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Unidad 1

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UNIDAD No.

1
ÁLGEBRA LINEAL
MATRICES Y OPERACIONES CON MATRICES

Definición: Una matriz es un arreglo rectangular de números. Los números en el arreglo se


denominan elementos de la matriz. Para denotarlas se utilizan las letras mayúsculas del
abecedario.

Por ejemplo:

1 3 5   3 5 7 2 
 
A = 7 5 6 B = 3 5 - 7 9 C = 1 / 2 5 6 7 2 
3 0 2  1 3 5 5 8
 
El tamaño u orden de una matriz se describe en términos del número de filas (líneas
horizontales) y de columnas (líneas verticales) que contiene. La matriz C tiene 3 filas y 5
columnas y se representa por C (3x5) .
Identificación de elementos: Los elementos de la matriz se los identifica indicando la fila y la
columna a la que pertenecen. De tal manera que un elemento genérico de una matriz A (mxn) se
lo representa por:
1  i  m
aij = A  ij para 
1  j  n

Elemento de la matriz A que está en la fila i y en la columna j

 A 11 A12 . . . . A1n   a11 a12 . . . . a1n 


 A  A22 . . . . A2n  a a 22 . . . . a 2n 
 21  21
A = 
. 
A= 
. . . . . . . . . . . . .
 . . . . . . .  . . . . . . . 
   
 . . . . . . .   . . . . . . . 
A m1 Am2 . . . . Amn  a m1 a m2 . . . . a mn 

OPERACIONES CON MATRICES

Igualdad de matrices: Dos matrices son iguales si tienen el mismo tamaño y sus elementos
correspondientes son iguales.

1  i  m
A = B  A  ij = B ij para 
1  j  n

1 5 − 4 1 5 − 4
A=  B=   A=B
6 8 − 7  6 8 − 7 

1
Suma de matrices: Si A y B son matrices del mismo tamaño, entonces la suma A + B es la
matriz obtenida al sumar los elementos de B con los elementos correspondientes de A, y la
diferencia A – B es la matriz obtenida al restar los elementos de B de los correspondientes de
A. No es posible sumar o restar matrices de tamaños diferentes.

1  i  m
Si A (mxn) y B (mxn)  A  Bij = A ij  B ij para 
1  j  n

1 2 − 3 
A= 
3 6 − 2  1 + 2 2 − 1 − 3 + 5  3 1 2
  A+ B =  = 
2 − 1 5  3 + 3 6 − 2 − 2 + 4 6 4 2
B= 
3 − 2 4 

Producto de una matriz por un escalar (número): Si A es cualquier matriz y c es cualquier


escalar, entonces el producto cA es la matriz obtenida al multiplicar cada elemento de A por c.

1  i  m
Si A (mxn) y c  R  cAij = cA ij para 
1  j  n
1 4  2 8 
 
Si A = 3 − 4 y c = 2  cA = 6 − 8 
2 − 5 4 − 10

Transpuesta de una matriz: Si A es cualquier matriz m x n, entonces la transpuesta de A,


denotada por At, se define como la matriz n x m que se obtiene al intercambiar las filas y las
columnas de A; es decir, la primera columna de At es la primera fila de A, la segunda columna
de At es la segunda fila de A, y así sucesivamente.

1  i  n
A  = A
t
para 
1  j  m
ij ji

1 6 5
1 2 3 4 2 4
A = 6 7 0 9 
7
 A =
t
3 0 1
5 4 1 8   
4 9 8

Producto de matrices: Si A es una matriz de m x n y B es una matriz de n x p, entonces el


producto AB es la matriz m x p cuyos elementos se determinan como sigue. Para encontrar el
elemento en la fila i y en la columna j de AB, considerar solo la fila i de la matriz A y la
columna j de la matriz B. Multiplicar entre sí los elementos correspondientes de la fila y de la
columna mencionados y luego sumar los productos resultantes.

