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Resolver sistemas de ecuaciones por eliminación

Después de esta lección: Puedo resolver un sistema pequeño por eliminación y decir cuándo no tiene solución o tiene muchas.

Lección de 65 min2 comandosLaboratorio JupyterLab de ciencia de datos: pandas, Matplotlib y scikit-learn en el navegador

Un sistema de ecuaciones reúne varias pistas

Un sistema de ecuaciones lineales es un conjunto de pistas sobre números desconocidos. Resolverlo es encontrar los valores que cumplen todas las pistas a la vez.

Aparece al ajustar precios, repartir recursos o calcular una corriente en un circuito. Al acabar sabrás resolver un sistema pequeño por eliminación y decir cuándo no hay una sola respuesta.

Al final de esta lección

Nota

Puedo resolver un sistema pequeño por eliminación y decir cuándo no tiene solución o tiene muchas.

Palabras clave

PalabraQué significa
Sistema de ecuacionesvarias ecuaciones con las mismas incógnitas
Incógnitaun número que todavía no conoces
Eliminaciónrestar ecuaciones para que desaparezca una incógnita
Matriz singularuna matriz que no permite una única solución
Determinanteun número que vale 0 si la matriz es singular

Las celdas que rellenan los estudiantes quedan en blanco en esta vista previa.

Dos pistas sobre una bici y un casco

Una tienda alquila bicis por horas y cascos por unidad. Sea x el precio de una hora de bici e y el precio de un casco, los dos en euros.

Pista 1: dos horas de bici y un casco cuestan 5 euros. Pista 2: una hora de bici y tres cascos cuestan 10 euros. Se escribe 2x + y = 5 y x + 3y = 10.

Eliminar es restar ecuaciones

La idea es dejar una sola incógnita. Multiplica la segunda ecuación por 2 para que tenga también 2x. Después réstale la primera: la x desaparece.

Queda una ecuación con solo y. La resuelves y sustituyes su valor en una ecuación original para encontrar x.

Ejemplo resuelto: eliminación paso a paso

PasoEcuacionesQué se hace
12x + y = 5 y x + 3y = 10Se parte de las dos pistas
22x + y = 5 y 2x + 6y = 20Se multiplica la segunda por 2
35y = 15Se resta la primera a la segunda
4y = 3Se divide entre 5
5x = (5 - 3) / 2 = 1Se sustituye y en la primera

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Sustituye y comprueba el resultado

Código: python
# El sistema: 2 x + y = 5 y x + 3 y = 10.
# Ya sabes y = 3. Despeja x en la primera ecuación.
y = 3
x = (5 - y) / 2

print("x:", x)
print("comprobación 1:", 2 * x + y)
print("comprobación 2:", x + 3 * y)
# Cambia y a 4 y vuelve a ejecutar.
# ¿Se cumplen las dos ecuaciones? ¿Por qué?

Un sistema usa una matriz y vectores

Los números de las incógnitas forman una matriz A. Las incógnitas forman un vector x y los resultados forman un vector b. Todo el sistema es A por x igual a b.

Aquí A es [[2, 1], [1, 3]], x es [x, y] y b es [5, 10]. Un programa elimina trabajando con las filas de la matriz.

Resuelve el sistema con NumPy

Comando
docker exec jupyter python3 -c "import numpy as np; print(np.linalg.solve(np.array([[2.0,1.0],[1.0,3.0]]), np.array([5.0,10.0])).tolist())"

Se muestra aquí y no se ejecuta. Crea una cuenta gratuita para pulsar Ejecutar y escribirlo en el terminal de tu propio laboratorio.

A veces no hay solución o hay infinitas

Mira x + 2y = 3 junto a 2x + 4y = 6. La segunda es la primera multiplicada por 2: no dice nada nuevo. Hay infinitas parejas que cumplen las dos.

Con 2x + 4y = 7 las pistas se contradicen y no hay ninguna solución. En los dos casos la matriz es singular y su determinante vale 0.

Ejemplo resuelto: tres sistemas con la misma matriz

SistemaQué pasa al eliminarSoluciones
x + 2y = 3 y 2x + 4y = 6Queda 0 = 0Infinitas
x + 2y = 3 y 2x + 4y = 7Queda 0 = 1Ninguna
2x + y = 5 y x + 3y = 10Queda 5y = 15Exactamente una

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El determinante de una matriz singular

Comando
docker exec jupyter python3 -c "import numpy as np; print(round(float(np.linalg.det(np.array([[1,2],[2,4]]))),3))"

Se muestra aquí y no se ejecuta. Crea una cuenta gratuita para pulsar Ejecutar y escribirlo en el terminal de tu propio laboratorio.

Un error muy común

Advertencia

Mucha gente cree que, si al eliminar sale 0 = 0, el sistema no tiene solución. Es al revés: tiene infinitas. Solo cuando sale algo falso, como 0 = 1, no hay ninguna. Mira siempre qué ecuación queda.

Para ir más lejos: tres incógnitas

Con tres incógnitas se hace igual, un paso más. Primero eliminas la x de las filas de abajo, después la y de la última, y sustituyes hacia atrás.

Prueba con el sistema x + y + z = 6, 2y + 5z = -4 y 2x + 5y - z = 27. Comprueba que x = 5, y = 3 y z = -2 cumplen las tres pistas.

Sobre este laboratorio y su código: Laboratorio JupyterLab de ciencia de datos: pandas, Matplotlib y scikit-learn en el navegador

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