Teorema de Rouché-Fröbenius

• Cogemos la matriz de coeficientes y calculamos su rango. $$A=\begin{pmatrix} 1 & 1 & -2 \\ 5 & 5 & -4 \\ 3 & 2 & -1 \end{pmatrix}$$ Calculamos el rango $$ |1|\neq0; \ \ \ \left| \begin{matrix} 1 & -2\\ 5 & -4 \end{matrix} \right|=6\neq0; \ \ \ \left| \begin{matrix} 1 & 1 & -2\\ 5 & 5 & -4 \\ 3 & 2 & -1 \end{matrix} \right|=6\neq0$$

por lo tanto $r(A)=3$.

• Buscamos el rango de la matriz ampliada $$A'=\begin{pmatrix} 1 & 1 & -2 & 3 \\ 5 & 5 & -4 & 1 \\ 3 & 2 & -1 & 1 \end{pmatrix}$$ Como tenemos que la $3\times3$ es diferente de zero $$\left| \begin{matrix} 1 & 1 & -2\\ 5 & 5 & -4 \\ 3 & 2 & -1 \end{matrix} \right|=6\neq0$$ y no es posible una $4\times4$ obtenemos $r(A')=3$.

• Aplicamos el Teorema de Rouché, tenemos $n=3$ (número de incógnitas) y $r(A)=r(A')=3$, estamos en el caso:

$r=r'=n$, Sistema compatible determinado.

• Finalmente resolvemos el sistema. Podemos usar el método de Gauss o de Cramer.

$\Delta_1=\left| \begin{matrix} 3 & 1 & -2\\ 1 & 5 & -4 \\ 1 & 2 & -1 \end{matrix} \right|=12, \ \ $ $\Delta_2=\left| \begin{matrix} 1 & 3 & -2\\ 5 & 1 & -4 \\ 3 & 1 & -1 \end{matrix} \right|=-22, \ \ $ $\Delta_3=\left| \begin{matrix} 1 & 1 & 3\\ 5 & 5 & 1 \\ 3 & 2 & 1 \end{matrix} \right|=-14$ $$x=\dfrac{12}{6}=2; \ y=-\dfrac{22}{6}=-\dfrac{11}{3}; \ z=-\dfrac{14}{6}=-\dfrac{7}{3}$$

• Cogemos la matriz de coeficientes y calculamos su rango. $$A=\begin{pmatrix} 1 & 1 & -2 \\ 2 & 2 & -4 \\ 1 & 1 & -1 \end{pmatrix}$$ Calculamos el rango $$ |1|\neq0; \ \ \ \left| \begin{matrix} 1 & -2\\ 2 & -4 \end{matrix} \right|=-2\neq0; \ \ \ \left| \begin{matrix} 1 & 1 & -2\\ 2 & 2 & -4 \\ 1 & 1 & -1 \end{matrix} \right|=0$$

so $r(A)=2$.

• Buscamos el rango de la matriz ampliada $$A'=\begin{pmatrix} 1 & 1 & -2 & 4 \\ 2 & 2 & -4 & 15 \\ 1 & 1 & -1 & 1 \end{pmatrix}$$ Miramos el orden $3\times3$ porque hasta $2\times2$ tenemos que es diferente de zero: $$\left| \begin{matrix} 1 & -2 & 4\\ 2 & -4 & 15 \\ 1 & -1 & 1 \end{matrix} \right|=-7\neq0$$ entonces $r(A')=3$.

• Aplicamos el Teorema de Rouché, tenemos $n=3$ (número de incógnitas) y $r(A)=2$, $r(A')=3$, estamos en el caso:

$r\neq r'$, Sistema incompatible.

• Cogemos la matriz de coeficientes y calculamos su rango. $$A=\begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 \\ 1 & 3 & -5 \\ 2 & -2 & 4 \end{pmatrix}$$ Calculamos el rango $$ |1|\neq0; \ \ \ \left| \begin{matrix} 1 & -1\\ 1 & 3 \end{matrix} \right|=4\neq0; \ \ \ \left| \begin{matrix} 1 & -1 & 2\\ 1 & 3 & -5 \\ 2 & -2 & 4 \end{matrix} \right|=0$$

por lo tanto $r(A)=2$.

• Buscamos el rango de la matriz ampliada $$A'=\begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 1 & 3 & -5 & 4 \\ 2 & -2 & 4 & 2 \end{pmatrix}$$ Miramos el orden $3\times3$ porque hasta $2\times2$ tenemos que es diferente de zero: $$\left| \begin{matrix} 1 & -1 & 1\\ 1 & 3 & 4 \\ 2 & -2 & 2 \end{matrix} \right|=0; \ \ \left| \begin{matrix} 1 & 2 & 1\\ 1 & -5 & 4 \\ 2 & 4 & 2 \end{matrix} \right|=0; \left| \begin{matrix} -1 & 2 & 1\\ 3 & -5 & 4 \\ -2 & 4 & 2 \end{matrix} \right|=0; $$ entonces $r(A')=2$.

• Aplicamos el Teorema de Rouché, tenemos $n=3$ (número de incógnitas) y $r(A)=r(A')=2$, estamos en el caso:

$r=r'\neq n$, Sistema compatible indeterminado.

• Finalmente resolvemos el sistema. Podemos usar el método de Gauss. $$\begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & | & 1 \\ 1 & 3 & -5 & | & 4 \\ 2 & -2 & 4 & | & 2 \end{pmatrix} \rightarrow \left\{ \begin{array}{c} f1-f2 \rightarrow f2 \\ 2f1-f3\rightarrow f3 \end{array} \right. \rightarrow \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & | & 1 \\ 0 & -4 & 7 & | & -3 \\ 0 & 0 & 0 & | & 0 \end{pmatrix}$$

$$z=z \\ -4y+7z=-3 \Rightarrow -4y=-7z-3 \Rightarrow y=\dfrac{7z+3}{4}$$

Sustituyendo en la primera ecuación: $$x-\dfrac{7z+3}{4}+2z=1 \Rightarrow x+\dfrac{-7z-3+8z}{4}=1 \Rightarrow $$ $$x=1-\dfrac{z-3}{4}=\dfrac{4}{4}-\dfrac{z-3}{4}=\dfrac{-z+7}{4}$$