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Potencias y determinantes
Problema
2020 · Extraordinaria · Suplente
7
Examen

Considera la matriz:

A=(12323212)A = \begin{pmatrix} -\frac{1}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \\ \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{1}{2} \end{pmatrix}
a) Calcula A37A^{37} y A41A^{41}.b) Halla el determinante de la matriz 3A52(At)43A^{52}(A^t)^4, donde AtA^t es la matriz traspuesta de AA.
Potencia de matrizDeterminantePropiedades matrices
a) Calcula A37A^{37} y A41A^{41}.

La matriz AA es una matriz de rotación de la forma R(\theta) = egin{pmatrix} \cos\theta & -\sin\theta \ \sin\theta & \cos\theta \end{pmatrix}.Comparando AA con la matriz de rotación, obtenemos:

{cosθ=12sinθ=32\begin{cases} \cos\theta = -\frac{1}{2} \\ \sin\theta = \frac{\sqrt{3}}{2} \end{cases}

Estas condiciones corresponden a un ángulo de θ=2π3\theta = \frac{2\pi}{3} radianes (o 120120^\circ). Por lo tanto, A=R(2π3)A = R\left(\frac{2\pi}{3}\right).Para una matriz de rotación, R(θ)n=R(nθ)R(\theta)^n = R(n\theta). Esto implica que An=R(n2π3)A^n = R\left(n\frac{2\pi}{3}\right). También podemos observar la periodicidad de AA. Como 2π3\frac{2\pi}{3} es un tercio de 2π2\pi, la matriz AA tiene un periodo de 3, es decir, A3=IA^3 = I (la matriz identidad).Cálculo de A37A^{37}:

37(mod3)=137 \pmod 3 = 1

Por lo tanto, A37=A1=AA^{37} = A^1 = A.

A37=(12323212)A^{37} = \begin{pmatrix} -\frac{1}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \\ \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{1}{2} \end{pmatrix}

Cálculo de A41A^{41}:

41(mod3)=241 \pmod 3 = 2

Por lo tanto, A41=A2A^{41} = A^2. Calculamos A2A^2:

A2=AA=(12323212)(12323212)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}
A2=((12)(12)+(32)(32)(12)(32)+(32)(12)(32)(12)+(12)(32)(32)(32)+(12)(12))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}
A2=(143434+34343434+14)=(2423423424)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}
A41=(12323212)A^{41} = \begin{pmatrix} -\frac{1}{2} & \frac{\sqrt{3}}{2} \\ -\frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{1}{2} \end{pmatrix}
b) Halla el determinante de la matriz 3A52(At)43A^{52}(A^t)^4, donde AtA^t es la matriz traspuesta de AA.

Para calcular el determinante det(3A52(At)4)\det(3A^{52}(A^t)^4), utilizaremos las siguientes propiedades de los determinantes para una matriz MM de n×nn \times n y un escalar kk:

det(kM)=kndet(M)\det(kM) = k^n \det(M)

det(MN)=det(M)det(N)\det(MN) = \det(M)\det(N)

det(Mp)=(det(M))p\det(M^p) = (\det(M))^p

det(Mt)=det(M)\det(M^t) = \det(M)

Dado que AA es una matriz de 2×22 \times 2, n=2n=2. Aplicando las propiedades:

det(3A52(At)4)=32det(A52)det((At)4)\det(3A^{52}(A^t)^4) = 3^2 \det(A^{52}) \det((A^t)^4)
det(3A52(At)4)=9(det(A))52(det(At))4\det(3A^{52}(A^t)^4) = 9 (\det(A))^{52} (\det(A^t))^4

Como det(At)=det(A)\det(A^t) = \det(A), la expresión se simplifica a:

det(3A52(At)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}

Ahora, calculamos el determinante de AA:

det(A)=det(12323212)=(12)(12)(32)(32)\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)=14(34)=14+34=1\det(A) = \frac{1}{4} - \left(-\frac{3}{4}\right) = \frac{1}{4} + \frac{3}{4} = 1

Finalmente, sustituimos el valor de det(A)\det(A) en la expresión:

det(3A52(At)4)=9(1)56=91=9\det(3A^{52}(A^t)^4) = 9 (1)^{56} = 9 \cdot 1 = 9