MATRICES. En forma simplificada A = ( a ij ) nxm y se le denomina

Transcripción

1 MTRICES Mtrices de números reles. Definimos mtriz rel de elementos pertenecientes R y de dimensión n fils por m columns, quel conjunto de números reles escritos de l form siguiente: n n mtriz nxm m m nm En form simplificd = ( ij ) nxm y se le denomin Ejemplos: x x x / x Mtriz rectngulr.- Es quell en l que no coinciden el numero de fils con el de columns. Se escribe nxm donde n m. Mtriz fil es l que tiene por dimensiones xm Mtriz column es l que tiene por dimensiones nx Mtriz cudrd.- es quell en el que el numero de fils y de columns coinciden. Se escribe nxn y diremos que son de orden n. En un mtriz cudrd llmremos digonl principl los elementos que vn desde el vértice superior izquierdo l vértice inferior derecho y serán todos los ij / i=j En un mtriz cudrd llmremos digonl secundri los elementos que vn desde el vértice superior derecho l vértice inferior izquierdo y serán todos los ij / i+j = n+ donde n es el numero de fils o columns. Mtriz nul.- Es quell mtriz que tiene todos sus elementos igules. Puede ser cudrd o no. Se represent por O nxm y es tl que ij = i,j - -

2 Mtriz digonl.- Es tod mtriz cudrd en l que todos sus elementos son nulos excepto los de l digonl principl que pueden ser ceros o no. c b Mtriz esclr.- es tod mtriz cudrd y digonl que tiene todos los elementos de l digonl principl igules. k k k k Mtriz unidd.- Es tod mtriz cudrd, digonl y esclr en l que todos los elementos de l digonl principl son igules. ij = si i j Se represent por I y sus ij son tles que ij = si i = j I Mtriz tringulr.- Es tod mtriz cudrd que tiene nulos todos los elementos situdos por debjo o por encim de l digonl principl. es tringulr inferior. es tringulr superior. Operciones con mtrices. Sum de mtrices Dds dos mtrices y B de igul orden nxm, llmremos mtriz sum otr mtriz de igul dimensión nxm y cuyos elementos se obtengn sumndo los elementos homólogos de y de B. c ij = ij + b ij

3 - - Producto de un mtriz por un número. Dd un mtriz de dimensiones nxm y un numero rel, el producto será otr mtriz., de igul orden nxm y cuyos elementos se obtengn multiplicndo todos los elementos de por el numero Producto de mtrices. Dos mtrices y B son multiplicbles solo si el número de columns de l mtriz multiplicndo es igul l número de fils de l mtriz multiplicdor. nxm.b mxp L mtriz resultnte tendrá igul número de fils que l mtriz multiplicndo y el mismo numero de columns que l mtriz multiplicdor. C nxp Pr clculr el elemento cij se multiplicr cd término de l fil i de por cd término correspondiente de l column j de l mtriz B y luego se sumrn todos los productos obtenidos. Ejemplos: b b b ; i f c h e b g d i f c h e b g d i h g f e d c b

4 Ejemplo: Sen y B Hllr y.b B En generl no es conmuttiv.b B. bien por que no exist lguno de los dos productos, bien porque sus resultdos den mtrices de diferentes ordenes o bien porque un siendo del mismo orden sus resultdos sen distintos. Sen ls mtrices B C D.C C. y que no es multiplicble mientrs que si lo es. B.C C.B y que 8 mientrs que es de diferente orden..d D. y que 9 mientrs que

5 Los dos productos son relizbles, sus resultdos tienen igul dimensión, pero son diferentes. En los csos especiles en que.b = B. se dice que ls mtrices son permutbles. Mtriz trnspuest. Dd un mtriz de dimensiones nxm, llmremos mtriz trnspuest de y l designremos por t o por ', otr mtriz de dimensiones mxn y que se obtiene cmbindo fils por columns y columns por fils, sin lterr su orden. Si t Mtriz invers. Dd un mtriz cudrd, llmremos mtriz invers de, otr mtriz X, si existe, tl que.x = X. = I donde,x e I tendrán el mismo orden. dich mtriz se le design por - l mtriz se le llmr inversible y l mtriz - mtriz invers. Tmbién podemos segurr que el producto es conmuttivo y que ls mtrices, X e I deben ser cudrds y del mismo orden. Si l mtriz no es cudrd, no será invertible y por tnto no poseerá mtriz invers. Ecuciones mtriciles. Un ecución mtricil es un ecución en l que l incógnit es un mtriz y no un numero. X B + X C = X (B+C) X + C X = (+C) X * X B = X X X = B ( I) X = B ( I) - ( I) X = = ( I) - B X = ( I) - B * X = + B - X = - ( + B) X = - ( + B) * X = B - (.X) = - B ( - ) X = - B I X = - B X = - B - -

