Regla de Cramer
La regla de Cramer da cada incógnita de un sistema como un cociente de dos determinantes. Solo vale cuando hay tantas ecuaciones como incógnitas y el determinante de la matriz de coeficientes no es cero, pero entonces es la forma más directa de resolver un sistema con parámetro o de calcular una sola incógnita, y con un pequeño truco también resuelve los sistemas indeterminados.
Sistemas de Cramer
Recuerda que un sistema es compatible determinado (SCD) si tiene una única solución, compatible indeterminado (SCI) si tiene infinitas e incompatible (SI) si no tiene ninguna. Lo escribimos en forma matricial como , con la matriz de coeficientes y la matriz ampliada.
Por el teorema de Rouché-Frobenius, un sistema de Cramer siempre es SCD: da , y como solo tiene filas, también. Además, tiene inversa y la solución es . Por ejemplo, , es de Cramer, porque .
La regla
Para un sistema en , , :
El denominador es siempre el mismo, ; solo cambia qué columna se sustituye. En el ejemplo , :
Por qué funciona
Llama , , a las columnas de . El sistema dice que . Sustituyendo esto en la primera columna de y usando las propiedades de los determinantes (separar una suma y sacar factores de una columna):
porque los dos últimos determinantes tienen dos columnas iguales. Así que y, si , se despeja . Igual con y con .
Fíjate en que la igualdad se cumple para cualquier solución, aunque . Esto tiene una consecuencia que verás en los ejercicios: si y algún , ninguna solución puede existir.
Cuándo se puede usar
- El sistema tiene que ser cuadrado y con . Calcula siempre primero: si sale , la regla no se puede aplicar.
- Si , el sistema no es SCD, pero puede ser SCI o SI. Cramer no lo decide: hay que estudiar los rangos con Rouché.
- Si el sistema no es cuadrado, o es cuadrado con pero compatible, se puede usar Cramer después de reducirlo a un sistema de Cramer, como se explica a continuación.
Cramer en un sistema compatible indeterminado
Por ejemplo, en el sistema , (dos ecuaciones, tres incógnitas), el menor de e es . Con queda , , y
Las soluciones son , . El parámetro tiene que ser una incógnita cuya columna no esté en el menor elegido: si el menor de e fuera cero, habría que elegir otro (por ejemplo, el de y ) y tomar como parámetro.
Cramer con un parámetro
Si depende de un parámetro , se calcula y se hallan los valores que lo anulan. Para todos los demás valores el sistema es de Cramer y la regla da la solución en función de . En los valores críticos la regla no sirve: hay que estudiarlos uno a uno con Rouché y, si alguno es SCI, resolverlo con el método anterior.
¿Cramer o Gauss?
| Cramer | Gauss | |
|---|---|---|
| Sistemas | Cuadrados con (o reducidos a ellos) | Cualquiera |
| Clasifica el sistema | No: hay que saber antes que es de Cramer | Sí, a la vez que resuelve |
| Trabajo en | Cuatro determinantes de orden 3 | Menos operaciones |
| Mejor para | Parámetros (solución en función de ), una sola incógnita, sistemas | Sistemas numéricos, , sistemas no cuadrados |
En la práctica de la PAU, lo habitual es discutir con Rouché (determinante y rangos) y resolver con Cramer en el caso SCD general, porque el determinante ya está calculado. Para un sistema numérico concreto, el método de Gauss suele ser más rápido.
Ejemplos resueltos
Un sistema 3×3 por Cramer
Resuelve por la regla de Cramer el sistema
Solución
- ¿Es de Cramer? Tres ecuaciones, tres incógnitas. Desarrollando por la primera fila:
Es un sistema de Cramer: tiene solución única.
- Los tres determinantes, sustituyendo cada vez una columna por :
La regla: , , .
Comprobación: ; ; .
Un sistema compatible indeterminado resuelto con Cramer
Se considera el sistema
a) Comprueba que no es un sistema de Cramer y clasifícalo.
b) Resuélvelo usando la regla de Cramer, tomando como parámetro.
Solución
a) 1. Determinante. La tercera fila de es la suma de las dos primeras: . Por tanto y no es de Cramer.
Rangos. El menor da . En , la tercera fila también es la suma de las dos primeras (en el término independiente, ), así que todos los menores de orden 3 de se anulan y .
: SCI con un parámetro.
b) 1. Reducimos. El menor no nulo usa las filas 1 y 2 y las columnas de e . Nos quedamos con las ecuaciones 1 y 2 (la tercera sobra) y pasamos a la derecha:
Es un sistema de Cramer de orden 2 con determinante .
- Cramer:
- Comprobación en las tres ecuaciones: ; ; . Se cumplen para todo .
El parámetro es porque su columna es la que no está en el menor elegido. Si hubieras elegido el menor de las columnas de y , el parámetro sería , y la solución se escribiría de otra forma, aunque sería la misma recta.
