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Inversa de una matriz
Problema
2022 · Extraordinaria · Suplente
2
Examen

Se consideran las matrices A=(a208a000a)A = \begin{pmatrix} a & 2 & 0 \\ 8 & a & 0 \\ 0 & 0 & a \end{pmatrix} y B=(1210)B = \begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ 10 \end{pmatrix}, donde aa es un número real.

a) Determine los valores de aa para que la matriz AA sea no invertible.b) Para a=5a = 5, calcule la inversa de la matriz AA.c) Para a=5a = 5, resuelva la ecuación matricial AX=BA \cdot X = B.
Matriz invertibleEcuación matricialDeterminante
a) Determine los valores de aa para que la matriz AA sea no invertible.

Una matriz es no invertible (o singular) si su determinante es igual a cero. Calculamos el determinante de la matriz AA:

det(A)=a208a000a\det(A) = \begin{vmatrix} a & 2 & 0 \\ 8 & a & 0 \\ 0 & 0 & a \end{vmatrix}
det(A)=aa00a2800a+08a00\det(A) = a \cdot \begin{vmatrix} a & 0 \\ 0 & a \end{vmatrix} - 2 \cdot \begin{vmatrix} 8 & 0 \\ 0 & a \end{vmatrix} + 0 \cdot \begin{vmatrix} 8 & a \\ 0 & 0 \end{vmatrix}
det(A)=a(aa00)2(8a00)+0\det(A) = a(a \cdot a - 0 \cdot 0) - 2(8 \cdot a - 0 \cdot 0) + 0
\det(A) = a(a^2) - 2(8a) = a^3 - 16a

Ahora, igualamos el determinante a cero para encontrar los valores de aa:

a316a=0a^3 - 16a = 0
a(a216)=0a(a^2 - 16) = 0
a(a4)(a+4)=0a(a - 4)(a + 4) = 0

Los valores de aa para los cuales la matriz AA no es invertible son a=0a = 0, a=4a = 4 y a=4a = -4.

b) Para a=5a = 5, calcule la inversa de la matriz AA.

Para a=5a = 5, la matriz AA es:

A=(520850005)A = \begin{pmatrix} 5 & 2 & 0 \\ 8 & 5 & 0 \\ 0 & 0 & 5 \end{pmatrix}

El determinante para a=5a=5 es:

det(A)=5316(5)=12580=45\det(A) = 5^3 - 16(5) = 125 - 80 = 45

Calculamos la matriz de cofactores CC:

C11=5005=25C12=8005=40C13=8500=0C_{11} = \begin{vmatrix} 5 & 0 \\ 0 & 5 \end{vmatrix} = 25 \quad C_{12} = -\begin{vmatrix} 8 & 0 \\ 0 & 5 \end{vmatrix} = -40 \quad C_{13} = \begin{vmatrix} 8 & 5 \\ 0 & 0 \end{vmatrix} = 0
C21=2005=10C22=5005=25C23=5200=0C_{21} = -\begin{vmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 5 \end{vmatrix} = -10 \quad C_{22} = \begin{vmatrix} 5 & 0 \\ 0 & 5 \end{vmatrix} = 25 \quad C_{23} = -\begin{vmatrix} 5 & 2 \\ 0 & 0 \end{vmatrix} = 0
C31=2050=0C32=5080=0C33=5285=2516=9C_{31} = \begin{vmatrix} 2 & 0 \\ 5 & 0 \end{vmatrix} = 0 \quad C_{32} = -\begin{vmatrix} 5 & 0 \\ 8 & 0 \end{vmatrix} = 0 \quad C_{33} = \begin{vmatrix} 5 & 2 \\ 8 & 5 \end{vmatrix} = 25 - 16 = 9

La matriz de cofactores es:

C=(2540010250009)C = \begin{pmatrix} 25 & -40 & 0 \\ -10 & 25 & 0 \\ 0 & 0 & 9 \end{pmatrix}

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

adj(A)=CT=(2510040250009)\text{adj}(A) = C^T = \begin{pmatrix} 25 & -10 & 0 \\ -40 & 25 & 0 \\ 0 & 0 & 9 \end{pmatrix}

Finalmente, la matriz inversa A1A^{-1} se calcula como 1det(A)adj(A)\frac{1}{\det(A)} \cdot \text{adj}(A):

A1=145(2510040250009)A^{-1} = \frac{1}{45} \begin{pmatrix} 25 & -10 & 0 \\ -40 & 25 & 0 \\ 0 & 0 & 9 \end{pmatrix}
A1=(25/4510/450/4540/4525/450/450/450/459/45)=(5/92/908/95/90001/5)A^{-1} = \begin{pmatrix} 25/45 & -10/45 & 0/45 \\ -40/45 & 25/45 & 0/45 \\ 0/45 & 0/45 & 9/45 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 5/9 & -2/9 & 0 \\ -8/9 & 5/9 & 0 \\ 0 & 0 & 1/5 \end{pmatrix}
c) Para a=5a = 5, resuelva la ecuación matricial AX=BA \cdot X = B.

Para resolver la ecuación AX=BA \cdot X = B, podemos multiplicar por la izquierda por la matriz inversa A1A^{-1} (calculada en el apartado anterior, ya que a=5a=5):

A1AX=A1BA^{-1} \cdot A \cdot X = A^{-1} \cdot B
IX=A1BI \cdot X = A^{-1} \cdot B
X=A1BX = A^{-1} \cdot B

Sustituimos A1A^{-1} y BB:

X=(5/92/908/95/90001/5)(1210)X = \begin{pmatrix} 5/9 & -2/9 & 0 \\ -8/9 & 5/9 & 0 \\ 0 & 0 & 1/5 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ 10 \end{pmatrix}
X=((5/9)(1)+(2/9)(2)+(0)(10)(8/9)(1)+(5/9)(2)+(0)(10)(0)(1)+(0)(2)+(1/5)(10))X = \begin{pmatrix} (5/9)(1) + (-2/9)(-2) + (0)(10) \\ (-8/9)(1) + (5/9)(-2) + (0)(10) \\ (0)(1) + (0)(-2) + (1/5)(10) \end{pmatrix}
X=(5/9+4/9+08/910/9+00+0+10/5)X = \begin{pmatrix} 5/9 + 4/9 + 0 \\ -8/9 - 10/9 + 0 \\ 0 + 0 + 10/5 \end{pmatrix}
X=(9/918/92)=(122)X = \begin{pmatrix} 9/9 \\ -18/9 \\ 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ 2 \end{pmatrix}