Ecuaciones lineales. Introducción

Para iniciar el estudio de las ecuaciones lineales conviene conocer el concepto de igualdad. Una igualdad es la afirmación de que dos cosas o entes matemáticos son iguales. Ejemplos de igualdades son las expresiones,
\(\textcolor{#ff0080}{1.}~~F=ma~~~~\textcolor{#ff0080}{2.}~~ x+3=7~~~~\textcolor{#ff0080}{3.}~~d=vt~~~~\textcolor{#ff0080}{4.}~~A=wl\).

Los elementos de una igualdad son las incógnitas y las constantes, agrupadas en dos miembros, por ejemplo:
\({\underbrace{8x+3}_{primer~miembro}}= {\underbrace{5+x}_{segundo~miembro}}\) donde \(x\) es llamada incógnita.
Las incógnitas representan valores desconocidos, mientras que las constantes representan valores conocidos.

Concepto de identidad: una identidad es una igualdad que se cumple para todo valor dentro del dominio de la variable.
Por ejemplos:
\(\textcolor{#ff0080}{1.}~~\left(w-x\right)\left(w+x\right)\equiv\ w^2-x^2\) (producto de binomios conjugados).
\(\textcolor{#ff0080}{2.}~~\left(w-x\right)^2\equiv w^2-2wx+x^2\) (cuadrado de un binomio).
Son identidades porque se verifican para todos los valores de las variables. Donde el símbolo \(\equiv\) se lee "idéntico a" o "equivalente a".

Concepto de ecuación.
Una ecuación es una igualdad que se cumple para ciertos valores de la incógnita. Note la diferencia entre identidad y ecuación, las identidades se cumplen para todo valor, mientras que las ecuaciones para ciertos valores.

Grado de una ecuación.
El grado de una ecuación es el mayor exponente de la variable en la ecuación.
Por ejemplo, \(y=mx+n\) es de \(1^{er}\) grado, mientras que \(A=\pi r^2\) es de \(2^{do}\) grado para \(r\).
En la expresión para el volumen de una esfera \(V=\frac{4}{3}\pi r^3\) es de \(1^{er}\) para \(V\), pero de \(3^{er}\) grado para \(r\).
La ecuación de posición \(d=\frac{1}{2}at^2+vt+d_0\) es de segundo grado para \(t\) y de primer grado para todas las demás

Si una ecuación es de primer grado se le llama "ecuación lineal", si es de segundo grado se le llama “ecuación cuadrática” si es de tercer grado “ecuación cúbica” y así sucesivamente.

Axioma de las igualdades.
El axioma de las igualdades expresa que si en una igualdad se realiza la misma operación en ambos miembros, la igualdad se mantiene. Recuerde esta afirmación, la va a necesitar una y otra vez.

Raices o ceros
Las raíces o ceros de una ecuación son los valores de la variable que la hacen verdadera. Por el teorema fundamental del álgebra una ecuación de grado \(n\), tiene \(n\) raíces.

Resolver una ecuación es determinar sus raíces.
Desde curso y grados anteriores ya se ha trabajado en la resolución de ecuaciones, al dar solución a situaciones geométricas como áreas y perímetros o al trabajar con la más famosa de todas las ecuaciones, teorema de Pitágoras \(r^2=x^2+y^2\).

Resolviendo ecuaciones lineales.
Como ya se ha dicho a una ecuación de primer grado se le llama "ecuación lineal". La forma más simple para ella es del tipo \(x=n\), donde \(x\) es la variable y \(n\) es un número cualquiera, su característica principal es que su gráfica es una línea recta y de esto es el nombre de lineal.

Resolver una ecuación lineal es encontrar su raíz o cero (valor que la hace verdadera), y por el teorema fundamental del álgebra, ésta raíz es única.

Imagine que por ejemplo se tiene la ecuación \(x+7=12\) ahora piense ¿Cuánto debe valer \(x\) para que la afirmación \(x+7=12\) sea verdadera? Desde luego que la respuesta es \(x=5\) ya que \(5+7=12\). Sin embargo, no siempre es tan fácil determinar la raíz de una ecuación, algunas veces es necesario un poco más de rigor matemático para ello.

