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Operaciones con matrices y ecuaciones matriciales
Problema
2022 · Extraordinaria · Titular
1
Examen
EJERCICIO 1

Se consideran las matrices

A=(112201011),B=(213102),C=(121123)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 2 \\ -2 & 0 & 1 \\ 0 & -1 & -1 \end{pmatrix}, \quad B = \begin{pmatrix} -2 & 1 \\ 3 & 1 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}, \quad C = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ -1 & -1 \\ -2 & 3 \end{pmatrix}
a) Determine la matriz XX que verifica AX+B=A2CA \cdot X + B = A^2 \cdot C.b) Determine las dimensiones de dos matrices PP y QQ sabiendo que APt+C=C(QB)A \cdot P^t + C = C \cdot (Q \cdot B).
MatricesEcuación matricialDimensión de matrices
a) Determine la matriz XX que verifica AX+B=A2CA \cdot X + B = A^2 \cdot C.

La ecuación matricial es AX+B=A2CA \cdot X + B = A^2 \cdot C. Despejamos XX:

AX=A2CBA \cdot X = A^2 \cdot C - B

Primero, calculamos el determinante de AA para verificar si es invertible:

A=112201011=1(0(1))1((2)(1)0(1))+2((2)(1)0(0))|A| = \begin{vmatrix} 1 & 1 & 2 \\ -2 & 0 & 1 \\ 0 & -1 & -1 \end{vmatrix} = 1(0 - (-1)) - 1((-2)(-1) - 0(1)) + 2((-2)(-1) - 0(0))
A=1(1)1(2)+2(2)=12+4=3|A| = 1(1) - 1(2) + 2(2) = 1 - 2 + 4 = 3

Como A=30|A| = 3 \neq 0, la matriz AA es invertible, por lo que podemos multiplicar por A1A^{-1} por la izquierda:

X=A1(A2CB)X = A^{-1} (A^2 \cdot C - B)

Calculamos A2A^2:

A2=AA=(112201011)(112201011)=(12+01+022+122+0+02+014+010+2+00+0+101+1)=(111235210)A^2 = A \cdot A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 2 \\ -2 & 0 & 1 \\ 0 & -1 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 1 & 2 \\ -2 & 0 & 1 \\ 0 & -1 & -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1-2+0 & 1+0-2 & 2+1-2 \\ -2+0+0 & -2+0-1 & -4+0-1 \\ 0+2+0 & 0+0+1 & 0-1+1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 & -1 & 1 \\ -2 & -3 & -5 \\ 2 & 1 & 0 \end{pmatrix}

Calculamos A2CA^2 \cdot C:

A2C=(111235210)(121123)=(1+122+1+32+3+104+31521+041+0)=(22111613)A^2 \cdot C = \begin{pmatrix} -1 & -1 & 1 \\ -2 & -3 & -5 \\ 2 & 1 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ -1 & -1 \\ -2 & 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1+1-2 & -2+1+3 \\ -2+3+10 & -4+3-15 \\ 2-1+0 & 4-1+0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2 & 2 \\ 11 & -16 \\ 1 & 3 \end{pmatrix}

Calculamos A2CBA^2 \cdot C - B:

A2CB=(22111613)(213102)=(2(2)211131611032)=(0181711)A^2 \cdot C - B = \begin{pmatrix} -2 & 2 \\ 11 & -16 \\ 1 & 3 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} -2 & 1 \\ 3 & 1 \\ 0 & 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2-(-2) & 2-1 \\ 11-3 & -16-1 \\ 1-0 & 3-2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 8 & -17 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}

Calculamos la inversa de AA, A1=1AAdj(A)tA^{-1} = \frac{1}{|A|} \text{Adj}(A)^t:La matriz de cofactores es:

Cof(A) = \begin{pmatrix} \begin{vmatrix} 0 & 1 \\ -1 & -1 \end{pmatrix} & -\begin{vmatrix} -2 & 1 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} & \begin{vmatrix} -2 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} \\ -\begin{vmatrix} 1 & 2 \\ -1 & -1 \end{pmatrix} & \begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} & -\begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} \\ \begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} & -\begin{vmatrix} 1 & 2 \\ -2 & 1 \end{pmatrix} & \begin{vmatrix} 1 & 1 \\ -2 & 0 \end{pmatrix} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & -2 & 2 \\ -1 & -1 & 1 \\ 1 & -5 & 2 \end{pmatrix}

