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Sistemi di equazioni lineari

Esercizi · Sistemi lineari · con le soluzioni svolte · Dispensa (PDF) · Capitolo 6: Sistemi di equazioni lineari

Esercizio 1

Risolvere con l'eliminazione di Gauss il sistema

\[ \left\{ \begin{array}{ll} 1 \; x_1 + 1 \; x_2 + 1 \; x_3 & = 6\\[2ex] 2 \; x_1 + 3 \; x_2 + 1 \; x_3 & = 11\\[2ex] 1 \; x_1 - 1 \; x_2 + 2 \; x_3 & = 5 \end{array} \right. \]
Soluzione
\[ ({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b}) = \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & 1 & 6 \\ 2 & 3 & 1 & 11 \\ 1 & -1 & 2 & 5 \end{array}\right) \]

\(R_2 \leftarrow R_2 - 2 \; R_1\) e \(R_3 \leftarrow R_3 - R_1\):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & 1 & 6 \\ 0 & 1 & -1 & -1 \\ 0 & -2 & 1 & -1 \end{array}\right) \]

\(R_3 \leftarrow R_3 + 2 \; R_2\):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & 1 & 6 \\ 0 & 1 & -1 & -1 \\ 0 & 0 & -1 & -3 \end{array}\right) \]

Sostituzione all'indietro:

\[ -x_3 = -3 ~\Longrightarrow~ x_3 = 3, \qquad x_2 = -1 + x_3 = 2, \qquad x_1 = 6 - x_2 - x_3 = 1. \]

Quindi \({\boldsymbol x} = (1, 2, 3)'\). Verifica: \(2 + 6 + 3 = 11\) e \(1 - 2 + 6 = 5\) \(\checkmark\)

Esercizio 2

Risolvere con l'eliminazione di Gauss il sistema

\[ \left\{ \begin{array}{ll} \phantom{1 \; x_1 +{}} 2 \; x_2 + 1 \; x_3 & = -1\\[2ex] 1 \; x_1 - 1 \; x_2 + 2 \; x_3 & = 5\\[2ex] 2 \; x_1 + 1 \; x_2 + 1 \; x_3 & = 4 \end{array} \right. \]
Soluzione
\[ ({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b}) = \left(\begin{array}{ccc|c} 0 & 2 & 1 & -1 \\ 1 & -1 & 2 & 5 \\ 2 & 1 & 1 & 4 \end{array}\right) \]

L'elemento in posizione \((1,1)\) è nullo. \(R_1 \leftrightarrow R_2\):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & -1 & 2 & 5 \\ 0 & 2 & 1 & -1 \\ 2 & 1 & 1 & 4 \end{array}\right) \]

\(R_3 \leftarrow R_3 - 2 \; R_1\):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & -1 & 2 & 5 \\ 0 & 2 & 1 & -1 \\ 0 & 3 & -3 & -6 \end{array}\right) \]

\(R_3 \leftarrow \frac{1}{3} \; R_3\), poi \(R_2 \leftrightarrow R_3\) (per evitare frazioni):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & -1 & 2 & 5 \\ 0 & 1 & -1 & -2 \\ 0 & 2 & 1 & -1 \end{array}\right) \]

\(R_3 \leftarrow R_3 - 2 \; R_2\):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & -1 & 2 & 5 \\ 0 & 1 & -1 & -2 \\ 0 & 0 & 3 & 3 \end{array}\right) \]

Sostituzione all'indietro:

\[ x_3 = 1, \qquad x_2 = -2 + x_3 = -1, \qquad x_1 = 5 + x_2 - 2 \; x_3 = 5 - 1 - 2 = 2. \]

Quindi \({\boldsymbol x} = (2, -1, 1)'\). Verifica: \(-2 + 1 = -1\), \(2 + 1 + 2 = 5\), \(4 - 1 + 1 = 4\) \(\checkmark\)