¿Cómo resolver una ecuación? Al resolver ecuaciones, tenga en cuenta siempre:
  1. Simplificar y resolver las operaciones planteadas, siguiendo siempre el orden operacional.
  2. Si hay fracciones, multiplicar toda la expresión por el mínimo común denominador m.c.ds. simplificará la expresión. ¡Trabajar con enteros es más fácil que con fracciones!
  3. Despejar la incógnita aplicando el axioma de las ecuaciones al realizar la misma operación en ambos miembros. Comience por separar términos escribiendo en un miembro todas las incógnitas y en el otro todas las constantes, realice operaciones indicadas y si es necesario vuelva a aplicar el axioma hasta que la incógnita esté totalmente despejada (coeficiente igual a uno y su valor simplificado).

Ejemplo 1. Resolver \(3(x+5)=24\) \begin{array}{l l} 3(x+5)=24&{\rm Ecuación~dada.}\\ 3x+15=24&{\rm Multiplicando}\\ 3x+15-15=24-15&{\rm Restando~15}\\ 3x=9&{\rm Simplificando}\\ \frac{3x}{3}=\frac93&{\rm Dividiendo~por~3}\\ x=3&{\rm Simplificando} \end{array} Ejemplo 2. Resolver \(4(x-9)=12(-3)\) \begin{align} &4(x-9)=12(-3)~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Ecuación~dada.}\\ &4x-36=-36~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Multiplicando}\\ &4x-36+36=-36+36~~~~~\mathrm{Sumando~36}\\ &4x=0~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Simplificando}\\ &\frac{4x}4=\frac04~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Dividiendo~por~} 4\\ &x=0~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Simplificando} \end{align} Ejemplo 3. Resolver \(7(2x-5)=8(3x-4)\) \begin{align} &7(2x-5)=8(3x-4)~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Ecuación~dada.}\\ &14x-35=24x-32~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Multiplicando}\\ &14x-35+35=24x-32+35~~~~\mathrm{Sumando~35}\\ &14x=24x+3~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Simplificando}\\ &14x-24x=24x+3-24x~~~~~~~~~~~\mathrm{Restando~}24x\\ &-10x=3~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Simplificando}\\ &\frac{-10x}{-10}=\frac3{-10} ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ \mathrm{Dividiendo~por~-10}\\ &x=-\frac3{10}~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Simplificando} \end{align}

   Trasposición de términos.

Trasponer un ente matemático, es escribir dicho ente en un miembro diferente del que ocupa en una igualdad.

En el ejemplo 1 al escribir \(3x+15=24\) para despejar \(x\) se escribe \(3x+15-15=24-15\), de donde \(3x=9\).
Se debe notar lo que ha pasado con el \(15\), estaba sumando en el lado derecho y ahora aparece restando en el lado izquierdo. Esta acción en una igualdad recibe el nombre de trasposición de términos, es decir, si en una igualdad una cantidad está en un miembro bajo la acción de una operación aritmética, dicha cantidad “pasa al otro lado” bajo la acción de la operación contraria a la que estaba.

En el ejemplo 2 se tiene \(4x-36=-36\) y en el siguiente paso se luego se escribe \(4x-36+36=-36+36\), al simplificar el lado izquierdo se tiene \(4x=-36+36\) y abusando del lenguaje se dice "\(36\) estaba restando en el lado izquierdo pasa sumando al lado derecho".

Procure comprender la expresión "pasa al otro lado", los números no tiene piernas para poder pasar de un lado a otro. La trasposición se realiza para agrupar en un solo miembro las variables y en el otro las constantes aplicando el axioma de las igualdades. De aquí en adelante al resolver los ejercicios se hará la trasposición de términos con la finalidad de ahorrar escritura.

