a) Calcula A 37 A^{37} A 37 y A 41 A^{41} A 41 . La matriz A A A es una matriz de rotación de la forma R(\theta) = egin{pmatrix} \cos\theta & -\sin\theta \ \sin\theta & \cos\theta \end{pmatrix} . Comparando A A A con la matriz de rotación, obtenemos:
{ cos θ = − 1 2 sin θ = 3 2 \begin{cases} \cos\theta = -\frac{1}{2} \\ \sin\theta = \frac{\sqrt{3}}{2} \end{cases} { cos θ = − 2 1 sin θ = 2 3 Estas condiciones corresponden a un ángulo de θ = 2 π 3 \theta = \frac{2\pi}{3} θ = 3 2 π radianes (o 120 ∘ 120^\circ 12 0 ∘ ). Por lo tanto, A = R ( 2 π 3 ) A = R\left(\frac{2\pi}{3}\right) A = R ( 3 2 π ) . Para una matriz de rotación, R ( θ ) n = R ( n θ ) R(\theta)^n = R(n\theta) R ( θ ) n = R ( n θ ) . Esto implica que A n = R ( n 2 π 3 ) A^n = R\left(n\frac{2\pi}{3}\right) A n = R ( n 3 2 π ) . También podemos observar la periodicidad de A A A . Como 2 π 3 \frac{2\pi}{3} 3 2 π es un tercio de 2 π 2\pi 2 π , la matriz A A A tiene un periodo de 3, es decir, A 3 = I A^3 = I A 3 = I (la matriz identidad). Cálculo de A 37 A^{37} A 37 :
37 ( m o d 3 ) = 1 37 \pmod 3 = 1 37 ( mod 3 ) = 1 Por lo tanto, A 37 = A 1 = A A^{37} = A^1 = A A 37 = A 1 = A .
A 37 = ( − 1 2 − 3 2 3 2 − 1 2 ) A^{37} = \begin{pmatrix} -\frac{1}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \\ \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{1}{2} \end{pmatrix} A 37 = ( − 2 1 2 3 − 2 3 − 2 1 ) Cálculo de A 41 A^{41} A 41 :
41 ( m o d 3 ) = 2 41 \pmod 3 = 2 41 ( mod 3 ) = 2 Por lo tanto, A 41 = A 2 A^{41} = A^2 A 41 = A 2 . Calculamos A 2 A^2 A 2 :
A 2 = A ⋅ A = ( − 1 2 − 3 2 3 2 − 1 2 ) ( − 1 2 − 3 2 3 2 − 1 2 ) A^2 = A \cdot A = \begin{pmatrix} -\frac{1}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \\ \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{1}{2} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} -\frac{1}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \\ \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{1}{2} \end{pmatrix} A 2 = A ⋅ A = ( − 2 1 2 3 − 2 3 − 2 1 ) ( − 2 1 2 3 − 2 3 − 2 1 ) A 2 = ( ( − 1 2 ) ( − 1 2 ) + ( − 3 2 ) ( 3 2 ) ( − 1 2 ) ( − 3 2 ) + ( − 3 2 ) ( − 1 2 ) ( 3 2 ) ( − 1 2 ) + ( − 1 2 ) ( 3 2 ) ( 3 2 ) ( − 3 2 ) + ( − 1 2 ) ( − 1 2 ) ) A^2 = \begin{pmatrix} \left(-\frac{1}{2}\right)\left(-\frac{1}{2}\right) + \left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) & \left(-\frac{1}{2}\right)\left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right) + \left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\left(-\frac{1}{2}\right) \\ \left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\left(-\frac{1}{2}\right) + \left(-\frac{1}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) & \left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right) + \left(-\frac{1}{2}\right)\left(-\frac{1}{2}\right) \end{pmatrix} A 2 = ( − 2 1 ) ( − 2 1 ) + ( − 2 3 ) ( 2 3 ) ( 2 3 ) ( − 2 1 ) + ( − 2 1 ) ( 2 3 ) ( − 2 1 ) ( − 2 3 ) + ( − 2 3 ) ( − 2 1 ) ( 2 3 ) ( − 2 3 ) + ( − 2 1 ) ( − 2 1 ) A 2 = ( 1 4 − 3 4 3 4 + 3 4 − 3 4 − 3 4 − 3 4 + 1 4 ) = ( − 