Unidad 1
Unidad 1
Unidad 1
1
ÁLGEBRA LINEAL
MATRICES Y OPERACIONES CON MATRICES
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
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 Bij = 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
1 i m
Si A (mxn) y c R cAij = cA ij para
1 j n
1 4 2 8
Si A = 3 − 4 y c = 2 cA = 6 − 8
2 − 5 4 − 10
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
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 = A1k Bk1 = A11 B11 + A12 B21 + A13 B31 = (1 4) + (2 0) + (4 2) = 12
1
3
A B 23 = A2 k Bk 3 = A21 B13 + A22 B23 + A23 B33 = (2 4) + (6 3) + (0 5) = 26
1
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
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) (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
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.
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.
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
• 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.
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.
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.
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.
− 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