2
n
1  i  m
AB ij =  A ik B kj para 
k =1 1  j  p

 4 1 4 3
1 2 4 
A=  B = 0 − 1 3 1 
2 6 0 2 7 5 2

 4 1 4 3
1 2 4   12 27 30 13
A B =    0 − 1 3 1  =  
2 6 0 2 7 5 2  8 − 4 26 12
 
Donde, por ejemplo :
3
A  B 11 =  A1k Bk1 = A11 B11 + A12 B21 + A13 B31 = (1  4) + (2  0) + (4  2) = 12
1
3
A  B 23 =  A2 k Bk 3 = A21 B13 + A22 B23 + A23 B33 = (2  4) + (6  3) + (0  5) = 26
1

Operaciones Elementales: Si A es cualquier matriz m x n , sobre sus filas columnas se pueden


efectuar las siguientes operaciones denominadas elementales:
1. Intercambiar dos filas (columnas) Pij
2. Multiplicar una fila (columna) por una constante diferente de cero. Mi(k)
3. Sumar o adicionar una fila (columna) con el múltiplo de otra. Aij(k)

1 2 3 
Ejemplo: Sea A =   , realizar las siguientes operaciones elementales:
9 6 − 5

9 6 − 5
• Intercambiar la fila 1 con la 2 de A: p12 → A   
1 2 3 
 1 2 3
• Multiplicar la fila 2 de A por − 3 : M 2 ( −3) → A   
− 27 − 18 15
Sumar la fila 2 de A con la 1  1 2 3
• : A21( −9 ) → A   
multiplicada por − 9 :  0 − 12 − 32

Propiedades de las operaciones con matrices:

Teorema 1: Suponiendo que los tamaños de las matrices son tales que las operaciones indicadas
se pueden efectuar, entonces son válidas las siguientes reglas de aritmética matricial.
1. A + B = B + A (Ley conmutativa de la adición)
2. A + (B + C) = (A + B) + C (Ley asociativa de la adición)
3. A(BC) = (AB)C (Ley asociativa de la multiplicación)
4. A(B  C) = AB  AC (Ley distributiva por la izquierda)

3
5. (B  C)A = BA  CA (Ley distributiva por la derecha)
6. a(B  C) = aB  aC
7. (a  b)C = aC  bC
8. a(bC) = (ab)C
9. a(BC) = (aB)C = B(aC)
10. ((A)t)t = A
11. (A  B)t = At  Bt
12. (kA)t = kAt, donde k es cualquier escalar.
13. (AB)t = Bt At

Nota importante: Antes de aplicar las definiciones de las operaciones con matrices, realizar la
verificación de que las operaciones cumplen con las condiciones para poder realizarse, a este
análisis se lo denomina análisis de forma.
Por ejemplo: Si A( 2 x 3) , B( 2 x 2 ) , C( 2 x 3) y D(3 x 3) hacer el análisis de forma de 2 At B + DC t

2At B + D Ct
(3 x 2) (2 x 2) + (3 x 3) (3 x 2) (Nro. de columnas = Nro. de filas)
= =

(3 x 2) + (3 x 2) (Matrices del mismo orden)

(3 x 2) (Matriz resultante)

Matrices Cuadradas: Son aquellas que tienen el número de filas igual al número de columnas.
Las principales son las siguientes:

1 si i = j 1  i  n
• Matriz Identidad : I(nxn)  I ij =  para 
0 si i  j 1  j  n


• Actua como elemento neutro en la multiplica´ción de matrices

Propiedades • I+ I + I+.........
 +I = pI
 p veces
• I.I.I.......................I = ( I ) p = I
  
 p veces

• Matriz Simétrica : A(nxn) es simétrica si solo si At = A , es decir:


1  i  n
 
At ij = Aij para 
1  j  n
• Matriz Antisimétrica : A(nxn) es antisimétrica si solo si At = − A , es decir:
1  i  n
 
At ij = −A ij para 
1  j  n

4
Nota: Toda matriz cuadrada puede expresarse como la suma de una matriz simétrica y otra
antisimétrica: A = 1 2 ( A + At ) + 1 2 ( A − At )
       
M. Simétrica M. Antisimétrica

Ejemplos:
Matriz
  
Identidad
 
Matriz Simétrica
 Matriz
 Antisimétr
 
ica

1 0 0  1 3 - 5 0 6 7
I = 0 1 0 A =  3 7 9  C = - 6 0 - 5
0 0 1 - 5 9 3  - 7 5 0 
1 - 4 5 
Ejercicio: Expresar la matriz A = 7 3 0 como la suma de una matriz simétrica
2 9 8
con una matriz antisimétrica.

• Matriz Triangular Superior: A ij= 0 para  i  j


• Matriz Triangular Inferior : A ij = 0 para  i  j
• Matriz Diagonal: A ij = 0 para  i  j . Cuando A 11= k se denomina matriz
escalar.

Ejemplos:
Matriz Triangular Superior Matriz Triangular Inferior
   Matriz
 Diagonal

3 9 - 5   4 0 0 1 0 0
D = 0 4 7  F = - 3 7 0 G = 0 2 0
0 0 - 2  1 - 5 3 0 0 3

• Matriz Elemental: Es aquella que resulta de aplicar una única operación elemental sobre
una matriz identidad, o bien, es aquella que se transforma en la identidad a través de una
única operación elemental.