Cramer con un parámetro y sus valores críticos
Se considera el sistema, que depende del parámetro real ,
a) Halla los valores de para los que no es un sistema de Cramer.
b) Para los demás valores, resuélvelo por Cramer en función de .
c) Halla el valor de para el que la solución cumple .
d) Clasifica el sistema para cada valor del apartado a) y resuélvelo si es compatible (toma ).
Solución
a) Determinante. Desarrollando por la primera fila:
Se anula para y . Para esos dos valores no es de Cramer; para cualquier otro, sí.
b) Determinantes con la columna :
Dividiendo entre y simplificando (válido porque y ):
c) , que no es valor crítico. Con , . Comprobación: ; ; .
d) Caso . El sistema es , , . El menor da . Orlándolo con la tercera fila y la columna :
: SI. (Sumando las dos primeras ecuaciones sale , que contradice la tercera.)
Caso . Las dos primeras ecuaciones son iguales, , y la tercera es . El menor de las filas 1 y 3 y las columnas de e es , así que ; como las filas 1 y 2 de son iguales, . SCI. Con Cramer, usando las ecuaciones 1 y 3 y :
Observa la trampa: la fórmula simplificada de b) con da , que es una de las soluciones (la de ), no todas. Y con ni siquiera se puede evaluar. Por eso los valores críticos se estudian aparte.
Para el examen: la estructura que se puntúa es « y valores críticos, Cramer para el resto, cada valor crítico por separado con Rouché». Escribe que simplificas porque ; sin esa frase, la respuesta parece aplicar la fórmula donde no vale.
Errores típicos
Ejercicios
Intenta cada ejercicio por tu cuenta antes de abrir la solución. Van de menos a más difícil.
Resuelve por la regla de Cramer los sistemas
a)
b)
Solución paso a paso
a) : es de Cramer.
Solución . Comprobación: , .
b) .
Solución . Comprobación: , .
Se considera el sistema con
a) Calcula y justifica que es un sistema de Cramer.
b) Resuélvelo por la regla de Cramer.
Solución paso a paso
a) Desarrollando por la primera fila:
Es cuadrado ( ecuaciones, incógnitas) y : es de Cramer.
b) Sustituyendo cada columna por :
, , . Comprobación: ; ; .
Calcula, usando la regla de Cramer, solo el valor de en la solución del sistema
Solución paso a paso
- Determinante de :
Es un sistema de Cramer.
- Para se sustituye la tercera columna por :
- .
Esta es una ventaja de Cramer: si solo te piden una incógnita, bastan dos determinantes. (La solución completa es .)
Se considera el sistema, que depende del parámetro real ,
a) Halla los valores de para los que no es un sistema de Cramer.
b) Resuélvelo por Cramer para .
Solución paso a paso
a) Desarrollando por la primera fila:
Se anula para y : para esos valores no es de Cramer.
b) Con , y
, , . Comprobación: ; ; .
Se considera el sistema de tres ecuaciones con cuatro incógnitas
a) Comprueba que el menor formado por las columnas de , , no es nulo y resuelve el sistema por Cramer, tomando .
b) Halla la solución en la que .
Solución paso a paso
a) 1. El menor:
Así que ; como tiene 3 filas, : SCI con un parámetro. La columna de no está en el menor, así que es el parámetro.
- Sistema de Cramer con en el segundo miembro:
- Los determinantes:
- Dividiendo entre : , , .
Comprobación: ; ; .
b) , que da .
Un hotel rural tiene 50 habitaciones, entre individuales, dobles y triples, con 105 plazas en total (una, dos y tres personas, respectivamente). El número de habitaciones dobles supera en 7 al doble del número de triples. Sean , , el número de habitaciones individuales, dobles y triples.
a) Plantea el sistema y justifica que es un sistema de Cramer.
b) Resuélvelo por la regla de Cramer.
Solución paso a paso
a) Planteamiento:
Tres ecuaciones, tres incógnitas y : es de Cramer.
b) Determinantes con :
, , . El hotel tiene 7 individuales, 31 dobles y 12 triples. Comprobación: ; ; .
Se considera el sistema, que depende del parámetro real ,
a) Halla los valores de para los que no es un sistema de Cramer.
b) Para los demás valores, resuélvelo por Cramer en función de .
c) Halla el valor de para el que la solución cumple .
d) Clasifica el sistema para cada valor del apartado a).
Solución paso a paso
a) , que se anula para y .
b) Para :
Como y , se puede simplificar:
c) , que es válido (). Con : ; comprobación: y .
d) : las ecuaciones son y ; la segunda es el doble de la primera. : SCI (rectas coincidentes).
: las ecuaciones son y , es decir, . Mismo primer miembro con distinto término independiente: , , SI (rectas paralelas).
Fíjate en que la fórmula de b) con da , que es solo una de las infinitas soluciones: no vale para describir el caso .
Sea un sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas , , , y sean , , las matrices que se obtienen al sustituir la primera, segunda o tercera columna de por .
a) Demuestra que, si es una solución del sistema, entonces (y, del mismo modo, y ), aunque sea cero.
b) Deduce que, si y alguno de los determinantes , , es distinto de cero, el sistema es incompatible.
c) Demuestra con un ejemplo que el recíproco de b) es falso: un sistema con puede ser incompatible.