6 DETERMINNTES. Determinnte de º orden. Llmmos determinnte de l mtriz cudrd de º orden l número rel. -. que se obtiene multiplicndo los elementos de l digonl principl y restándole el producto de los elementos de l digonl secundri. Se represent por Determinnte de º orden. Llmmos determinnte de l mtriz cudrd de º orden l numero rel ( ) - ( ) Un mner prctic de recordr estos sumndos es l regl de Srrus Ejemplo 8 8 = 8 = ( ) - ( ) = - - ( - ) = - 8 Ejemplo 8 8 B = =

7 Menor complementrio. Dd un mtriz cudrd de orden n, llmremos menor complementrio del elemento ij, l determinnte de orden n-, que se obtiene suprimiendo l fil i y l column j en el. Se simboliz por ij. Dd djunto de un elemento. Llmmos djunto del elemento ij de un mtriz cudrd, l vlor del menor complement-rio correspondiente, fectdo del signo + o - según que l sum de los subíndices i + j se pr o impr Se represent por ij = (-) i+j. ij En l mtriz x nterior, clculemos y - -

8 Clculo de l Mtriz invers. L condición necesri y suficiente pr que exist mtriz invers es que dich mtriz se regulr o lo que es lo mismo que su determinnte se distinto de cero. Pr clculr l invers de un mtriz, clculremos l mtriz trnspuest de l mtriz djunt de y lo dividiremos por el vlor del determinnte de dich mtriz. d t L mtriz d mtriz se clcul, hllndo todos los djuntos de todos los elementos de l Si no existirí mtriz invers pues todos sus términos tendrín que venir divididos por y me quedrí un mtriz de elementos infinitos, con lo que no existirí. Tmbién se puede clculr primero l mtriz trnspuest de y luego l mtriz djunt de l t, pr luego dividir por el vlor del determinnte. Ejemplos: Hllr l - de l mtriz 8 = = - = - = d d t / / / / Hllr l invers de l mtriz

9 - 9 - d t d / / L mtriz invers fcilit l resolución de ecuciones mtriciles de l form: X = B ==> - ( X) = - B ==> ( - ) X = - B I X = - B ==> X = - B Ejemplo: Resolver l ecución X = B siendo ; B Como hemos visto X = -.B Clculemos - d X

10 RNGO DE UN MTRIZ. Clculo prctico del rngo de un mtriz. Método de Guss. Dd un mtriz, lo primero es eliminr ls línes que sen proporcionles otrs prlels o que sen combinción linel de vris línes prlels, que se puedn observr en primer instnci. continución hy que conseguir ceros en todos los elementos de l primer column excepto el, dejndo fij l ª fil. Pr ello se buscrn ls combinciones lineles necesris entre tods ls fils prtir de l segund y l primer fil. Fijmos l ª fil y hcemos ceros en todos los elementos de l ª column excepto el b. Pr ello se buscrn ls combinciones lineles necesris entre tods ls fils prtir de l tercer y l segund fil. sí seguiremos con ls restntes columns hst conseguir que todos los elementos por debjo de l digonl principl sen ceros. Propieddes del rngo de un mtriz. ) Si en l mtriz, se intercmbin entre si dos línes prlels, se obtiene otr mtriz B, de igul rngo que l de. b) Si un líne de l mtriz, est formd por ceros, el rngo de es igul l rngo de l mtriz B que se obtiene suprimiendo dich líne de ceros. c) Si en l mtriz, se suprime un líne que se combinción linel de otrs vris prlels, se obtiene un nuev mtriz B, de igul rngo que l mtriz. Llmmos rngo por fils de un mtriz, l numero máximo de fils linelmente independientes. Llmmos rngo por columns de un mtriz, l numero máximo de columns linelmente independientes. Ejemplo = l ser l c = c podemos eliminr dich column c por ser combinción linel de c. rg = rg Hcemos ceros por debjo de l digonl principl en l ª column con ls siguientes combinciones lineles. f + f ; f - f ; f + f mnteniendo fij l ª fil.

