Matemáticas I · Tema 3 · Sección 3.1

Ejercicios resueltos de sistemas 2×2

4 ejercicios resueltos paso a paso del tema 3 de Matemáticas I (Sistemas de ecuaciones y determinantes). El enunciado está a la vista y la solución, plegada: intenta cada ejercicio antes de abrirla.

  • sistema 2x2
  • eliminación
  • sustitución
  • solución única
  • método gráfico

Ejercicio 1

Dificultad: Básico

Resolver usando eliminación de Gauss:

{3x+2y=11x+4y=9\begin{cases} 3x + 2y = 11 \\ x + 4y = 9 \end{cases}

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  1. Paso 1
    Formar la matriz ampliada

    (32∣1114∣9)\begin{pmatrix} 3 & 2 & \mid & 11 \\ 1 & 4 & \mid & 9 \end{pmatrix}

  2. Paso 2
    Aplicar f12f_{12} para obtener pivote 1

    (14∣932∣11)\begin{pmatrix} 1 & 4 & \mid & 9 \\ 3 & 2 & \mid & 11 \end{pmatrix}

  3. Paso 3
    Aplicar f21(−3)f_{21}(-3) para eliminar

    (14∣90−10∣−16)\begin{pmatrix} 1 & 4 & \mid & 9 \\ 0 & -10 & \mid & -16 \end{pmatrix}

  4. Paso 4
    Sustitución hacia atrás

    −10y=−16⇒y=85-10y = -16 \Rightarrow y = \frac{8}{5}

    x+4⋅85=9⇒x=9−325=135x + 4 \cdot \frac{8}{5} = 9 \Rightarrow x = 9 - \frac{32}{5} = \frac{13}{5}

    Solución: x=135x = \frac{13}{5}, y=85y = \frac{8}{5}

Ejercicio 2

Dificultad: Intermedio

Resolver el sistema y verificar la solución:

{2x−3y=−74x+y=6\begin{cases} 2x - 3y = -7 \\ 4x + y = 6 \end{cases}

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  1. Paso 1
    Matriz ampliada

    (2−3∣−741∣6)\begin{pmatrix} 2 & -3 & \mid & -7 \\ 4 & 1 & \mid & 6 \end{pmatrix}

  2. Paso 2
    Aplicar f1(12)f_1(\frac{1}{2})

    (1−32∣−7241∣6)\begin{pmatrix} 1 & -\frac{3}{2} & \mid & -\frac{7}{2} \\ 4 & 1 & \mid & 6 \end{pmatrix}

  3. Paso 3
    Aplicar f21(−4)f_{21}(-4)

    (1−32∣−7207∣20)\begin{pmatrix} 1 & -\frac{3}{2} & \mid & -\frac{7}{2} \\ 0 & 7 & \mid & 20 \end{pmatrix}

  4. Paso 4
    Resolver por sustitución

    7y=20⇒y=2077y = 20 \Rightarrow y = \frac{20}{7}

    x−32⋅207=−72⇒x=−72+307=1114x - \frac{3}{2} \cdot \frac{20}{7} = -\frac{7}{2} \Rightarrow x = -\frac{7}{2} + \frac{30}{7} = \frac{11}{14}

  5. Paso 5
    Verificación

    2⋅1114−3⋅207=117−607=−72 \cdot \frac{11}{14} - 3 \cdot \frac{20}{7} = \frac{11}{7} - \frac{60}{7} = -7 ✓

    4⋅1114+207=227+207=64 \cdot \frac{11}{14} + \frac{20}{7} = \frac{22}{7} + \frac{20}{7} = 6 ✓

    Solución: x=1114x = \frac{11}{14}, y=207y = \frac{20}{7}

Ejercicio 3

Dificultad: Avanzado

Resolver el sistema no homogéneo y analizar geométricamente:

{5x−2y=83x+4y=14\begin{cases} 5x - 2y = 8 \\ 3x + 4y = 14 \end{cases}

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  1. Paso 1
    Matriz ampliada y eliminación