Ejemplos:
 
Matria Elemental
  
Matriz Elemental
   
Matriz Elemental

0 0 1  1 0 0  1 0 0
P13 → I (3)  E1 = 0 1 0 ; M 2(-3) → I (3) E 2 = 0 − 3 0 ; A 31(-2) → I (3) E 3 =  0 1 0
   
1 0 0 0 0 1 − 2 0 1

• Matriz No – Singular: A es no singular si existe una matriz B del mismo orden tal que
AB = BA = I , caso contrario A se denomina singular. La matriz B se denomina
Inversa de A (A-1).
Teorema 1. La matriz inversa si existe es única.
Teorema 2. Si A y B son no singulares entonces:
a) A−1 es también no singular y ( A−1 ) −1 = A .

5
b) (AB) también es no singular y ( AB )−1 = B −1 A−1 . (Se puede generaliza
para más de dos matrices).}
Teorema 3. Toda matriz elemental es no singular y su inversa se puede calcular
en forma directa.

• Si la matriz elemental proviene de Pij → I (n) , entonces su inversa es la


propia matriz elemental
• Si la matriz elemental proviene de M i ( k ) → I (n) , entonces su inversa se
obtiene M i ( k −1 ) → I (n) .
• Si la matriz elemental proviene de Aij ( k ) → I (n) , entonces su inversa se
obtiene Aij ( −k ) → I (n) .
Ejercicio: Tomando las matrices elementales del ejemplo anterior:

P13 → I (3x3)  E1   P13 → I (3x3)  E1-1 = E1
 
M 2 (-3) → I (3x3)  E 2  verificar que sus inversas son M 1 → I (3x3)  E -21
 
2 (- )
A31 (-2) → I (3x3)  E 3 
3
A
 31 (2) → I (3x3)  E 3
-1

Aplicación de las matrices elementales:

Teorema 4. Cualquier operación elemental sobre las filas de una matriz A (mxn) puede
llevarse a cabo premultiplicando a A por una matriz elemental correspondiente a la
operación elemental realizada.

1 2 3 
Ejemplo: Sea A =   , encontrar matrices elementales que premultiplicas por A
9 6 − 5
produzcan el mismo efecto que las operaciones elementales:

9 6 − 5 0 1 
P12 → A    = A1  P12 → I ( 2 )  E1 = 1 0 / E1 A = A1
1 2 3   
 1 2 3  1 0
M 2 ( −3) → A    = A  M − → I  E = 0 − 3 / E2 A = A2
− 27 − 18 15
2 2 ( 3 ) ( 2 ) 2
 
 1 2 3   1 0 
A21( −9 ) → A    = A3  A21( −9 ) → I ( 2 )  E3 =   / E3 A = A3
0 − 12 − 32 − 9 1

Matriz Escalonada: A (mxn) es escalonada si cumple las siguientes condiciones:

• Si las filas i e i + 1 son dos filas sucesivas cualesquiera, no nulas, entonces, el primer
elemento diferente de cero de la fila i + 1 se encuentra a la derecha del primer elemento
diferente de cero de la fila i.
• Si hay filas nulas, estarán agrupadas en la parte inferior de la matriz.

6
Nota: Los primeros elementos distintos de cero de las filas no nulas se denominan
elementos distinguidos y las columnas en las que se encuentran se llaman columnas
distinguidas.

Matriz Escalonada Reducida o Escalón Reducida: A (mxn) es escalón reducido si además de


ser escalonada cumple que:
• Sus elementos distinguidos deben ser iguales a 1 (uno) y deben ser los únicos diferentes
de cero en sus columnas distinguidas correspondientes.

Ejemplos:

Equivalencia por Filas : (matrices equivalentes) Se dice que una matriz A es equivalente por
filas a una matriz B, si B puede obtenerse mediante una sucesión finita de operaciones
elementales de fila a partir de A, es decir, si existen matrices elementales E1 , E 2 , E 3 ,......, E k
de tal manera que B = E k .E k -1....E 2 .E1.A .
Teorema 1. Sean A, B y C matrices de (mxn), entonces:
• A es equivalente a A.
• Si A es equivalente a B, entonces B es equivalente a A.
• Si A es equivalente a B y B es equivalente a C, entonces A es
equivalente a C.

Teorema 2. Toda matriz A (mxn) es equivalente a una matriz escalón reducida.


