Unidad nº2. MATRICES Y DETERMINANTES. Esp.Liliana Eva Mata Algebra Lineal y Geometría 1
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1 Unidd nº2. MATRICES Y DETERMINANTES. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 1
2 Contenidos Mtriz. Espcio Vectoril de mtrices de orden (m x n). Operciones. Anillo de mtrices cudrds. Mtrices Especiles. Operciones elementles de fils o columns. Equivlenci de mtrices. Rngo de un mtriz. Propieddes Mtriz Invers o no singulr. Inversión de mtrices. Determinnte de un mtriz cudrd. Propieddes. Adjunt de un mtriz cudrd. Vlores y vectores propios de un mtriz cudrd. Polinomio crcterístico de un mtriz. Cálculo de los utovlores y utovectores de un mtriz cudrd. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 2
3 Bibliogrfí 1. De Burgos, J. - Algebr Linel y Geometrí crtesin - d. Edición) Mc Grw Hill- 2 (2 2. Rojo, Armndo O - Algebr I, Algebr II -Librerí El Ateneo Editoril. Ed Lic. Albino de Sunkel, M. H.- Geometrí Anlític en form vectoril y Mtricil Ed. Nuev Librerí S.R.L Steinbruch Winterle- Edición Algebr Linel - Edit.Mc Grw Hill 5. Stnley I.Grossmn Algebr Linel con plicciones Edit.Mc.Grw Hill- Ed Seymour Lipschutz Algebr Linel Edit Mc. Grw Hill Edición Pit Ruiz, Cludio.- Álgebr Linel -Ed.Mc.Grw Hill-Ed 1993 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 3
4 MATRIZ RECTANGULAR RANGO CUADRADA Sistems de Ecuciones Lineles Determinnte de un Mtriz Cudrd. Mtriz Invers DEFINICIÓN CALCULO Propieddes. Menor Complementrio Adjunto o Cofctor APLICACIONES Geometrí en coordends Sistems de Ecuciones Lineles Cudrdos Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 4
5 Mtriz como conjunto de vectores de R n. Se llm mtriz de clse m x n con coeficientes en en un cuerpo K todo conjunto de m vectores de K n dispuestos en m fils. Un mtriz de clse m x n es un cudro de m fils ( vectores de K n ) y n columns (vectores de K m ).(K=R o K=C) m fils n columns Fil i A m m m ij n 2n 3n mn Column j Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 5
6 Notción brevid. A= [ i j ] m x n in; j N; m N y n N con 1 i m, 1 j n. i j: elemento genérico El subíndice ( i ) indic l fil l que pertenece el elemento i j. El subíndice (j) indic l column l que pertenece el elemento i j. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 6
7 Construcción de Mtrices. Ejemplo )A ij / 3 x 3 ij ( 1) i j si si i i j j b)b b ij 4x2 / b ij i i j j si si i i j j Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 7
8 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 8 Notción brevid. Mtriz A por fils: Mtriz A por columns: m i F F F F A 2 1 c j c n c c A 2 1
9 Mtriz Fil. Mtriz Column. Mtriz Fil: mtriz de un sol fil. Mtriz Column: mtriz de un sol column. A [ j 1n ] 1xn A i1 m1 mx1 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 9
10 Iguldd de mtrices. Dos mtrices de l mism clse son igules si los elementos que ocupn l mism posición en cd mtriz son igules entre sí. A=B ij =b ij i=1, 2,,m j=1, 2,,n Ejemplo: Determine los números reles, b, x e y, sbiendo que: x y 2x y 2 b b Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 1
11 Operciones. A= [ ij] K m x n, B = [ b ij ] K m x n. SUMA DE MATRICES. A+B=[ ij] m x n + [ b ij ] m x n =[ ij+ b ij ] m x n, i, j. Propieddes: Ley de Composición Intern. Conmuttiv. Asocitiv. Existenci de Elemento Neutro. Existenci de Elemento Opuesto.O Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 11
12 Producto esclr mtriz.. :. A = [ ij ] m x n = [ ij ] m x n = D, D K m x n. K, A K m x n Propieddes: Ley de Composición extern. Pseudosocitiv. 1 elemento neutro. Distributiv con respecto l sum de esclres. Distributiv con respecto l sum de mtrices. (K mxn, +, K,. ): ESPACIO VECTORIAL K=R o K=C Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 12
