AndalucíaAndalucía
MadridMadrid
CataluñaCataluña
GaliciaGalicia
MurciaMurcia
ValenciaValencia
En construcciónAñadimos comunidades, materias, años y soluciones de forma progresiva y constante.
Cálculo matricial e inversa
Problema
2020 · Ordinaria · Suplente
2
Examen

Se consideran las matrices:

A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & -1 \\ a & -1 & -1 \\ 3 & 0 & -2a \end{pmatrix}$ y $B = \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ 2 & 0 \\ 1 & -2 \end{pmatrix}
a) Determine para qué valores de aa tiene inversa la matriz AA.b) Para a=2a = 2, calcule la matriz inversa de AA.c) Para a=0a = 0, resuelva la ecuación matricial XA1BBt=I3X \cdot A^{-1} - B \cdot B^t = I_3.
MatricesInversa de una matrizEcuación matricial
a) Determine para qué valores de aa tiene inversa la matriz AA.

Una matriz tiene inversa si y solo si su determinante es no nulo. Calculamos el determinante de AA.

A=(211a11302a)A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & -1 \\ a & -1 & -1 \\ 3 & 0 & -2a \end{pmatrix}
\det(A) = 2 \cdot ((-1)(-2a) - (-1)(0)) - 1 \cdot ((a)(-2a) - (-1)(3)) + (-1) \cdot ((a)(0) - (-1)(3))
\det(A) = 2(2a) - 1(-2a^2 + 3) - 1(3)
det(A)=4a+2a233\det(A) = 4a + 2a^2 - 3 - 3
det(A)=2a2+4a6\det(A) = 2a^2 + 4a - 6

Para que la matriz AA tenga inversa, el determinante debe ser distinto de cero. Encontramos los valores de aa para los cuales el determinante es cero:

2a2+4a6=02a^2 + 4a - 6 = 0
a2+2a3=0a^2 + 2a - 3 = 0

Resolvemos la ecuación cuadrática:

(a+3)(a1)=0(a+3)(a-1) = 0
a=3oa=1a = -3 \quad \text{o} \quad a = 1

Por lo tanto, la matriz AA tiene inversa para todos los valores de aa excepto a=3a=-3 y a=1a=1. Es decir, para aR{3,1}a \in \mathbb{R} \setminus \{-3, 1\}.

b) Para a=2a=2, calcule la matriz inversa de AA.

Para a=2a=2, la matriz AA es:

A=(211211304)A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & -1 \\ 2 & -1 & -1 \\ 3 & 0 & -4 \end{pmatrix}

Calculamos el determinante para a=2a=2:

det(A)=2(22)+4(2)6=2(4)+86=8+86=10\det(A) = 2(2^2) + 4(2) - 6 = 2(4) + 8 - 6 = 8 + 8 - 6 = 10

Calculamos la matriz de cofactores CC:

C11=+1104=4C_{11} = +\begin{vmatrix} -1 & -1 \\ 0 & -4 \end{vmatrix} = 4
C12=2134=(8(3))=5C_{12} = -\begin{vmatrix} 2 & -1 \\ 3 & -4 \end{vmatrix} = -(-8 - (-3)) = 5
C13=+2130=0(3)=3C_{13} = +\begin{vmatrix} 2 & -1 \\ 3 & 0 \end{vmatrix} = 0 - (-3) = 3
C21=1104=(40)=4C_{21} = -\begin{vmatrix} 1 & -1 \\ 0 & -4 \end{vmatrix} = -(-4 - 0) = 4
C22=+2134=8(3)=5C_{22} = +\begin{vmatrix} 2 & -1 \\ 3 & -4 \end{vmatrix} = -8 - (-3) = -5
C23=2130=(03)=3C_{23} = -\begin{vmatrix} 2 & 1 \\ 3 & 0 \end{vmatrix} = -(0 - 3) = 3
C31=+1111=11=2C_{31} = +\begin{vmatrix} 1 & -1 \\ -1 & -1 \end{vmatrix} = -1 - 1 = -2
C32=2121=(2(2))=0C_{32} = -\begin{vmatrix} 2 & -1 \\ 2 & -1 \end{vmatrix} = -(-2 - (-2)) = 0
C33=+2121=22=4C_{33} = +\begin{vmatrix} 2 & 1 \\ 2 & -1 \end{vmatrix} = -2 - 2 = -4

