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Operaciones con matrices, matriz inversa y ecuaciones matriciales
Problema
2024 · Ordinaria · Titular
1
Examen
BLOQUE A

Se consideran las matrices

A=(112a3a1102a)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & -2 \\ a - 3 & a - 1 & 1 \\ 0 & 2 & a \end{pmatrix}

\quad B = (-1 \quad 3 \quad 2) \quad C = (-2 \quad 1 \quad 4),siendo, siendo a$ un número real.

a) Obtenga los valores de aa para los que la matriz AA tenga inversa.b) Para a=1a = 1, resuelva la ecuación XAB=CAX \cdot A - B = C \cdot A.c) Determine razonadamente la dimensión de la matriz DD que permita realizar la operación BA+DCtBB \cdot A + D \cdot C^t \cdot B.
MatricesMatriz inversaEcuación matricial+1
a) Obtenga los valores de aa para los que la matriz AA tenga inversa.

La matriz AA tiene inversa si y solo si su determinante es distinto de cero. Calculamos el determinante de AA:

A=(112a3a1102a)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & -2 \\ a - 3 & a - 1 & 1 \\ 0 & 2 & a \end{pmatrix}
det(A)=1a112a1a310a+(2)a3a102\det(A) = 1 \cdot \begin{vmatrix} a-1 & 1 \\ 2 & a \end{vmatrix} - 1 \cdot \begin{vmatrix} a-3 & 1 \\ 0 & a \end{vmatrix} + (-2) \cdot \begin{vmatrix} a-3 & a-1 \\ 0 & 2 \end{vmatrix}
det(A)=1((a1)a12)1((a3)a10)2(2(a3)(a1)0)\det(A) = 1 \cdot ((a-1)a - 1 \cdot 2) - 1 \cdot ((a-3)a - 1 \cdot 0) - 2 \cdot (2(a-3) - (a-1) \cdot 0)
\det(A) = (a^2 - a - 2) - (a^2 - 3a) - 2(2a - 6)
det(A)=a2a2a2+3a4a+12\det(A) = a^2 - a - 2 - a^2 + 3a - 4a + 12
\det(A) = (a^2 - a^2) + (-a + 3a - 4a) + (-2 + 12)
det(A)=2a+10\det(A) = -2a + 10

Para que la matriz AA tenga inversa, su determinante debe ser distinto de cero:

2a+100-2a + 10 \neq 0
2a10-2a \neq -10
a5a \neq 5

Por lo tanto, la matriz AA tiene inversa para todos los valores de aRa \in \mathbb{R} excepto para a=5a=5.

b) Para a=1a = 1, resuelva la ecuación XAB=CAX \cdot A - B = C \cdot A.

Sustituimos a=1a=1 en la matriz AA:

A=(11213111021)=(112201021)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & -2 \\ 1 - 3 & 1 - 1 & 1 \\ 0 & 2 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 1 & -2 \\ -2 & 0 & 1 \\ 0 & 2 & 1 \end{pmatrix}

Dado que a=15a=1 \neq 5, la matriz AA tiene inversa. Reordenamos la ecuación para despejar XX:

XAB=CAX \cdot A - B = C \cdot A
XA=CA+BX \cdot A = C \cdot A + B

Multiplicamos por la derecha por A1A^{-1}:

XAA1=(CA+B)A1X \cdot A \cdot A^{-1} = (C \cdot A + B) \cdot A^{-1}
X=CAA1+BA1X = C \cdot A \cdot A^{-1} + B \cdot A^{-1}
X=C+BA1X = C + B \cdot A^{-1}

Calculamos A1A^{-1} para a=1a=1. El determinante de AA para a=1a=1 es:

det(A)=2(1)+10=8\det(A) = -2(1) + 10 = 8

Calculamos la matriz de cofactores de AA:

Cof(A)11=0121=2Cof(A)12=2101=2Cof(A)13=2002=4\text{Cof}(A)_{11} = \begin{vmatrix} 0 & 1 \\ 2 & 1 \end{vmatrix} = -2 \qquad \text{Cof}(A)_{12} = -\begin{vmatrix} -2 & 1 \\ 0 & 1 \end{vmatrix} = 2 \qquad \text{Cof}(A)_{13} = \begin{vmatrix} -2 & 0 \\ 0 & 2 \end{vmatrix} = -4
Cof(A)21=1221=(1(4))=5Cof(A)22=1201=1Cof(A)23=1102=(20)=2\text{Cof}(A)_{21} = -\begin{vmatrix} 1 & -2 \\ 2 & 1 \end{vmatrix} = -(1 - (-4)) = -5 \qquad \text{Cof}(A)_{22} = \begin{vmatrix} 1 & -2 \\ 0 & 1 \end{vmatrix} = 1 \qquad \text{Cof}(A)_{23} = -\begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 2 \end{vmatrix} = -(2 - 0) = -2
Cof(A)31=1201=1Cof(A)32=1221=(14)=3Cof(A)33=1120=0(2)=2\text{Cof}(A)_{31} = \begin{vmatrix} 1 & -2 \\ 0 & 1 \end{vmatrix} = 1 \qquad \text{Cof}(A)_{32} = -\begin{vmatrix} 1 & -2 \\ -2 & 1 \end{vmatrix} = -(1 - 4) = 3 \qquad \text{Cof}(A)_{33} = \begin{vmatrix} 1 & 1 \\ -2 & 0 \end{vmatrix} = 0 - (-2) = 2
Cof(A)=(224512132)\text{Cof}(A) = \begin{pmatrix} -2 & 2 & -4 \\ -5 & 1 & -2 \\ 1 & 3 & 2 \end{pmatrix}