La adjunta es la traspuesta de la matriz de cofactores:

Adj(A)=(111215212)\text{Adj}(A) = \begin{pmatrix} 1 & -1 & 1 \\ -2 & -1 & -5 \\ 2 & 1 & 2 \end{pmatrix}
A1=13(111215212)A^{-1} = \frac{1}{3} \begin{pmatrix} 1 & -1 & 1 \\ -2 & -1 & -5 \\ 2 & 1 & 2 \end{pmatrix}

Finalmente, calculamos XX:

X=A1(A2CB)=13(111215212)(0181711)X = A^{-1} (A^2 \cdot C - B) = \frac{1}{3} \begin{pmatrix} 1 & -1 & 1 \\ -2 & -1 & -5 \\ 2 & 1 & 2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 8 & -17 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}
X=13((1)(0)+(1)(8)+(1)(1)(1)(1)+(1)(17)+(1)(1)(2)(0)+(1)(8)+(5)(1)(2)(1)+(1)(17)+(5)(1)(2)(0)+(1)(8)+(2)(1)(2)(1)+(1)(17)+(2)(1))X = \frac{1}{3} \begin{pmatrix} (1)(0)+(-1)(8)+(1)(1) & (1)(1)+(-1)(-17)+(1)(1) \\ (-2)(0)+(-1)(8)+(-5)(1) & (-2)(1)+(-1)(-17)+(-5)(1) \\ (2)(0)+(1)(8)+(2)(1) & (2)(1)+(1)(-17)+(2)(1) \end{pmatrix}
X=13(71913101013)=(7/319/313/310/310/313/3)X = \frac{1}{3} \begin{pmatrix} -7 & 19 \\ -13 & 10 \\ 10 & -13 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -7/3 & 19/3 \\ -13/3 & 10/3 \\ 10/3 & -13/3 \end{pmatrix}
b) Determine las dimensiones de dos matrices PP y QQ sabiendo que APt+C=C(QB)A \cdot P^t + C = C \cdot (Q \cdot B).

Dadas las dimensiones de las matrices:

A3×3,B3×2,C3×2A_{3 \times 3}, \quad B_{3 \times 2}, \quad C_{3 \times 2}

Sea PP una matriz de dimensión m×nm \times n. Entonces PtP^t tendrá dimensión n×mn \times m.Para que el producto APtA \cdot P^t sea posible, el número de columnas de AA debe ser igual al número de filas de PtP^t.

A3×3Pn×mt    n=3A_{3 \times 3} \cdot P^t_{n \times m} \implies n=3

La matriz resultante APtA \cdot P^t tendrá dimensión 3×m3 \times m.Para que la suma APt+CA \cdot P^t + C sea posible, APtA \cdot P^t y CC deben tener las mismas dimensiones.

(APt)3×m=C3×2    m=2(A \cdot P^t)_{3 \times m} = C_{3 \times 2} \implies m=2

Por lo tanto, PtP^t tiene dimensión 3×23 \times 2, lo que significa que PP tiene dimensión 2×32 \times 3.Ahora, consideremos el lado derecho de la ecuación: C(QB)C \cdot (Q \cdot B).Sea QQ una matriz de dimensión r×sr \times s.Para que el producto QBQ \cdot B sea posible, el número de columnas de QQ debe ser igual al número de filas de BB.

Qr×sB3×2    s=3Q_{r \times s} \cdot B_{3 \times 2} \implies s=3

La matriz resultante QBQ \cdot B tendrá dimensión r×2r \times 2.Para que el producto C(QB)C \cdot (Q \cdot B) sea posible, el número de columnas de CC debe ser igual al número de filas de QBQ \cdot B.

C3×2(QB)r×2    r=2C_{3 \times 2} \cdot (Q \cdot B)_{r \times 2} \implies r=2

La matriz resultante C(QB)C \cdot (Q \cdot B) tendrá dimensión 3×23 \times 2.Ambos lados de la ecuación tienen la misma dimensión (3×23 \times 2), lo cual es consistente.Resumiendo las dimensiones encontradas:

La matriz P tiene dimensioˊ2×3.\text{La matriz } P \text{ tiene dimensión } 2 \times 3.
La matriz Q tiene dimensioˊ2×3.\text{La matriz } Q \text{ tiene dimensión } 2 \times 3.