Esercizio 3

Risolvere con l'eliminazione di Gauss il sistema seguente e scriverne le soluzioni in forma parametrica \({\boldsymbol x} = {\boldsymbol x}_0 + t \; {\boldsymbol v}\):

\[ \left\{ \begin{array}{ll} 1 \; x_1 - 1 \; x_2 + 2 \; x_3 & = 1\\[2ex] 2 \; x_1 - 1 \; x_2 + 5 \; x_3 & = 4\\[2ex] 1 \; x_1 \phantom{{}- 1 \; x_2} + 3 \; x_3 & = 3 \end{array} \right. \]
Soluzione
\[ ({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b}) = \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 2 & -1 & 5 & 4 \\ 1 & 0 & 3 & 3 \end{array}\right) \]

\(R_2 \leftarrow R_2 - 2 \; R_1\) e \(R_3 \leftarrow R_3 - R_1\):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 2 \\ 0 & 1 & 1 & 2 \end{array}\right) \]

\(R_3 \leftarrow R_3 - R_2\):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right) \]

\(\text{rank}({\boldsymbol A}) = \text{rank}({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b}) = 2 < 3\): infinite soluzioni con \(3 - 2 = 1\) parametro libero. Ponendo \(x_3 = t\):

\[ x_2 = 2 - t, \qquad x_1 = 1 + x_2 - 2 \; x_3 = 1 + 2 - t - 2t = 3 - 3t, \]
\[ {\boldsymbol x} = \begin{pmatrix} 3 - 3t \\ 2 - t \\ t \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix} + t \begin{pmatrix} -3 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix}, \qquad t \in \R. \]

Esercizio 4

Risolvere il sistema di \(2\) equazioni in \(4\) variabili

\[ \left\{ \begin{array}{ll} 1 \; x_1 + 2 \; x_2 - 1 \; x_3 + 1 \; x_4 & = 2\\[2ex] 2 \; x_1 + 4 \; x_2 - 1 \; x_3 + 3 \; x_4 & = 5 \end{array} \right. \]
Soluzione
\[ ({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b}) = \left(\begin{array}{cccc|c} 1 & 2 & -1 & 1 & 2 \\ 2 & 4 & -1 & 3 & 5 \end{array}\right) \qquad R_2 \leftarrow R_2 - 2 \; R_1: \qquad \left(\begin{array}{cccc|c} 1 & 2 & -1 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 \end{array}\right) \]

\(\text{rank}({\boldsymbol A}) = \text{rank}({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b}) = 2 < 4\): infinite soluzioni con \(4 - 2 = 2\) parametri liberi. I pivot sono nelle colonne di \(x_1\) e \(x_3\), quindi \(x_2 = s\) e \(x_4 = t\) sono libere:

\[ x_3 = 1 - x_4 = 1 - t, \qquad x_1 = 2 - 2 \; x_2 + x_3 - x_4 = 2 - 2s + 1 - t - t = 3 - 2s - 2t, \]
\[ {\boldsymbol x} = \begin{pmatrix} 3 \\ 0 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} + s \begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} + t \begin{pmatrix} -2 \\ 0 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix}, \qquad s, t \in \R. \]

Esercizio 5

Mostrare che il sistema seguente non ha soluzioni:

\[ \left\{ \begin{array}{ll} 1 \; x_1 + 2 \; x_2 + 1 \; x_3 & = 1\\[2ex] 2 \; x_1 + 3 \; x_2 + 1 \; x_3 & = 2\\[2ex] 3 \; x_1 + 5 \; x_2 + 2 \; x_3 & = 4 \end{array} \right. \]
Soluzione
\[ ({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b}) = \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & 1 & 1 \\ 2 & 3 & 1 & 2 \\ 3 & 5 & 2 & 4 \end{array}\right) \]

\(R_2 \leftarrow R_2 - 2 \; R_1\) e \(R_3 \leftarrow R_3 - 3 \; R_1\):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & 1 & 1 \\ 0 & -1 & -1 & 0 \\ 0 & -1 & -1 & 1 \end{array}\right) \]

\(R_3 \leftarrow R_3 - R_2\):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & 1 & 1 \\ 0 & -1 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right) \]

L'ultima riga dice \(0 = 1\): \(\text{rank}({\boldsymbol A}) = 2 < 3 = \text{rank}({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b})\), quindi per il teorema di Rouché–Capelli il sistema non ha soluzioni. (Si noti che la terza riga di \({\boldsymbol A}\) è la somma delle prime due, mentre \(4 \neq 1 + 2\).)