2 4 2 3 4 − 2 3 4 − 2 4 ) A^2 = \begin{pmatrix} \frac{1}{4} - \frac{3}{4} & \frac{\sqrt{3}}{4} + \frac{\sqrt{3}}{4} \\ -\frac{\sqrt{3}}{4} - \frac{\sqrt{3}}{4} & -\frac{3}{4} + \frac{1}{4} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -\frac{2}{4} & \frac{2\sqrt{3}}{4} \\ -\frac{2\sqrt{3}}{4} & -\frac{2}{4} \end{pmatrix} A 2 = ( 4 1 − 4 3 − 4 3 − 4 3 4 3 + 4 3 − 4 3 + 4 1 ) = ( − 4 2 − 4 2 3 4 2 3 − 4 2 ) A 41 = ( − 1 2 3 2 − 3 2 − 1 2 ) A^{41} = \begin{pmatrix} -\frac{1}{2} & \frac{\sqrt{3}}{2} \\ -\frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{1}{2} \end{pmatrix} A 41 = ( − 2 1 − 2 3 2 3 − 2 1 ) b) Halla el determinante de la matriz 3 A 52 ( A t ) 4 3A^{52}(A^t)^4 3 A 52 ( A t ) 4 , donde A t A^t A t es la matriz traspuesta de A A A . Para calcular el determinante det ( 3 A 52 ( A t ) 4 ) \det(3A^{52}(A^t)^4) det ( 3 A 52 ( A t ) 4 ) , utilizaremos las siguientes propiedades de los determinantes para una matriz M M M de n × n n \times n n × n y un escalar k k k :
• det ( k M ) = k n det ( M ) \det(kM) = k^n \det(M) det ( k M ) = k n det ( M )
• det ( M N ) = det ( M ) det ( N ) \det(MN) = \det(M)\det(N) det ( M N ) = det ( M ) det ( N )
• det ( M p ) = ( det ( M ) ) p \det(M^p) = (\det(M))^p det ( M p ) = ( det ( M ) ) p
• det ( M t ) = det ( M ) \det(M^t) = \det(M) det ( M t ) = det ( M )
Dado que A A A es una matriz de 2 × 2 2 \times 2 2 × 2 , n = 2 n=2 n = 2 . Aplicando las propiedades:
det ( 3 A 52 ( A t ) 4 ) = 3 2 det ( A 52 ) det ( ( A t ) 4 ) \det(3A^{52}(A^t)^4) = 3^2 \det(A^{52}) \det((A^t)^4) det ( 3 A 52 ( A t ) 4 ) = 3 2 det ( A 52 ) det (( A t ) 4 ) det ( 3 A 52 ( A t ) 4 ) = 9 ( det ( A ) ) 52 ( det ( A t ) ) 4 \det(3A^{52}(A^t)^4) = 9 (\det(A))^{52} (\det(A^t))^4 det ( 3 A 52 ( A t ) 4 ) = 9 ( det ( A ) ) 52 ( det ( A t ) ) 4 Como det ( A t ) = det ( A ) \det(A^t) = \det(A) det ( A t ) = det ( A ) , la expresión se simplifica a:
det ( 3 A 52 ( A t ) 4 ) = 9 ( det ( A ) ) 52 ( det ( A ) ) 4 = 9 ( det ( A ) ) 56 \det(3A^{52}(A^t)^4) = 9 (\det(A))^{52} (\det(A))^4 = 9 (\det(A))^{56} det ( 3 A 52 ( A t ) 4 ) = 9 ( det ( A ) ) 52 ( det ( A ) ) 4 = 9 ( det ( A ) ) 56 Ahora, calculamos el determinante de A A A :
det ( A ) = det ( − 1 2 − 3 2 3 2 − 1 2 ) = ( − 1 2 ) ( − 1 2 ) − ( − 3 2 ) ( 3 2 ) \det(A) = \det\begin{pmatrix} -\frac{1}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \\ \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{1}{2} \end{pmatrix} = \left(-\frac{1}{2}\right)\left(-\frac{1}{2}\right) - \left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) det ( A ) = det ( − 2 1 2 3 − 2 3 − 2 1 ) = ( − 2 1 ) ( − 2 1 ) − ( − 2 3 ) ( 2 3 ) det ( A ) = 1 4 − ( − 3 4 ) = 1 4 + 3 4 = 1 \det(A) = \frac{1}{4} - \left(-\frac{3}{4}\right) = \frac{1}{4} + \frac{3}{4} = 1 det ( A ) = 4 1 − ( − 4 3 ) = 4 1 + 4 3 = 1 Finalmente, sustituimos el valor de det ( A ) \det(A) det ( A ) en la expresión:
det ( 3 A 52 ( A t ) 4 ) = 9 ( 1 ) 56 = 9 ⋅ 1 = 9 \det(3A^{52}(A^t)^4) = 9 (1)^{56} = 9 \cdot 1 = 9 det ( 3 A 52 ( A t ) 4 ) = 9 ( 1 ) 56 = 9 ⋅ 1 = 9