Ejemplo 4. Resolver \(5\left(x+3\right)^2=5x\left(x+13\right)\) \begin{align} &5(x+3)^2=5x(x+13)~~~~~~~~~~~~~~~~ \mathrm{Ecuación~dada.}\\ &5(x^2+6x+9)=5x(x+13)~~~~~~\mathrm{Desarrollando~potencia}\\ &5x^2+30x+45=5x^2+65x~~~~~~~\mathrm{Multiplicando}\\ &5x^2+30x-5x^2-65x=-45~~~~\mathrm{Trasposición}\\ &-35x=-45~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ \mathrm{Simplificando}\\ &x=\frac{-45}{-35} ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ {\rm Despejando~}x\\ &x=\frac97~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ {\rm Simplificando} \end{align} Ejemplo 5. Coeficientes fraccionarios. Resolver, $$\frac{2}{3}x+\frac{5}{7}x=58$$ Solución: comience por multiplicar toda la expresión por el mínimo común denominador \(m.c.ds.\) (mínimo común múltiplo de los denominadores) para así simplificar los denominadores y luego realice la operaciones. \begin{align} &21\left(\frac{2}{3}x+\frac{5}{7}x\right)=21(58)~~~~~21 ~{\rm es}~ m.c.ds.\\ &14x+15x=1218~~~~~~~~~~{\rm Multiplicando}\\ &29x=1218~~~~~~~~~~~~~~~~~~~{\rm Simplificando}\\ &x=\frac{1218}{29}~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~{\rm Despejando}~x\\ &x=42~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~{\rm Simplificando} \end{align} Ejemplo 6. Coeficientes fraccionarios. Resolver, $$\frac{5}{3}x+\frac{7}{16}x=\frac{5}{9}x$$ Solución: proceda igual que en el ejemplo anterior multiplicando toda la expresión por el mínimo común denominador \(m.c.ds.\) para simplificar los denominadores y luego realice las operaciones. \begin{align} &144\left(\frac{5}{3}x+\frac{7}{16}x\right)=144\left(\frac{5}{9}x\right)~~~~~144~\mathrm{es}~m.c.ds.\\ &240x+63x=80x~~~~~~~~~~~~~~~~~{\rm Multiplicando}\\ &240x+63x-80x=0~~~~~~~~~~{\rm Trasposición.}\\ &223x=0~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ \mathrm{Simplificando}\\ &x=\frac0{223}~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ {\rm Despejando}~x\\ &x=0~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ {\rm Simplificando} \end{align} Ejemplo 7. Un resultado que no existe. Resolver \(7(x-4)=7x+12\). \begin{align} &7x-28=7x+12~~~~~~~\mathrm{Multiplicando}\\ &7x-7x=12+28~~~~~~~\mathrm{Trasposición}\\ &0x=40~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Simplificando}\\ &x=\frac{40}0~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Despejando}~x\\ &\textcolor{#ff0080}{\mathrm{Cuidado!}~\frac{ n}0~\mathrm{no~ existe} } \end{align} Por tanto la ecuación no tiene solución.

Ejemplo 8. Ecuaciones fraccionarias. Variables en el denominador. Resolver las siguientes ecuaciones. \begin{align} &\textcolor{#ff0080}{8.1}~~~\frac{3}{2x}+\frac{7}{4x}=\frac{9}{4x}+\frac{4}{12}\\ &\textcolor{#ff0080}{8.2}~~~\frac{6}{x}+\frac{7}{3x}-18=\frac{3}{2x}+\frac{4}{3x}+15\end{align} Solución 8.1: \begin{align} &12x\left(\frac{3}{2x}+\frac{7}{4x}=\frac{9}{4x}+\frac{4}{12}\right)~~~~~12x~\mathrm{es}~m.c.ds.\\ &18+21=27+4x~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ \mathrm{Multiplicando}\\ &39-27=4x~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ \mathrm{Trasposición}\\ &12=4x\Longleftrightarrow\frac{12}{4}=x~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Despejando}~x\\ &3=x~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Simplificando}\end{align} Solución 8.2: \begin{align} &6x\left(\frac{6}{x}+\frac{7}{3x}-18=\frac{3}{2x}+\frac{4}{3x}+15\right)~~~~~~6x~\mathrm{es}~m.c.ds.\\ &36+14-108x=9+8+90x~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Multiplicando}\\ &-108x-90x=9+8-36-14~~~~~~~~~~~~~~~\mathrm{Trasposición}\\ &-198x=-33 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ~~~~~ \mathrm{Simplificando}\\ &x=\frac{33}{198} ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ \mathrm{Despejando}~ x\\ &x=\frac{1}{6}~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ \mathrm{Simplificando} \end{align}

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