Solución paso a paso
a) 1. Sean , , las columnas de . Que sea solución significa que (es el sistema leído por columnas).
- Sustituimos en la primera columna de y aplicamos dos propiedades de los determinantes: un determinante con una columna que es suma se separa en suma de determinantes, y un factor de una columna sale fuera:
Los dos últimos determinantes tienen dos columnas iguales, así que valen . Queda .
En ningún paso se ha dividido entre , así que la igualdad vale también si . Para y el razonamiento es el mismo, sustituyendo en la segunda o la tercera columna.
b) Supongamos que el sistema tuviera una solución . Por a), para . Eso contradice que algún sea distinto de cero. Luego no hay solución: el sistema es incompatible.
c) Basta un contraejemplo. El sistema
es claramente incompatible ( no puede valer y a la vez). Sin embargo, tiene las tres columnas iguales a , así que ; y cada conserva dos columnas iguales a , así que . Que todos los determinantes se anulen no garantiza que el sistema sea compatible: en ese caso hay que estudiar los rangos con Rouché.
Para el examen: este resultado da un atajo para descartar soluciones, pero solo en un sentido. Si y un , puedes afirmar SI; si todos son cero, no puedes afirmar nada sin calcular rangos.
Sea un sistema de tres ecuaciones con incógnitas , , , y sean , , las columnas de . Se sabe que y que, con la notación de la regla de Cramer, , y . Sin conocer los coeficientes:
a) Resuelve el sistema .
b) Resuelve el sistema .
c) Resuelve el sistema cuya matriz de coeficientes tiene las columnas , , (en este orden) y cuyos términos independientes son ; sus incógnitas son , , , en este orden.
d) Resuelve el sistema cuya matriz de coeficientes tiene las columnas , , y cuyos términos independientes son ; sus incógnitas son , , , en este orden.
Solución paso a paso
a) : es de Cramer. , , . Solución .
b) La matriz de coeficientes es la misma (). Al sustituir una columna por , el determinante se multiplica por (sale el factor de esa columna): los nuevos determinantes son , y . Solución , el triple de la de a), como era de esperar: si , entonces .
c) La nueva matriz es . Intercambiar dos columnas cambia el signo del determinante: . Para los numeradores:
- : , luego .
- : , luego .
- : , luego .
Solución . Tiene sentido: el sistema es , y por a) , así que , , .
d) La nueva matriz es , con .
- : , luego .
- : , luego .
- : , luego .
Solución . Comprobación: .
Para el examen: las propiedades de los determinantes (intercambiar columnas cambia el signo, un factor de una columna sale fuera) junto con Cramer permiten resolver sistemas sin conocer los números. Escribe siempre qué determinante usas en cada numerador y de qué propiedad sale.
Se considera el sistema de ecuaciones lineales, que depende del parámetro real ,
a) Discute el sistema según los valores de . (0,75 puntos)
b) Resuélvelo por la regla de Cramer en los casos en que sea compatible determinado, en función de . (0,75 puntos)
c) Resuélvelo para usando la regla de Cramer, tomando como parámetro. (0,5 puntos)
d) Halla el valor de para el que el sistema tiene una única solución y esta cumple . (0,5 puntos)
Solución paso a paso
a) 1. Determinante:
Valores críticos: y .
Si y : . SCD.
Si : el menor da . Orlando con la tercera fila y la columna :
: SI.
- Si : las ecuaciones segunda y tercera son iguales, , así que las filas 2 y 3 de coinciden. El mismo menor de orden 2 da : SCI.
Discusión: , SI; , SCI; , SCD.
b) Para , con :
Dividiendo entre y simplificando (válido porque ):
c) Caso . Por a), basta con las ecuaciones 1 y 2, las del menor no nulo (la tercera es igual a la segunda). Con :
Comprobación: ; . Observa que la fórmula de b) con daría : es la solución de , solo una de las infinitas.
d) La solución es única para y entonces . Con , ; comprobación: ; ; .
Para el examen: discutir con el determinante y resolver con Cramer aprovecha el mismo cálculo de . En c), di qué ecuación eliminas y por qué, y qué incógnita es el parámetro; en d), comprueba que el valor hallado no es crítico.
Resumen
- Sistema de Cramer: tantas ecuaciones como incógnitas y . Siempre es SCD.
- Regla de Cramer: , donde es con la columna sustituida por la columna de términos independientes.
- Funciona porque para cualquier solución; por eso, si y algún , el sistema es SI.
- Si la regla no se aplica: el sistema es SCI o SI y se decide con Rouché.
- SCI con Cramer: elige un menor no nulo de orden , quédate con sus ecuaciones, pasa las demás incógnitas (parámetros) a la derecha y aplica Cramer.
- Con parámetro: Cramer da la solución en función de fuera de los valores críticos; estos se estudian aparte, aunque la fórmula simplificada parezca valer en ellos.
- Discute con Rouché y resuelve con Cramer cuando hay parámetros; para sistemas numéricos grandes o no cuadrados, Gauss es más rápido.
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