    (5−2∣834∣14)\begin{pmatrix} 5 & -2 & \mid & 8 \\ 3 & 4 & \mid & 14 \end{pmatrix}

  2. Paso 2
    f1(15)f_1(\frac{1}{5}) y f21(−3)f_{21}(-3)

    (1−25∣850265∣465)\begin{pmatrix} 1 & -\frac{2}{5} & \mid & \frac{8}{5} \\ 0 & \frac{26}{5} & \mid & \frac{46}{5} \end{pmatrix}

  3. Paso 3
    Resolver el sistema

    265y=465⇒y=4626=2313\frac{26}{5}y = \frac{46}{5} \Rightarrow y = \frac{46}{26} = \frac{23}{13}

    x=85+25⋅2313=85+4665=15065=3013x = \frac{8}{5} + \frac{2}{5} \cdot \frac{23}{13} = \frac{8}{5} + \frac{46}{65} = \frac{150}{65} = \frac{30}{13}

  4. Paso 4
    Interpretación geométrica

    Las rectas 5x−2y=85x - 2y = 8 y 3x+4y=143x + 4y = 14 se intersectan en el punto (3013,2313)\left(\frac{30}{13}, \frac{23}{13}\right)

    • Pendiente recta 1: m1=52m_1 = \frac{5}{2}
    • Pendiente recta 2: m2=−34m_2 = -\frac{3}{4}

    Como m1≠m2m_1 \neq m_2, las rectas son secantes (solución única)

    Solución: x=3013x = \frac{30}{13}, y=2313y = \frac{23}{13}

Ejercicio 4

Dificultad: Experto

Demostrar que el sistema tiene solución única y encontrarla usando operaciones matriciales sistemáticas:

{ax+by=cdx+ey=f\begin{cases} ax + by = c \\ dx + ey = f \end{cases}

donde ae−bd≠0ae - bd \neq 0. Aplicar con a=7,b=−3,c=1,d=2,e=5,f=16a=7, b=-3, c=1, d=2, e=5, f=16

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  1. Paso 1
    Condición de solución única

    El sistema tiene solución única si y solo si det(abde)=ae−bd≠0\text{det}\begin{pmatrix} a & b \\ d & e \end{pmatrix} = ae - bd \neq 0

  2. Paso 2
    Fórmula general por eliminación

    Matriz ampliada: (ab∣cde∣f)\begin{pmatrix} a & b & \mid & c \\ d & e & \mid & f \end{pmatrix}

    Si a≠0a \neq 0: f21(−d/a)f_{21}(-d/a) da (ab∣c0e−bda∣f−cda)\begin{pmatrix} a & b & \mid & c \\ 0 & e-\frac{bd}{a} & \mid & f-\frac{cd}{a} \end{pmatrix}

  3. Paso 3
    Solución general

    y=f−cdae−bda=af−cdae−bdy = \frac{f - \frac{cd}{a}}{e - \frac{bd}{a}} = \frac{af - cd}{ae - bd}

    x=c−bya=ce−bfae−bdx = \frac{c - by}{a} = \frac{ce - bf}{ae - bd}

  4. Paso 4
    Aplicación numérica

    Con a=7,b=−3,c=1,d=2,e=5,f=16a=7, b=-3, c=1, d=2, e=5, f=16:

    det=7⋅5−(−3)⋅2=35+6=41≠0\text{det} = 7 \cdot 5 - (-3) \cdot 2 = 35 + 6 = 41 \neq 0 ✓

    x=1⋅5−(−3)⋅1641=5+4841=5341x = \frac{1 \cdot 5 - (-3) \cdot 16}{41} = \frac{5 + 48}{41} = \frac{53}{41}

    y=7⋅16−1⋅241=112−241=11041y = \frac{7 \cdot 16 - 1 \cdot 2}{41} = \frac{112 - 2}{41} = \frac{110}{41}

    Solución: x=5341x = \frac{53}{41}, y=11041y = \frac{110}{41}