11 rg = rg Suprimimos l ª fil por ser igul que l ª fil. rg = rg Hcemos ceros por debjo de l digonl principl en l ª column con l siguiente combinción linel. f - f mnteniendo fijs l ª y l ª fil. rg = rg Un vez conseguidos que por debjo de l digonl principl sen todos los elementos nulos, contremos el numero de fils linelmente independientes que nos quedn, en nuestro cso fils. Puede que en lgún cso se necesrio cmbir entre si dos fils pr que el elemento de l digonl principl no se nulo. Ejemplo: rg = rg Hcemos ceros por debjo de l digonl principl en l ª column con l siguiente combinción linel. f - f mnteniendo fijs l ª y l ª fil. digonl principl en l ª column con ls siguientes combinciones lineles. f - f ; f - f ; f - f mnteniendo fij l ª fil. rg = rg 8 Hcemos ceros por debjo de l digonl principl en l ª column con ls siguientes combinciónes lineles. f - f y f + f mnteniendo fijs l ª y l ª fil. rg = rg = rg Y hemos conseguido todos los ceros por debjo de l digonl principl y hn queddo fils l.i, por lo que rg =. - -

12 . DIGRM DE UN SISTEM DE ECUCIONES LINELES Ddo un sistem de ecuciones lineles (m ecuciones y n incógnits), podemos trnsformrlo en otro llmdo tringulr. Sistem tringulr es quel en el que todos los coeficientes por debjo de,,... nn, son siempre ceros. Tmbién se le denomin sistem en form esclond. Se puede comprobr que si el sistem resolver tiene form tringulr, l resolución es csi inmedit. Por ejemplo, l resolver x + y + z = 8 y z = z = De l ultim ecución z = ==> z = De l segund ecución y - = ; y = + ==> y = De l ª ecución x + + = 8 ; x = ==> x = Es pues conveniente ir trnsformndo un sistem de ecuciones en otro equivlente y con form tringulr Se el sistem de m ecuciones lineles con n incógnits, el cul podremos escribirlo en un digrm de doble entrd de fils y columns, teniendo en cuent solo los coeficientes de ls incógnits y los términos independientes. x x x n ª ecución... n b ª ecución... n b m ecución m m... mn b m ) Siempre podremos intercmbir entre sí dos o más fils por corresponder los coeficientes de mis ecuciones. b) Podremos intercmbir entre si ls columns, por poseer ls ecuciones l propiedd conmuttiv de l sum. No intercmbir l column de los términos independientes. c) Podremos multiplicr o dividir, por un mismo número distinto de cero, todos los elementos de un fil, y que es como si simplificármos o multiplicármos por un numero tod l ecución.

13 Por ejemplo: x y z x y z z y x z y x ~ ~ ~ 8. RESOLUCION DE UN SISTEM POR EL METODO DE GUSS. Es un vrinte del método de reducción. Consiste en: ) Eliminr l ª incógnit, entre l ª ecución y cd un de ls m- ecuciones restntes, sustituyendo cd un de ls m- ecuciones por cd resultdo de l eliminción. b) Suprimir l ª incógnit, entre l ª ecución y cd un de ls m- ecuciones restntes, sustituyendo cd un de ls m- ecuciones, por l ecución que resulte de l eliminción correspondiente. c) Se prosigue hst conseguir que prezc un ecución en l que exist solo un incógnit con coeficiente distinto de cero. d) Se llm pivote, los coeficientes de ls incógnits, o vribles libres, que se vn eliminr, bien en l ª ecución, bien en l ª, etc. e) Si existe lgun ecución con coeficiente, en lgun de ls incógnits, se tomr dich ecución y dich incógnit, como primer, tnto en l fil como en l column, y pr ello plicremos ls tres propieddes ntes enuncids. Ejemplo: z + y + x = 8 z + y + x = y + x = rg 8 f f ==== = rg 8 9 c c ==== = rg 8 9 f + f ==== = rg 8 9 => z + x + y = 8 x y = 9 y = => y = => y = - x = - 9 ; - x = ; - x = - ===> x = z + + = 8 ; z = ===> z = - -