Por lo tanto para cada matriz A (mxn) existe una matriz no singular, B (mxm), tal que
B.A = A ER

Ejercicios:
3 4 1 8 1 5 3 4 1
1. Dadas las matrices A = 2 − 7 − 1 B = 2 − 7 − 1
   C = 2 − 7 − 1 ,

8 1 5  3 4 1  2 − 7 3 
encontrar matrices elementales E1 , E 2 , E 3 y E 4 tales que

a) E1 A = B b) E 2 B = A c) E 3 A = C d) E 4C = A

7
1 2 3 4 
2. Sea A =   :
2 4 5 1 

a)
Llevarla a la forma escalón reducida.
b)
Hallar las matrices elementales E1, E2 y E3 tales que AER = E3 E2 E1 A.
c)
Encontrar una matriz no singular, B, tal que B A = AER.
d)
De la ecuación matricial del inciso (b) despejar la matriz A.
e)
Encontrar una matriz no singular, C, tal que C AER = A.
0 1 7 8

3. Expresar la matriz A =  1 3 3 8  en la forma A = EFGR , donde E, F y G
− 2 − 5 1 − 8
son matrices elementales y R está en forma escalonada.

Cálculo de la Inversa de una Matriz. Antes de establecer un mecanismo de cálculo es necesario


enunciar las siguientes proposiciones y un teorema:
• Proposición 1: Si A es una matriz cuadrada y existe alguna fila (columna) nula,
entonces A no tiene Inversa.
• Proposición 2: Si A es Escalón reducida, cuadrada y además no singular, entonces su
escalón reducida es igual a la matriz identidad del mismo orden.
• Teorema 1 : Toda matriz no singular de orden (nxn) es equivalente a la matriz
identidad del mismo orden, decir:

E k .E k -1.........E 2 .E1.A = I
  
A -1

Método de Gauss para Calcular la Inversa: Basado en los conceptos anteriores, Gauss
mecaniza el proceso de la siguiente manera:

Se toma la matriz A y junto a ella se coloca la matriz identidad del mismo orden, (A I) a
través de operaciones elementales sucesivas se transforma A en escalón reducida y
simultáneamente se aplican las mismas operaciones elementales sobre la Identidad. Al finalizar
el proceso y si A es no singular, su escalón reducida será la Identidad y junto a ella se tendrá la
inversa de A. Si A es singular surgirá alguna fila nula en la escalón reducida.

A I 
Operaciones elementales 

A ER B
Si la matriz AER es igual a la identidad, entonces B = A-1

Ejemplos:

8
1 2 3
1. Encontrar la inversa de A = 2 5 3
1 0 8
Aplicando el método de Gauss- Jordan:

1 2 3 1 0 0 1 2 3 1 0 0 1 0 9 5 − 2 0
     
2 5 3 0 1 0   0 1 − 3 − 2 1 0   0 1 − 3 − 2 1 0 
1 0 8 0 0 1 0 − 2 5 − 1 0 1 0 0 − 1 − 5 2 1
A 21 (-2) A12 (-2) M 3 (-1)
A 31 (-1) A 32 (2)
1 0 9 5 − 2 0  1 0 0 − 40 16 9 

0 1 − 3 −2 1
 
0   0 1 0

13 − 5 − 3  I  A -1 
0 0 1 5 − 2 − 1 0 0 1 5 − 2 − 1
A13 (-9)
A 23 (3)

− 40 16 9 
Por lo tanto A -1 =  13 − 5 − 3
 5 − 2 − 1

1 2 3
2. Encontrar la inversa de A = 2 5 3
3 7 6
Aplicando el método de Gauss- Jordan:

1 2 3 1 0 0 1 2 3 1 0 0 1 2 3 1 0 0
     
2 5 3 0 1 0   0 1 − 3 - 2 1 0   0 1 − 3 - 2 1 0
3 7 6 0 0 1 0 1 − 3 - 3 0 1 0 0 0 - 1 - 1 1
A 21 (-2) A 32 (-1)
A 31 (-3)
En la matriz escalonada de A se tiene una fila nula, por lo tanto se concluye que la matriz A es
singular, es decir no tiene inversa.

Ejercicios de aplicación de la inversa:

 − 1 2
1. Sabiendo que ( I + 2 A) −1 =   determinar A.
 4 5

9
 1 2  − 1 2 1 − 3
2. Dadas las matrices A =   , B=  y C= 
− 3 1   3 1 1 2 
determinar la matriz X de la siguiente ecuación matricial: 3 AX − 2C = B t

10

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