Matematica Essencial: Consistencia de um sistema linear
Consistência de um sistema linear


Problema

Dadas as três equações


quais são as condições que devem ser impostas aos termos independentes k, l e m para que o sistema seja consistente.
A condição k=l=m, indicada como verdadeira em um certo livro, é falsa, pois existem sistemas:


Solução trivial

Se k=l=m=0, as três retas passam pela origem e a solução simples para o problema é dada por x=y=0. Existem outras soluções não triviais.


Situação hipotética

Se nós assumirmos que existe um ponto (xo,yo) no plano XY, pertencente às três retas, então valerá a condição:


Como o sistema original pode ser transladado para um novo sistema de eixos passando pelo ponto (xo,yo), construímos um outro sistema:


Este sistema possui solução dada por x=xo e y=yo.


Análise da consistência com apenas 2 equações

Consideraremos inicialmente duas retas quaisquer do sistema. Por simplicidade, tomaremos as duas primeiras:


Sobre a consistência, a Regra de Cramer garante que há:

Análise de C1: Uma única solução
Se há uma única solução, digamos x=xo e y=yo, temos que


e o sistema transladado pode ser escrito na forma:


Análise de C2: Infinitas soluções
Se há infinitas soluções da forma x=xo e y=yo, as retas coincidem, garantindo que há infinitos (xo,yo), tal que


e de novo, o sistema transladado pode ser escrito como:



Análise da consistência com todas as 3 equações

Voltemos ao sistema original, com as três equações:


Há dois casos para analisar a consistência do sistema.

Análise de C3: Uma única solução
Se há uma única solução para o sistema formado pelas duas primeiras retas, digamos x=xo e y=yo, então segue que


Se o ponto (xo,yo) pertence à terceira reta ex+fy=m, então


e todo o sistema transladado pode ser escrito na forma:


Análise de C4: Infinitas soluções
Se há infinitas soluções da forma x=xo e y=yo, as retas coincidem, garantindo que há infinitos (xo,yo), tal que


e novamente, o sistema transladado pode ser escrito:



Condição correta

Nos quatro casos possíveis, o sistema original terá solução se, existir um ponto (xo,yo) satisfazendo à condição:



Criatividade

Criatividade 2-dimensional linear
Tome um ponto fixo P=(xo,yo) no plano R2 e construa um feixe de retas passando por P, isto é, uma coleção de retas:


onde n (coeficiente angular) é um número real. Ainda existe uma reta vertical x=xo que passa por P.

Tomaremos apenas n como um número natural e já teremos uma coleção com infinitas retas passando por P=(xo,yo), como por exemplo a coleção que aparece na tabela:

Coeficiente Reta Equação
n=1 y=x+yo - 1xo -1x + 1y = yo - 1xo
n=2 y=x+yo - 2xo -1x + 1y = yo - 2xo
n=3 y=x+yo - 3xo -1x + 1y = yo - 3xo
n=4 y=x+yo - 4xo -1x + 1y = yo - 4xo
... ... ...

Podemos construir infinitos sistemas consistentes com 3 equações e 2 incógnitas em que os termos independentes não são iguais.

Criatividade 3-dimensional linear
Tome um ponto fixo P=(xo,yo,0) em R3 e construa um feixe de retas passando por P, contidas no plano z=0, isto é, uma coleção de retas da forma


onde n é um número real. Ainda existe a reta x=xo no plano z=0 que passa por P.

Há infinitas retas contidas no plano z=0 que passam pelo ponto P. Se você "levantar" verticalmente todas estas retas, você terá um feixe de planos verticais no espaço R3, todos eles passando pelo ponto P. Podemos construir infinitos sistemas consistentes com 3 equações e 2 incógnitas em que os termos independentes não são iguais.

Criatividade n-dimensional linear
Tome um ponto fixo P=(p1,p2,0,...,0) no hiperplano


e construa um feixe de retas contidas nesse hiperplano H que passam por P=(p1,p2,0,...,0), isto é, uma coleção de retas da forma


onde q é um número real. Ainda existe a reta x1=p1 no hiperplano H que passa por P. Há infinitas retas passando por P=(p1,p2,0,...,0). Se você "levantar" todas estas retas no espaço Rn, você terá um feixe de hiperplanos, todos eles passando pelo ponto P. Assim, podemos construir infinitos sistemas consistentes com 3 equações e 2 incógnitas em que os termos independentes não são iguais.

Criatividade ampliada não linear
Após a nossa análise linear, amplie a sua criatividade com um estudo para outros tipos de curvas, como as cônicas: circunferências, elipses, parábolas, hipérboles, ou outro tipo. Por exemplo, considere o sistema com as três equações (possivelmente cônicas) em R2.


Quais são as condições que devem ser impostas a f1, f2 e f3 para que o sistema seja consistente?

Exemplo: Estude o sistema com 3 circunferências em R2:


Quais são as condições que devem ser impostas a k, l e m, para que o sistema seja consistente? Embora este sistema seja bastante parecido com o primeiro sistema apresentado, a solução é muito diferente!


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Parcialmente traduzida do LATEX pelo HEVEA