13 Sum de Mtrices. Ejemplo: Sen ls mtrices A=[ ij ] 2 x 2 y B =[b ij ] 2 x 2 con ij = 2 i j 2, y, b ij = ij +1 Hllr A + B Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 13
14 Producto esclr-mtriz.ejemplo. Sen ls mtrices A=[ ij ] 2 x 2 y B =[b ij ] 2x 2 con ij = 2 i j 2, y, b ij = ij +1 Hllr 2.A ½ B Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 14
15 Operciones. Rest de Mtrices. A= [ ij ] K m x n, B = [ b ij ] K m x n : A B = A + (B) Ejemplo: Sen ls mtrices A=[ ij ] 2 x 2 y B =[b ij ] 2x 2 con ij = 2 i j 2, y, b ij = ij +1 Hllr 2A-½B Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 15
16 Producto de Mtrices. Mtrices conformbles. A= [ ij ] K m x p y B = [ b ij ] K q x n son mtrices conformbles pr el producto p = q A= [ ik ] K m x p, B = [ b kj ]K pxn A. B= C =[ c ij ] m x n / c ij = p k1 ik b kj con i = 1, 2,, m j = 1,2,, n Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 16
17 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 17 Producto de Mtrices. Ejemplo. Sen ls mtrices: Hllr: A.B; B.A; A.C; C.A C ; B, A
18 Propieddes del Producto de Mtrices. El producto de mtrices es socitivo. (A. B).C = A.(B. C) El producto de mtrices es distributivo izquierd con respecto l sum A.(B+C )= A.B + A.C El producto de mtrices es distributivo derech con respecto l sum. (B + C ). A = B. A + C. A CUIDADO: A veces A.(B+C ) (B + C ). A El Producto de mtrices no cumple l Ley De Cierre. El producto de mtrices no es conmuttivo En K mxn no existe elemento neutro pr el producto. En k mxn el producto de mtrices no verific l existenci de elemento inverso Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 18
19 I [ Anillo de Mtrices Cudrds. (K nxn, +) es un grupo belino, por serlo K mxn ; m, n N (K nxn,. ) verific ls siguientes propieddes: Ley de cierre. Asocitiv. Existenci de elemento neutro. ] / n ij nxn ij 1 si si i i j j Distributiv con respecto l sum derech e izquierd. ( K nxn, +, * ) es un nillo con unidd Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 19
20 Anillo con unidd y con divisores de cero. nxn A, B K / A. B A B nxn nxn Determine l mtriz BR 2x2 N, tl que A.B =N siendo N l mtriz nul y 1 A 1 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 2
21 Mtrices Especiles. Mtriz cudrd. A K m x n es cudrd m = n Mtriz rectngulr. A K m x n es rectngulr m n Elbore un ejemplo. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 21
22 Mtrices Especiles. Mtriz Fil: mtriz de clse (1 x n), de un fil por n column. A = ( n ) Mtriz Column: mtriz de clse (mx1), 11 de m fil por 1 column. Elbore un ejemplo. A = Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí m1
23 Mtriz Trspuest. A=[ ij ] K m x n se llm trspuest de A l mtriz A T =[ ji ] K n x m A T es l mtriz cuys fils son ls columns de A y cuys columns son ls fils de A. Si A es de clse (m x n ), A T es de clse ( n x m ). Elbore un ejemplo. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 23
24 Mtriz Trspuest: Propieddes. (A+B) T = A T +B T (A) T = A T (AB) T = B T. A T (A T ) T =A El producto de tod mtriz por su trspuest es un mtriz simétric. L sum de tod mtriz cudrd con su trspuest es simétric L diferenci de tod mtriz cudrd y de su trspuest es ntisimétric Tod mtriz cudrd es l sum de un mtriz simétric y de un ntisimétric Verifique cd un de ls propieddes. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 24
25 Mtriz Simétric Un mtriz cudrd es simétric si y sólo si es igul su trspuest. AK n x n es simétric A = A T ij = ji i j Elbore un ejemplo. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 25
26 Mtriz Antisimétric. Un mtriz cudrd es ntisimétric si y sólo si es igul l opuest de su trspuest con los coeficientes ii =. Elbore un ejemplo. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 26