14 . METODO DE GUSS PLICDO LGUNOS TIPOS DE SISTEMS. Vmos plicr el método de Guss sistems de ecuciones no homogéneos (con termino independiente distinto de ), en los cules prezcn ls tres clses de sistems: comptible determindo, comptible indetermindo e incomptible. ) Si se obtiene lgun ecución de l form = c, siendo c el sistem es incomptible ==> no dmite soluciones reles. b) Si se obtiene l ecución =, el sistem será comptible indetermindo ==> existirán infinits soluciones, ls cules vendrán dds prtir de uno o vrios prámetros. c) Si l finl de l form tringulr, sigue quedndo el mismo número de ecuciones que de incógnits, el sistem ser comptible determindo ==> existirá solución únic. Ejemplo: Resolver el sistem x + y z = x + y z = x y + z = rg f f ==== = rg f f ==== f f = rg 8 f + f ==== = rg => x + y z = y z = z = => l ser l ultim preposicion fls, y que, el sistem es incomptible. Ejemplo: Resolver el sistem x y + z = x + y z = x + y + z = rg f f ==== = rg f f ==== f f = rg 9 f f ==== = rg 9 x + y z = => y + 9z = => l ser l ultim preposicion =, nos quedrn z = ecuciones con incognits ==> sistem comptible indetermindo ==> existen infinits soluciones pr los diferentes vlores del prmetro t.

15 x + y z = + y => y + z = => z = y + 9z = x + y + y = => x + y + y = => x + y = ; x = y t x = y = t + t z = t R En el cso de que el sistem se homogeneo (terminos independientes todos ceros), el sistem dmite siempre l solucion llmd trivil x = x =... = x n = El sistem homogeneo puede ser que: ) dmit solo l solucion trivil (,,... ) siempre que el numero de ecuciones coincid con el de incognits. b) dmit dems infinits soluciones (comptible) siempre que el numero de ecuciones se menor que el numero de incognits. Resolver el sistem x y + z = x y + z = x y + z = rg f f ==== = rg c c ==== = rg f f ==== f f = rg 8 f === = rg f f ==== rg => z y + x = y x = => x = y z = y x ; z = y y => z = y => x = t y = t z = t t R - -

16 Existen por ultimo un serie de problems de sistems de ecuciones en los que precen lgunos coeficientes indetermindos y en los cules hy que discutir el sistem según los distintos vlores del prámetro ddo. En todos ellos el método de Guss, consigue un sistem de ecuciones tringulr equivlente l inicil y donde se podrán discutir ls diferentes soluciones segun los vlores del prámetro. plicndo el metodo de Guss, discutir el sistem segun los vlores del x + y z = prmetro k en: x y + z = kx + y z = rg k c c ==== = rg k f + f ==== f f = rg k f + f ==== = rg k Si k - ==> k el sistem es comptible y determindo. (k - ) x = ==> x = y + = ==> y = ==> y = / - z + (/) + = ==> - z = - / ==> - z = - / ==> z = / Si k - = ==> k =, por ser todos los elementos de l últim fil ceros, el sistem será comptible indetermindo. z + y + x = y + x = Hciendo x = t nos qued que y = - t ==> z = y = t t + 9t y despejndo z qued que. t => z = t + t = z ; El conjunto de soluciones sern: x = t y = z = t t t R

17 Discutir y resolver, segun los distintos vlores de k, el sistem ky + z = homogeneo x + y + z = x + y + kz = rg k k f f ==== = rg k k f f ==== f f = rg k k l ser un sistem homogéneo, y discutiendo el sistem tringulr precerán dos csos: ) Si k - = ==> k =, ls ecuciones ª y ª se trnsformn en =, con lo que se pueden suprimir, quedndo por tnto un sistem equivlente con un sol ecución. x + y + z = Dicho sistem será comptible pero indetermindo y que el numero de ecuciones es menor que el de incógnits. Esto quiere decir que existirán infinits soluciones, ls cules dependerán de prámetros. Si despejmos x = - y - z y llmmos y =, z = μ podemos deducir que ls soluciones sern; x = λ μ y = λ z = μ λ, μ R b) Si k - ==> k, el sistem seguirá siendo de ecuciones con incógnits, por lo que el sistem será comptible y determindo. Esto implic que posee solución únic y l ser un sistem homogéneo dich solución será l trivil, es decir x = ; y = ; z = - -