Esercizio 6

Le seguenti matrici complete sono già in forma a scala. Usando il teorema di Rouché–Capelli, dire se ciascun sistema ha un'unica soluzione, infinite soluzioni o nessuna soluzione (variabili \(x_1, x_2, x_3\)). Risolvere poi i sistemi che hanno soluzioni.

\[ {\rm a)}~ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & 3 & 1 \\ 0 & 1 & 4 & 2 \\ 0 & 0 & 5 & 3 \end{array}\right) \qquad {\rm b)}~ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & 3 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right) \qquad {\rm c)}~ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & 3 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 4 \end{array}\right) \]
Soluzione
  • a) \(\text{rank}({\boldsymbol A}) = \text{rank}({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b}) = 3 = n\): soluzione unica. \(x_3 = \frac{3}{5}\), \(x_2 = 2 - 4 \; x_3 = -\frac{2}{5}\), \(x_1 = 1 - 2 \; x_2 - 3 \; x_3 = 1 + \frac{4}{5} - \frac{9}{5} = 0\). Quindi \({\boldsymbol x} = \left(0, -\frac{2}{5}, \frac{3}{5}\right)'\).

  • b) \(\text{rank}({\boldsymbol A}) = \text{rank}({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b}) = 2 < 3\): infinite soluzioni con \(1\) parametro libero. I pivot sono nelle colonne di \(x_1\) e \(x_3\), quindi \(x_2 = t\) è libera: \(x_3 = 2\), \(x_1 = 1 - 2t - 3 \cdot 2 = -5 - 2t\), cioè \({\boldsymbol x} = (-5, 0, 2)' + t \; (-2, 1, 0)'\), \(t \in \R\).

  • c) \(\text{rank}({\boldsymbol A}) = 2 < 3 = \text{rank}({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b})\) (l'ultima riga dice \(0 = 4\)): nessuna soluzione.

Esercizio 7

Discutere, al variare di \(k \in \R\), il numero di soluzioni del sistema

\[ \left\{ \begin{array}{ll} 1 \; x_1 + 1 \; x_2 + k \; x_3 & = 1\\[2ex] 1 \; x_1 + k \; x_2 + 1 \; x_3 & = 1\\[2ex] k \; x_1 + 1 \; x_2 + 1 \; x_3 & = 1 \end{array} \right. \]

e risolverlo quando ha soluzioni.

Soluzione
\[ ({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b}) = \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & k & 1 \\ 1 & k & 1 & 1 \\ k & 1 & 1 & 1 \end{array}\right) \]

\(R_2 \leftarrow R_2 - R_1\) e \(R_3 \leftarrow R_3 - k \; R_1\):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & k & 1 \\ 0 & k-1 & 1-k & 0 \\ 0 & 1-k & 1-k^2 & 1-k \end{array}\right) \]

\(R_3 \leftarrow R_3 + R_2\) (si noti che \((1-k) + (1-k^2) = (1-k)(2+k)\)):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & k & 1 \\ 0 & k-1 & 1-k & 0 \\ 0 & 0 & (1-k)(2+k) & 1-k \end{array}\right) \]
  • Caso \(k \neq 1\) e \(k \neq -2\): tre pivot, \(\text{rank}({\boldsymbol A}) = \text{rank}({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b}) = 3\), soluzione unica. Dividendo per \(1-k \neq 0\): \((2+k) \; x_3 = 1\), cioè \(x_3 = \frac{1}{k+2}\); la seconda riga dà \((k-1)(x_2 - x_3) = 0\), cioè \(x_2 = x_3 = \frac{1}{k+2}\); infine \(x_1 = 1 - x_2 - k \; x_3 = 1 - \frac{1+k}{k+2} = \frac{1}{k+2}\). Quindi

    \[ {\boldsymbol x} = \frac{1}{k+2} \; (1, 1, 1)'. \]
  • Caso \(k = 1\): la seconda e la terza riga diventano nulle. \(\text{rank}({\boldsymbol A}) = \text{rank}({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b}) = 1 < 3\): infinite soluzioni con \(2\) parametri liberi. Il sistema si riduce a \(x_1 + x_2 + x_3 = 1\); con \(x_2 = s\), \(x_3 = t\): \({\boldsymbol x} = (1 - s - t, \; s, \; t)'\), \(s, t \in \R\).