27 Mtriz Esclond. Un mtriz es esclond si: Ls fils no nuls, preceden ls fils nuls, si ls hy. En cd un de ls fils no nuls, el número de ceros que precede l primer elemento no nulo es myor que en l fil nterior. Elbore un ejemplo de un mtriz que se esclond y de otr que no lo se. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 27
28 Mtrices Cudrds Prticulres. A K nxn es mtriz digonl ij ij =. Elbore un ejemplo. A K nxn es mtriz esclr A es digonl ii = 11 Elbore un ejemplo. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 28
29 Mtriz Tringulr. A es mtriz tringulr superior si y sólo si ij = con i >j Elbore un ejemplo. A es mtriz tringulr inferior si y sólo si ij = con i <j Elbore un ejemplo. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 29
30 Operciones Elementles de Fils o Columns. Dd un mtriz AK m x n, se llmn operciones elementles de fils o columns ls siguientes: Permutción de dos fils e: F i F j Reemplzo de todos los elementos de un fil por su producto por un esclr distinto de cero e: k F i F i Reemplzo de un fil por su sum con otr e: F i + F j F i Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 3
31 Ejemplo 1 1 ) A' Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 31
32 Ejemplo A' ( ) Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 32
33 Ejemplo ( ) A' ( ) Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 33
34 Equivlenci de Mtrices. Un mtriz B mxn es equivlente por fils otr mtriz A mxn, si B se obtiene plicndo l mtriz A un número finito de operciones elementles por fils. A f B e 1, e 2,..., e k / e k (...e 3 (e 2 (e 1 (A)))...)=B Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 34
35 Mtrices Elementles. Un mtriz de clse (nxn) se llm elementl si y sólo si se obtiene por plicción de un sol operción elementl l mtriz I (n. Elbore un ejemplo. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 35
36 Propieddes Si A es un mtriz de clse (mxn), tod operción elementl e sobre A, puede ser efectud premultiplicndo A por l mtriz elementl E de clse (mxm), que result de plicr l operción elementl e l mtriz I (m e(i (m )=E E.A=e(A) E es l mtriz correspondiente l operción elementl e. Si A y B son dos mtrices de clse mxn, tles que A B, entonces existe un mtriz S, de clse mxm, tl que B=S.A Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 36
37 Ejemplo. Esclonr l mtriz y verificr ls propieddes de Mtrices Elementles. A Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 37
38 Rngo de un Mtriz. Se AK mxn. Rngo fil de A: [r f (A)]=r, es el máximo número de fils linelmente independientes de A. Rngo column de A: [r c (A)]=r, es el máximo número de columns linelmente independientes de A. r f (A) = r c (A)=r(A)=r Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 38
39 Propieddes. n, m N : r f O (n x m ) =. n N : r f (I n ) = n. Dos mtrices equivlentes por fils tienen el mismo rngo fil. Un mtriz cudrd de clse n x n es inversible si y solo si, su rngo fil es igul n. El rngo fil de un mtriz en form esclond es igul l número de fils no nuls de es mtriz. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 39
40 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 4 Rngo de un mtriz. Ejemplo. Ejemplo: Clculr el rngo de l siguientes mtrices: C B y A D
41 Mtriz Invers o no singulr. L mtriz A K nxn es inversible si y solo si B K nxn / A. B= B.A = I (n Notción: B=A -1 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 41
42 Mtriz Invers.Propieddes. L invers de un mtriz inversible es únic. (A.B) -1 =B -1. A -1. Si A es inversible y A.B=A.C B=C Si A -1 es l invers de A,(A -1 ) -1 =A I (n es inversible. I -1 (n=i (n A nxn es inversible r(a)=n A nxn es inversible det(a) Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 42
43 Inversión de Mtrices. Teorem de Guss Jordn: Si A es un mtriz cudrd tl que por un secuenci finit de operciones elementles de fil se trnsform en l identidd, entonces: 1) A f I e k (...e 3 (e 2 (e 1 (A)))...)=I A es inversible. 2) I f A -1 e k (...e 3 (e 2 (e 1 (I)))...)= A -1 A I... I A -1 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 43
