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

Se consideran las matrices

P=(101010111)J=(210020001)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 P1AP=JP^{-1} \cdot A \cdot P = J.b) Compruebe que A3=PJ3P1A^3 = P \cdot J^3 \cdot P^{-1}.
MatricesEcuación matricialDiagonalización
Resolución del ejercicio de Matrices
a) Halle la matriz AA que satisface la ecuación P1AP=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 P1P^{-1} por la derecha en ambos lados de la ecuación, obtenemos:

P(P1AP)P1=PJP1P \cdot (P^{-1} \cdot A \cdot P) \cdot P^{-1} = P \cdot J \cdot P^{-1}
(PP1)A(PP1)=PJP1(P \cdot P^{-1}) \cdot A \cdot (P \cdot P^{-1}) = P \cdot J \cdot P^{-1}
IAI=PJP1I \cdot A \cdot I = P \cdot J \cdot P^{-1}
A=PJP1A = P \cdot J \cdot P^{-1}

Primero, calculamos la inversa de la matriz PP, P1P^{-1}.

P=(101010111)P = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & -1 & -1 \end{pmatrix}

Calculamos el determinante de PP:

det(P)=1det(1011)0det(0011)+1det(0111)\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)11)\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)=11=2\det(P) = 1 \cdot (-1) + 1 \cdot (-1) = -1 - 1 = -2

Calculamos la matriz de cofactores de PP:

C11=det(1011)=1C_{11} = \det\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ -1 & -1 \end{pmatrix} = -1
C12=det(0011)=0C_{12} = -\det\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} = 0
C13=det(0111)=1C_{13} = \det\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} = -1
C21=det(0111)=(0(1))=1C_{21} = -\det\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & -1 \end{pmatrix} = -(0 - (-1)) = -1
C22=det(1111)=11=2C_{22} = \det\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} = -1 - 1 = -2
C23=det(1011)=(10)=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=(101121101)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=(111020111)\text{adj}(P) = C^T = \begin{pmatrix} -1 & -1 & -1 \\ 0 & -2 & 0 \\ -1 & 1 & 1 \end{pmatrix}

Finalmente, la inversa de PP es:

P1=1det(P)adj(P)=12(111020111)=(1/21/21/20101/21/21/2)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=PJP1A = P \cdot J \cdot P^{-1}.Primero, calculamos el producto PJP \cdot J:

PJ=(101010111)(210020001)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}
PJ=((12+00+10)(11+02+10)(10+00+1(1))(02+10+00)(01+12+00)(00+10+0(1))(12+(1)0+(1)0)(11+(1)2+(1)0)(10+(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}
PJ=(211020211)P \cdot J = \begin{pmatrix} 2 & 1 & -1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 2 & -1 & 1 \end{pmatrix}

Finalmente, calculamos A=(PJ)P1A = (P \cdot J) \cdot P^{-1}:

A=(211020211)(1/21/21/20101/21/21/2)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=((21/2+1011/2)(21/2+111(1/2))(21/2+101(1/2))(01/2+20+01/2)(01/2+21+0(1/2))(01/2+20+0(1/2))(21/210+11/2)(21/211+1(1/2))(21/210+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=(11/21+1+1/21+1/20201+1/2111/211/2)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=(1/25/23/20203/21/21/2)A = \begin{pmatrix} 1/2 & 5/2 & 3/2 \\ 0 & 2 & 0 \\ 3/2 & -1/2 & 1/2 \end{pmatrix}
b) Compruebe que A3=PJ3P1A^3 = P \cdot J^3 \cdot P^{-1}.

Sabemos del apartado anterior que A=PJP1A = P \cdot J \cdot P^{-1}. Podemos calcular A2A^2 y A3A^3 usando esta relación.

A2=AA=(PJP1)(PJP1)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 P1P=IP^{-1} \cdot P = I (matriz identidad):

A2=PJ(P1P)JP1A^2 = P \cdot J \cdot (P^{-1} \cdot P) \cdot J \cdot P^{-1}
A2=PJIJP1A^2 = P \cdot J \cdot I \cdot J \cdot P^{-1}
A2=PJ2P1A^2 = P \cdot J^2 \cdot P^{-1}

Ahora, calculamos A3A^3:

A3=A2A=(PJ2P1)(PJP1)A^3 = A^2 \cdot A = (P \cdot J^2 \cdot P^{-1}) \cdot (P \cdot J \cdot P^{-1})
A3=PJ2(P1P)JP1A^3 = P \cdot J^2 \cdot (P^{-1} \cdot P) \cdot J \cdot P^{-1}
A3=PJ2IJP1A^3 = P \cdot J^2 \cdot I \cdot J \cdot P^{-1}
A3=PJ3P1A^3 = P \cdot J^3 \cdot P^{-1}

De este modo, queda comprobado que A3=PJ3P1A^3 = P \cdot J^3 \cdot P^{-1}.