  • Caso \(k = -2\): l'ultima riga diventa \(\left(\begin{array}{ccc|c} 0 & 0 & 0 & 3 \end{array}\right)\), cioè \(0 = 3\). \(\text{rank}({\boldsymbol A}) = 2 < 3 = \text{rank}({\boldsymbol A} | {\boldsymbol b})\): nessuna soluzione.

(Coerentemente, \(\det({\boldsymbol A}) = -(k-1)^2 (k+2)\) si annulla esattamente per \(k = 1\) e \(k = -2\).)

Esercizio 8

Trovare i valori di \(k \in \R\) per cui il sistema omogeneo

\[ \left\{ \begin{array}{ll} 1 \; x_1 + 2 \; x_2 + 1 \; x_3 & = 0\\[2ex] 2 \; x_1 + k \; x_2 + 3 \; x_3 & = 0\\[2ex] 1 \; x_1 + 1 \; x_2 + 2 \; x_3 & = 0 \end{array} \right. \]

ha soluzioni non banali, e calcolarle.

Soluzione

La matrice \({\boldsymbol A}\) è quadrata, quindi ci sono soluzioni non banali se e solo se \(\det({\boldsymbol A}) = 0\). Con la regola di Sarrus:

\[ \det({\boldsymbol A}) = 2k + 6 + 2 - k - 8 - 3 = k - 3, \]

quindi esistono soluzioni non banali se e solo se \(k = 3\) (per \(k \neq 3\) l'unica soluzione è \({\boldsymbol x} = {\boldsymbol 0}\)).

Per \(k = 3\), \(R_2 \leftarrow R_2 - 2 \; R_1\) e \(R_3 \leftarrow R_3 - R_1\), poi \(R_3 \leftarrow R_3 - R_2\):

\[ \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & 1 & 0 \\ 2 & 3 & 3 & 0 \\ 1 & 1 & 2 & 0 \end{array}\right) \rightarrow \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 & 0 \end{array}\right) \rightarrow \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right) \]

Ponendo \(x_3 = t\): \(x_2 = x_3 = t\) e \(x_1 = -2 \; x_2 - x_3 = -3t\). Quindi

\[ {\boldsymbol x} = t \; (-3, 1, 1)', \qquad t \in \R. \]

Esercizio 9

Risolvere con la regola di Cramer il sistema

\[ \left\{ \begin{array}{ll} 3 \; x_1 + 2 \; x_2 & = 7\\[2ex] 1 \; x_1 - 1 \; x_2 & = -1 \end{array} \right. \]
Soluzione
\[ {\boldsymbol A}= \begin{pmatrix} 3 & 2 \\[1ex] 1 & -1 \end{pmatrix} \qquad {\boldsymbol A}_1= \begin{pmatrix} 7 & 2 \\[1ex] -1 & -1 \end{pmatrix} \qquad {\boldsymbol A}_2= \begin{pmatrix} 3 & 7 \\[1ex] 1 & -1 \end{pmatrix} \]
\[\begin{align*} \det({\boldsymbol A}) &= 3 \cdot (-1) - 2 \cdot 1 = -5\\[1ex] \det({\boldsymbol A}_1) &= 7 \cdot (-1) - 2 \cdot (-1) = -5\\[1ex] \det({\boldsymbol A}_2) &= 3 \cdot (-1) - 7 \cdot 1 = -10 \end{align*}\]

Poiché \(\det({\boldsymbol A}) \neq 0\):

\[ (\tilde{x}_1, \tilde{x}_2) = \left(\frac{-5}{-5}, \frac{-10}{-5}\right) = (1, 2). \]

Verifica: \(3 + 4 = 7\) e \(1 - 2 = -1\) \(\checkmark\)