44 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 44 Cálculo de l Mtriz Invers.Ejemplo. Clcule A 1 plicndo el método de Guss Jordn B A
45 Determinnte de un Mtriz Cudrd. A K nxn y culquier sen i y j pertenecientes N Determinnte de orden n es tod función que sign cd mtriz cudrd un esclr sobre el cuerpo K que se denomin determinnte de l mtriz. D: K nxn K/ det(a) verific: Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 45
46 Axiom 1: Si un column de l mtriz A se descompone en dos sumndos, entonces el det(a) es igul l sum de los determinntes de ls dos mtrices que resultn de sustituir en A, quell column por cd uno de los sumndos. D(c 1 c 2 c j c j+1 c n )=D(c 1 c 2 c j c n )+D(c 1 c 2 c j+1 c n ) J=1, 2, n. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 46
47 Axiom 2: Si un fil ( o column) de A se l multiplic por un esclr, entonces el det (A) qued multiplicdo por el esclr. D(c 1 c j c n )= D(c 1 c j c n ) J=1, 2, n. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 47
48 Axiom 3: Si dos columns consecutivs de un mtriz son idéntics, entonces su determinnte es nulo. c j =c j+1 D(c 1 c j c j+1 c n )= J=1, 2, n. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 48
49 Axioms 4: El determinnte de l mtriz identidd es igul 1. D(I (n )=1 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 49
50 Menor Complementrio del Elemento Ij de l mtriz A. Dd un mtriz A=[ ij ] n x n, con 1 i n y 1 j n, llmmos menor complementrio del elemento ij de A, l determinnte de l mtriz de clse(n1) x (n 1) que se obtiene l eliminr l fil i y l column j de A. M ij = det( A(ij) ) i1 A (n n1 1) i2 (n1)2 n2 1(j1) 2(j1) i(j1) (n1)(j1) n(j1) (n1)j 1(j1) 2(j1) i(j1) (n1)(j1) n(j1) (n1)n Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 5 1j 2j ij nj 1n 2n in nn
51 Adjunto o Cofctor del Elemento IJ Se llm Adjunto o Cofctor del Elemento IJ de un mtriz de clse (n x n), su menor complementrio o su opuesto según que i + j se pr o impr respectivmente. A ij M M ij ij si si i j i j es es A i j = (1) i + j M i j pr impr Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 51
52 Ejemplo A ij Escribe l mtriz D R 3x3, si D =[d ij ]/ d ij i j Clcule D 13 ; D 21. j i si si i j i j Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 52
53 Desrrollo del determinnte por l i-ésim fil. Dd un mtriz A=[ ij ] K nxn con 1 i n y 1 j n, llmmos determinnte de A : det : K nxn K / det(a) j 11 n 1 ij A ij si si n n 1 1 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 53
54 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 54 Cálculo de determinntes. Ejemplos b) )
55 Propieddes. P 1 :El determinnte de tod mtriz tringulr superior (inferior o digonl) es igul l producto de los elementos de l digonl principl. A i 2i ii 1j 2j ij jj 1(j 1) 2(j1) i(j 1) j(j1) (j1)(j1) (n1)(n1) 1n 2n in (j1)n (n1)n nn Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 55
56 P2:Si un column de un mtriz es el vector nulo, entonces su determinnte es nulo. P3:Si un mtriz se l multiplic por un esclr no nulo se obtiene otr mtriz cuyo determinnte es n veces el determinnte de l mtriz primitiv. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 56
57 P 4 :Si se permutn dos columns de un mtriz, se obtiene un mtriz cuyo determinnte es igul l opuesto del determinnte de l mtriz primitiv. P 5 :El determinnte de tod mtriz que teng dos columns idéntics es nulo. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 57
58 P 6 :El determinnte de un mtriz no vrí si un column se le sum un combinción linel de otrs. P 7 :Si C 1, C 2,..., C n son linelmente dependientes en K n, entonces es D(C 1 C 2... C n )= Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 58