La matriz adjunta (transpuesta de la matriz de cofactores) es:

Adj(A)=Cof(A)t=(251213422)\text{Adj}(A) = \text{Cof}(A)^t = \begin{pmatrix} -2 & -5 & 1 \\ 2 & 1 & 3 \\ -4 & -2 & 2 \end{pmatrix}

La inversa de AA es:

A1=1det(A)Adj(A)=18(251213422)A^{-1} = \frac{1}{\det(A)} \text{Adj}(A) = \frac{1}{8} \begin{pmatrix} -2 & -5 & 1 \\ 2 & 1 & 3 \\ -4 & -2 & 2 \end{pmatrix}

Ahora calculamos BA1B \cdot A^{-1}:

BA1=(132)18(251213422)B \cdot A^{-1} = (-1 \quad 3 \quad 2) \cdot \frac{1}{8} \begin{pmatrix} -2 & -5 & 1 \\ 2 & 1 & 3 \\ -4 & -2 & 2 \end{pmatrix}
BA1=18((1)(2)+3(2)+2(4)(1)(5)+3(1)+2(2)(1)(1)+3(3)+2(2))B \cdot A^{-1} = \frac{1}{8} \left( (-1)(-2) + 3(2) + 2(-4) \quad (-1)(-5) + 3(1) + 2(-2) \quad (-1)(1) + 3(3) + 2(2) \right)
BA1=18((2+68)(5+34)(1+9+4))B \cdot A^{-1} = \frac{1}{8} \left( (2+6-8) \quad (5+3-4) \quad (-1+9+4) \right)
BA1=18(0412)=(048128)=(01232)B \cdot A^{-1} = \frac{1}{8} \left( 0 \quad 4 \quad 12 \right) = (0 \quad \frac{4}{8} \quad \frac{12}{8}) = (0 \quad \frac{1}{2} \quad \frac{3}{2})

Finalmente, calculamos X=C+BA1X = C + B \cdot A^{-1}:

X=(214)+(01232)X = (-2 \quad 1 \quad 4) + (0 \quad \frac{1}{2} \quad \frac{3}{2})
X=(2+01+124+32)X = \left(-2+0 \quad 1+\frac{1}{2} \quad 4+\frac{3}{2}\right)
X=(22+128+32)X = \left(-2 \quad \frac{2+1}{2} \quad \frac{8+3}{2}\right)
X=(232112)X = \left(-2 \quad \frac{3}{2} \quad \frac{11}{2}\right)
c) Determine razonadamente la dimensión de la matriz DD que permita realizar la operación BA+DCtBB \cdot A + D \cdot C^t \cdot B.

Analizamos las dimensiones de las matrices dadas:

A es de dimensioˊ3×3A \text{ es de dimensión } 3 \times 3
B es de dimensioˊ1×3B \text{ es de dimensión } 1 \times 3
C es de dimensioˊ1×3C \text{ es de dimensión } 1 \times 3

Para que la operación BA+DCtBB \cdot A + D \cdot C^t \cdot B sea posible, debemos seguir las reglas de multiplicación y suma de matrices.1. Dimensión de BAB \cdot A:

dim(B)=1×3\text{dim}(B) = 1 \times 3
dim(A)=3×3\text{dim}(A) = 3 \times 3

El producto BAB \cdot A es posible y su dimensión es 1×31 \times 3.

dim(BA)=1×3\text{dim}(B \cdot A) = 1 \times 3

2. Dimensión de CtC^t:

dim(C)=1×3    dim(Ct)=3×1\text{dim}(C) = 1 \times 3 \implies \text{dim}(C^t) = 3 \times 1

3. Dimensión de CtBC^t \cdot B:

dim(Ct)=3×1\text{dim}(C^t) = 3 \times 1
dim(B)=1×3\text{dim}(B) = 1 \times 3

El producto CtBC^t \cdot B es posible y su dimensión es 3×33 \times 3.

dim(CtB)=3×3\text{dim}(C^t \cdot B) = 3 \times 3

4. Dimensión de DCtBD \cdot C^t \cdot B: Sea DD una matriz de dimensión m×nm \times n. Para que el producto D(CtB)D \cdot (C^t \cdot B) sea posible, el número de columnas de DD debe ser igual al número de filas de (CtB)(C^t \cdot B).

n=3n = 3

Así, la matriz DD tiene dimensión m×3m \times 3. El resultado del producto DCtBD \cdot C^t \cdot B tendrá dimensión m×3m \times 3.

dim(DCtB)=m×3\text{dim}(D \cdot C^t \cdot B) = m \times 3

5. Dimensión de la suma BA+DCtBB \cdot A + D \cdot C^t \cdot B: Para que la suma de dos matrices sea posible, ambas deben tener la misma dimensión. Hemos determinado que:

dim(BA)=1×3\text{dim}(B \cdot A) = 1 \times 3
dim(DCtB)=m×3\text{dim}(D \cdot C^t \cdot B) = m \times 3

Por lo tanto, para que la suma sea posible, mm debe ser igual a 11.

m=1m = 1

Concluimos que la dimensión de la matriz DD debe ser 1×31 \times 3.