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Operaciones con matrices y ecuaciones matriciales
Problema
2024 · Ordinaria · Suplente
1
Examen

Se consideran las matrices

P=(1010101−1−1)J=(21002000−1)P = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & -1 & -1 \end{pmatrix} \quad J = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & -1 \end{pmatrix}
a) Halle la matriz AA que satisface la ecuación P−1⋅A⋅P=JP^{-1} \cdot A \cdot P = J.b) Compruebe que A3=P⋅J3⋅P−1A^3 = P \cdot J^3 \cdot P^{-1}.
MatricesEcuación matricialDiagonalización
Resolución del ejercicio de Matrices
a) Halle la matriz AA que satisface la ecuación P−1⋅A⋅P=JP^{-1} \cdot A \cdot P = J.

Para hallar la matriz AA, debemos despejarla de la ecuación dada. Multiplicando por PP por la izquierda y por P−1P^{-1} por la derecha en ambos lados de la ecuación, obtenemos:

P⋅(P−1⋅A⋅P)⋅P−1=P⋅J⋅P−1P \cdot (P^{-1} \cdot A \cdot P) \cdot P^{-1} = P \cdot J \cdot P^{-1}
(P⋅P−1)⋅A⋅(P⋅P−1)=P⋅J⋅P−1(P \cdot P^{-1}) \cdot A \cdot (P \cdot P^{-1}) = P \cdot J \cdot P^{-1}
I⋅A⋅I=P⋅J⋅P−1I \cdot A \cdot I = P \cdot J \cdot P^{-1}
A=P⋅J⋅P−1A = P \cdot J \cdot P^{-1}

Primero, calculamos la inversa de la matriz PP, P−1P^{-1}.

P=(1010101−1−1)P = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & -1 & -1 \end{pmatrix}

Calculamos el determinante de PP:

det⁡(P)=1⋅det⁡(10−1−1)−0⋅det⁡(001−1)+1⋅det⁡(011−1)\det(P) = 1 \cdot \det\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ -1 & -1 \end{pmatrix} - 0 \cdot \det\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} + 1 \cdot \det\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix}
det⁡(P)=1⋅(1⋅(−1)−0⋅(−1))−0+1⋅(0⋅(−1)−1⋅1)\det(P) = 1 \cdot (1 \cdot (-1) - 0 \cdot (-1)) - 0 + 1 \cdot (0 \cdot (-1) - 1 \cdot 1)
det⁡(P)=1⋅(−1)+1⋅(−1)=−1−1=−2\det(P) = 1 \cdot (-1) + 1 \cdot (-1) = -1 - 1 = -2

Calculamos la matriz de cofactores de PP:

C11=det⁡(10−1−1)=−1C_{11} = \det\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ -1 & -1 \end{pmatrix} = -1
C12=−det⁡(001−1)=0C_{12} = -\det\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} = 0
C13=det⁡(011−1)=−1C_{13} = \det\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} = -1
C21=−det⁡(01−1−1)=−(0−(−1))=−1C_{21} = -\det\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & -1 \end{pmatrix} = -(0 - (-1)) = -1
C22=det⁡(111−1)=−1−1=−2C_{22} = \det\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} = -1 - 1 = -2
C23=−det⁡(101−1)=−(−1−0)=1C_{23} = -\det\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} = -(-1 - 0) = 1
C31=det⁡(0110)=−1C_{31} = \det\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} = -1
C32=−det⁡(1100)=0C_{32} = -\det\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} = 0
C33=det⁡(1001)=1C_{33} = \det\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} = 1

La matriz de cofactores es:

C=(−10−1−1−21−101)C = \begin{pmatrix} -1 & 0 & -1 \\ -1 & -2 & 1 \\ -1 & 0 & 1 \end{pmatrix}

La matriz adjunta de PP es la traspuesta de la matriz de cofactores:

adj(P)=CT=(−1−1−10−20−111)\text{adj}(P) = C^T = \begin{pmatrix} -1 & -1 & -1 \\ 0 & -2 & 0 \\ -1 & 1 & 1 \end{pmatrix}

Finalmente, la inversa de PP es:

P−1=1det⁡(P)adj(P)=1−2(−1−1−10−20−111)=(1/21/21/20101/2−1/2−1/2)P^{-1} = \frac{1}{\det(P)} \text{adj}(P) = \frac{1}{-2} \begin{pmatrix} -1 & -1 & -1 \\ 0 & -2 & 0 \\ -1 & 1 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1/2 & 1/2 & 1/2 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1/2 & -1/2 & -1/2 \end{pmatrix}

Ahora, calculamos A=P⋅J⋅P−1A = P \cdot J \cdot P^{-1}.Primero, calculamos el producto P⋅JP \cdot J:

P⋅J=(1010101−1−1)(21002000−1)P \cdot J = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & -1 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & -1 \end{pmatrix}
P⋅J=((1⋅2+0⋅0+1⋅0)(1⋅1+0⋅2+1⋅0)(1⋅0+0⋅0+1⋅(−1))(0⋅2+1⋅0+0⋅0)(0⋅1+1⋅2+0⋅0)(0⋅0+1⋅0+0⋅(−1))(1⋅2+(−1)⋅0+(−1)⋅0)(1⋅1+(−1)⋅2+(−1)⋅0)(1⋅0+(−1)⋅0+(−1)⋅(−1)))P \cdot J = \begin{pmatrix} (1\cdot 2 + 0\cdot 0 + 1\cdot 0) & (1\cdot 1 + 0\cdot 2 + 1\cdot 0) & (1\cdot 0 + 0\cdot 0 + 1\cdot (-1)) \\ (0\cdot 2 + 1\cdot 0 + 0\cdot 0) & (0\cdot 1 + 1\cdot 2 + 0\cdot 0) & (0\cdot 0 + 1\cdot 0 + 0\cdot (-1)) \\ (1\cdot 2 + (-1)\cdot 0 + (-1)\cdot 0) & (1\cdot 1 + (-1)\cdot 2 + (-1)\cdot 0) & (1\cdot 0 + (-1)\cdot 0 + (-1)\cdot (-1)) \end{pmatrix}
P⋅J=(21−10202−11)P \cdot J = \begin{pmatrix} 2 & 1 & -1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 2 & -1 & 1 \end{pmatrix}

Finalmente, calculamos A=(P⋅J)⋅P−1A = (P \cdot J) \cdot P^{-1}:

A=(21−10202−11)(1/21/21/20101/2−1/2−1/2)A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & -1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 2 & -1 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1/2 & 1/2 & 1/2 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1/2 & -1/2 & -1/2 \end{pmatrix}
A=((2⋅1/2+1⋅0−1⋅1/2)(2⋅1/2+1⋅1−1⋅(−1/2))(2⋅1/2+1⋅0−1⋅(−1/2))(0⋅1/2+2⋅0+0⋅1/2)(0⋅1/2+2⋅1+0⋅(−1/2))(0⋅1/2+2⋅0+0⋅(−1/2))(2⋅1/2−1⋅0+1⋅1/2)(2⋅1/2−1⋅1+1⋅(−1/2))(2⋅1/2−1⋅0+1⋅(−1/2)))A = \begin{pmatrix} (2\cdot 1/2 + 1\cdot 0 - 1\cdot 1/2) & (2\cdot 1/2 + 1\cdot 1 - 1\cdot (-1/2)) & (2\cdot 1/2 + 1\cdot 0 - 1\cdot (-1/2)) \\ (0\cdot 1/2 + 2\cdot 0 + 0\cdot 1/2) & (0\cdot 1/2 + 2\cdot 1 + 0\cdot (-1/2)) & (0\cdot 1/2 + 2\cdot 0 + 0\cdot (-1/2)) \\ (2\cdot 1/2 - 1\cdot 0 + 1\cdot 1/2) & (2\cdot 1/2 - 1\cdot 1 + 1\cdot (-1/2)) & (2\cdot 1/2 - 1\cdot 0 + 1\cdot (-1/2)) \end{pmatrix}
A=(1−1/21+1+1/21+1/20201+1/21−1−1/21−1/2)A = \begin{pmatrix} 1 - 1/2 & 1 + 1 + 1/2 & 1 + 1/2 \\ 0 & 2 & 0 \\ 1 + 1/2 & 1 - 1 - 1/2 & 1 - 1/2 \end{pmatrix}
A=(1/25/23/20203/2−1/21/2)A = \begin{pmatrix} 1/2 & 5/2 & 3/2 \\ 0 & 2 & 0 \\ 3/2 & -1/2 & 1/2 \end{pmatrix}
b) Compruebe que A3=P⋅J3⋅P−1A^3 = P \cdot J^3 \cdot P^{-1}.

Sabemos del apartado anterior que A=P⋅J⋅P−1A = P \cdot J \cdot P^{-1}. Podemos calcular A2A^2 y A3A^3 usando esta relación.

A2=A⋅A=(P⋅J⋅P−1)⋅(P⋅J⋅P−1)A^2 = A \cdot A = (P \cdot J \cdot P^{-1}) \cdot (P \cdot J \cdot P^{-1})

Dado que la multiplicación de matrices es asociativa y P−1⋅P=IP^{-1} \cdot P = I (matriz identidad):

A2=P⋅J⋅(P−1⋅P)⋅J⋅P−1A^2 = P \cdot J \cdot (P^{-1} \cdot P) \cdot J \cdot P^{-1}
A2=P⋅J⋅I⋅J⋅P−1A^2 = P \cdot J \cdot I \cdot J \cdot P^{-1}
A2=P⋅J2⋅P−1A^2 = P \cdot J^2 \cdot P^{-1}

Ahora, calculamos A3A^3:

A3=A2⋅A=(P⋅J2⋅P−1)⋅(P⋅J⋅P−1)A^3 = A^2 \cdot A = (P \cdot J^2 \cdot P^{-1}) \cdot (P \cdot J \cdot P^{-1})
A3=P⋅J2⋅(P−1⋅P)⋅J⋅P−1A^3 = P \cdot J^2 \cdot (P^{-1} \cdot P) \cdot J \cdot P^{-1}
A3=P⋅J2⋅I⋅J⋅P−1A^3 = P \cdot J^2 \cdot I \cdot J \cdot P^{-1}
A3=P⋅J3⋅P−1A^3 = P \cdot J^3 \cdot P^{-1}

De este modo, queda comprobado que A3=P⋅J3⋅P−1A^3 = P \cdot J^3 \cdot P^{-1}.