59 Determinnte de l trspuest de un mtriz:el determinnte de un mtriz es igul l de su trspuest. det(a) = det (A T ) Determinnte del producto de mtrices:el determinnte del producto de dos mtrices es igul l producto de sus determinntes. det (A. B ) = det (A). det ( B ) Determinnte de mtrices inverss: Los determinntes de dos mtrices inverss son esclres recíprocos. det (A)= 1/ det (A -1 ) Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 59
60 Cálculo de determinntes plicndo propieddes. Ejemplos. Se S =[s ij ] 3x3 / s ij = o i i j j si si si i j i j i j d g b e h c f i 25; 2 2d 2g 2b 2e 2h 2c 2f 2i b c b c d e f d e f D; Clcule e f d; b c g h i h j g g h j Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 6
61 Adjunt de un mtriz cudrd. Adjunt de un mtriz cudrd es l trspuest de l mtriz que result de sustituir cd elemento por si cofctor. Adj A = [ A ij ] T A 1 Adj A A Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 61
62 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 62 Cálculo de l Mtriz Invers, utilizndo determinntes.ejemplo Clcule l invers de ls siguientes mtrices: B A
63 Vlores y vectores propios de un mtriz cudrd. El esclr es un vlor propio de l mtriz AK nxn si y sólo si existe un vector no nulo XK nx1. Un vector no nulo que stisfg l relción A.X=.X se llm vector propio de A socido l vlor propio. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 63
64 Propiedd. Si AK nxn entonces K es un vlor propio de A si y sólo si A -I es singulr(no es inversible). K es un vlor propio de A K nxn si y sólo si D(A -I)= Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 64
65 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 65 Ejercicio.comp,etr y corregir Hlle los vlores y vectores propios si existen de ls siguientes mtrices de R 2x2 : A B
66 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 66 Respuest: Construcción de Mtrices. ) b) A B
67 Respuest ejemplo Iguldd de Mtrices x y 2x y 3 2 b b 1 7 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 67
68 Respuest Sum de Mtrices. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 68
69 Respuest producto esclr-mtriz Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 69
70 Respuest Rest de Mtrices. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 7
71 Respuest Ejemplo Producto de Mtrices. A.B= B.A=No es posible A.C= C.A= Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 71
72 Demuestre que (R 2x2, +,.) es un nillo con unidd y con divisores de cero. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 72
73 Pruebe ls propieddes de Mtrices Trspuests en R 3x3 Demuestre por lo menos dos. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 73
74 Respuest Mtriz Esclond Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 74
75 Respuest rngo de un mtriz. r(a)=2 r(b)=3 r(c)=2 r(d)=3 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 75
76 Respuest cálculo mtriz invers medinte Guss Jordn. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 76
77 Respuest cálculo de determinntes Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 77
78 Demostrción: Propieddes de l función determinnte. Demuestre ls propieddes de l función determinnte. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 78
79 Pists pr l demostrción. Primer prte: Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 79
80 Pists pr l demostrción: segund prte. Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 8
81 Respuest Cálculo de determinntes plicndo propieddes. b e c f d ( 1) 2 D D h j g 2 2d 2b 2e 2c 2f d g e b h f c j ( 1) 3.( 1).D D 2g 2h 2i Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 81
82 Respuest Cálculo de l Mtriz Invers, utilizndo determinntes. Ejemplo Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 82
83 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 83
84 Esp.Lilin Ev Mt Algebr Linel y Geometrí 84
es una matriz de orden 2 x 3.
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