Esercizio 10

Risolvere con la regola di Cramer il sistema

\[ \left\{ \begin{array}{ll} 1 \; x_1 + 1 \; x_2 + 1 \; x_3 & = 6\\[2ex] 1 \; x_1 - 1 \; x_2 + 2 \; x_3 & = 5\\[2ex] 2 \; x_1 + 1 \; x_2 - 1 \; x_3 & = 1 \end{array} \right. \]
Soluzione
\[ {\boldsymbol A}= \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & -1 & 2 \\ 2 & 1 & -1 \end{pmatrix} \qquad {\boldsymbol A}_1= \begin{pmatrix} 6 & 1 & 1 \\ 5 & -1 & 2 \\ 1 & 1 & -1 \end{pmatrix} \]
\[ {\boldsymbol A}_2= \begin{pmatrix} 1 & 6 & 1 \\ 1 & 5 & 2 \\ 2 & 1 & -1 \end{pmatrix} \qquad {\boldsymbol A}_3= \begin{pmatrix} 1 & 1 & 6 \\ 1 & -1 & 5 \\ 2 & 1 & 1 \end{pmatrix} \]

Con la regola di Sarrus:

\[\begin{align*} \det({\boldsymbol A}) &= 1 + 4 + 1 - (-2) - (-1) - 2 = 7\\[1ex] \det({\boldsymbol A}_1) &= 6 + 2 + 5 - (-1) - (-5) - 12 = 7\\[1ex] \det({\boldsymbol A}_2) &= -5 + 24 + 1 - 10 - (-6) - 2 = 14\\[1ex] \det({\boldsymbol A}_3) &= -1 + 10 + 6 - (-12) - 1 - 5 = 21 \end{align*}\]

Poiché \(\det({\boldsymbol A}) \neq 0\):

\[ (\tilde{x}_1, \tilde{x}_2, \tilde{x}_3) = \left(\frac{7}{7}, \frac{14}{7}, \frac{21}{7}\right) = (1, 2, 3). \]

Verifica: \(1 + 2 + 3 = 6\), \(1 - 2 + 6 = 5\), \(2 + 2 - 3 = 1\) \(\checkmark\)

Esercizio 11

Data la fattorizzazione LU \({\boldsymbol A} = {\boldsymbol L} \; {\boldsymbol U}\) con

\[ {\boldsymbol L} = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 3 & 1 & 0 \\ -1 & 2 & 1 \end{pmatrix} \qquad {\boldsymbol U} = \begin{pmatrix} 2 & 1 & -1 \\ 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 3 \end{pmatrix}, \]

risolvere il sistema \({\boldsymbol A} \; {\boldsymbol x} = {\boldsymbol b}\) con \({\boldsymbol b} = (-1, 0, 13)'\).

Soluzione

Passo 1 - Sostituzione in avanti: risolvere \({\boldsymbol L} \; {\boldsymbol y} = {\boldsymbol b}\):

\[ y_1 = -1, \qquad y_2 = 0 - 3 \; y_1 = 3, \qquad y_3 = 13 - (-1) \; y_1 - 2 \; y_2 = 13 - 1 - 6 = 6. \]

Passo 2 - Sostituzione all'indietro: risolvere \({\boldsymbol U} \; {\boldsymbol x} = {\boldsymbol y}\) con \({\boldsymbol y} = (-1, 3, 6)'\):

\[ 3 \; x_3 = 6 ~\Longrightarrow~ x_3 = 2, \qquad x_2 = 3 - 2 \; x_3 = -1, \]
\[ 2 \; x_1 = -1 - x_2 + x_3 = -1 + 1 + 2 = 2 ~\Longrightarrow~ x_1 = 1. \]

Quindi \({\boldsymbol x} = (1, -1, 2)'\).

Verifica:

\[ {\boldsymbol A} = {\boldsymbol L} \; {\boldsymbol U} = \begin{pmatrix} 2 & 1 & -1 \\ 6 & 4 & -1 \\ -2 & 1 & 8 \end{pmatrix}, \qquad {\boldsymbol A} \; {\boldsymbol x} = \begin{pmatrix} 2 - 1 - 2 \\ 6 - 4 - 2 \\ -2 - 1 + 16 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 \\ 0 \\ 13 \end{pmatrix} = {\boldsymbol b} \quad \checkmark \]