r variables libres. Elegimos un parámetro real independiente para cada una y despejamos las variables con pivote. Un solo ejemplo numérico no describe toda la familia.
En un sistema homogéneo, todos los términos independientes son cero y la solución nula siempre existe. Sus soluciones forman un subespacio: las combinaciones lineales de soluciones siguen cumpliendo las ecuaciones. Con términos no nulos, si el sistema es compatible, su conjunto de soluciones es una traslación del núcleo.
Una libre, dos variables reconstruidas
Resuelve x+2y−z=4, y+z=3.
Elegir libre
z=t, cualquier real.Segunda
y=3−t.Primera
x=4−2(3−t)+t=−2+3t.Comprobar
x+2y−z=(−2+3t)+2(3−t)−t=4; y+z=3.
(x,y,z)=(−2+3t,3−t,t), con t real.
Tres incógnitas menos dos pivotes deja exactamente un parámetro, no tres independientes.
Dos libres en un sistema homogéneo
Resuelve x−y+2z=0 y 2x−2y+4z=0.
Redundancia
La segunda ecuación es el doble de la primera: rango uno.
Libres
y=s y z=t, dos reales independientes.Básica
x=s−2t.Nula incluida
s=t=0 produce (0,0,0).
(s−2t,s,t), con s,t reales.
La segunda ecuación también se cumple porque repite dos veces la primera.
8. Un parámetro del enunciado no se divide sin separar sus valores excepcionales
Un parámetro k fija un sistema distinto para cada valor. No es automáticamente una variable libre de su solución. Si aparece un pivote k−1, podemos dividir por él solo cuando k≠1; en k=1 volvemos a interpretar la fila que queda.
El valor excepcional puede producir redundancia o contradicción, según el término independiente. Por eso no basta decir que el método falla cuando el pivote se anula: ese caso tiene una clasificación que todavía debemos estudiar.
Un valor especial deja infinitas soluciones
Estudia x+y=2 y x+ky=2 según k.
Restar la primera a la segunda
(k−1)y=0.Si k≠1
y=0 y x=2: solución única.Si k=1
Queda 0=0; y=t y x=2−t.
Única (2,0) si k≠1; familia (2−t,t) si k=1.
No dividimos por k−1 en el caso que lo hace cero.
El mismo pivote excepcional ahora da contradicción
Cambia el segundo término independiente a tres: x+y=2, x+ky=3.
Eliminar
(k−1)y=1.Si k≠1
y=1/(k−1), x=2−1/(k−1).Si k=1
La ecuación queda 0=1.
Única para k≠1; ninguna para k=1.
La diferencia está en el término independiente de la fila final, no solo en el pivote.
9. Comprobamos en las ecuaciones originales y conservamos fracciones exactas
Una solución numérica se sustituye en todas las ecuaciones iniciales. Una familia se comprueba simbólicamente para cualquier valor de sus parámetros. Revisar solo la última tabla no detectaría un error que se cometió al formar la ampliada.
Usamos fracciones exactas para distinguir un cero de un número pequeño. Elegir un pivote sencillo puede ahorrar trabajo, pero no cambia el objetivo: operaciones reversibles y soluciones completas. El método funciona también con más ecuaciones que incógnitas o al revés.
Un tercio sigue siendo exacto
Resuelve 2x+y=1 y x−y=0.
Eliminar
F₂←2F₂−F₁: −3y=−1.Última incógnita
y=1/3.Volver
x−y=0 da x=1/3.Verificar
2/3+1/3=1 y 1/3−1/3=0.
(1/3,1/3).
Escribir 0,333 solo daría una aproximación, que puede introducir falsos restos al verificar.
Verificar una familia de cuatro ecuaciones
Se propone (x,y)=(2−t,t) para x+y=2, 2x+2y=4, −x−y=−2 y 3x+3y=6.
Condición básica
(2−t)+t=2 para cualquier t.Otras condiciones
Son dos, menos una y tres veces esa misma igualdad.
Completitud
La primera exige x=2−y; cualquier solución se obtiene eligiendo t=y.
La familia es válida y contiene todas las soluciones.
Cuatro ecuaciones repetidas siguen dejando una variable libre.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Eliminación
Resuelve x+y=5 y 2x−y=1 con Gauss.
Ampliada en orden x,y
Filas (1,1|5),(2,−1|1).
Crear un cero
F₂←F₂−2F₁: (0,−3|−9).
Última ecuación
−3y=−9, luego y=3.Subir
x+3=5 da x=2.Comprobar ambas originales
2+3=5 y 2·2−3=1.Lista ordenada
(x,y)=(2,3).
(x,y)=(2,3).
2+3=5 y 4−3=1.
EJEMPLO RESUELTO 2
Variable libre
Resuelve x+y+z=3, 2x+2y+2z=6.
Reconocer la repetición
La segunda ecuación es dos veces la primera.
Eliminar
F₂←F₂−2F₁ deja (0,0,0|0).
Contar
Tres incógnitas y un pivote: dos libres.
Elegir parámetros independientes
y=s, z=t; s y t recorren todos los reales.Reconstruir
x=3−s−t.Verificar y completar
La suma x+y+z vale tres y su doble seis para todo s,t. Cualquier solución tiene esos mismos valores de y y z, así que queda incluida.
(3−s−t,s,t), con s,t reales.
Ambas ecuaciones se cumplen para cualquier s,t.
Los símbolos que hemos usado
- Ax=b
- Forma matricial de un sistema con matriz de coeficientes A e incógnitas x.
- [A|b]
- Matriz ampliada que conserva coeficientes y términos independientes.
- Fᵢ
- Fila i de la tabla ampliada, correspondiente a una ecuación.
- Pivote
- Primera entrada no nula de una fila escalonada. En A señala una variable básica; un pivote adicional en la columna b de [A|b] revela una contradicción.
- Variable libre
- Incógnita sin pivote que puede elegirse como parámetro.
- r
- Rango de la matriz de coeficientes en un sistema compatible.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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