La matriz de cofactores es:

C=(453453204)C = \begin{pmatrix} 4 & 5 & 3 \\ 4 & -5 & 3 \\ -2 & 0 & -4 \end{pmatrix}

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

Adj(A)=Ct=(442550334)\text{Adj}(A) = C^t = \begin{pmatrix} 4 & 4 & -2 \\ 5 & -5 & 0 \\ 3 & 3 & -4 \end{pmatrix}

Finalmente, la inversa de AA es:

A1=1det(A)Adj(A)=110(442550334)A^{-1} = \frac{1}{\det(A)} \text{Adj}(A) = \frac{1}{10} \begin{pmatrix} 4 & 4 & -2 \\ 5 & -5 & 0 \\ 3 & 3 & -4 \end{pmatrix}
A1=(2/52/51/51/21/203/103/102/5)A^{-1} = \begin{pmatrix} 2/5 & 2/5 & -1/5 \\ 1/2 & -1/2 & 0 \\ 3/10 & 3/10 & -2/5 \end{pmatrix}
c) Para a=0a=0, resuelva la ecuación matricial XA1BBt=I3X \cdot A^{-1} - B \cdot B^t = I_3.

Para a=0a=0, la matriz AA es:

A=(211011300)A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & -1 \\ 0 & -1 & -1 \\ 3 & 0 & 0 \end{pmatrix}

El determinante de AA para a=0a=0 es:

det(A)=2(0)2+4(0)6=6\det(A) = 2(0)^2 + 4(0) - 6 = -6

Despejamos XX de la ecuación matricial:

XA1BBt=I3X \cdot A^{-1} - B \cdot B^t = I_3
XA1=I3+BBtX \cdot A^{-1} = I_3 + B \cdot B^t

Multiplicamos por AA por la derecha en ambos lados:

XA1A=(I3+BBt)AX \cdot A^{-1} \cdot A = (I_3 + B \cdot B^t) \cdot A
X=(I3+BBt)AX = (I_3 + B \cdot B^t) \cdot A

Calculamos BBtB \cdot B^t:

B=(112012),Bt=(121102)B = \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ 2 & 0 \\ 1 & -2 \end{pmatrix}, \quad B^t = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 \\ -1 & 0 & -2 \end{pmatrix}
BBt=(112012)(121102)B \cdot B^t = \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ 2 & 0 \\ 1 & -2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 \\ -1 & 0 & -2 \end{pmatrix}
BBt=(1(1)+(1)(1)1(2)+(1)(0)1(1)+(1)(2)2(1)+0(1)2(2)+0(0)2(1)+0(2)1(1)+(2)(1)1(2)+(2)(0)1(1)+(2)(2))B \cdot B^t = \begin{pmatrix} 1(1)+(-1)(-1) & 1(2)+(-1)(0) & 1(1)+(-1)(-2) \\ 2(1)+0(-1) & 2(2)+0(0) & 2(1)+0(-2) \\ 1(1)+(-2)(-1) & 1(2)+(-2)(0) & 1(1)+(-2)(-2) \end{pmatrix}
BBt=(223242325)B \cdot B^t = \begin{pmatrix} 2 & 2 & 3 \\ 2 & 4 & 2 \\ 3 & 2 & 5 \end{pmatrix}

Calculamos I3+BBtI_3 + B \cdot B^t:

I3+BBt=(100010001)+(223242325)=(323252326)I_3 + B \cdot B^t = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 2 & 2 & 3 \\ 2 & 4 & 2 \\ 3 & 2 & 5 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 & 2 & 3 \\ 2 & 5 & 2 \\ 3 & 2 & 6 \end{pmatrix}

Finalmente, calculamos X=(I3+BBt)AX = (I_3 + B \cdot B^t) \cdot A:

X=(323252326)(211011300)X = \begin{pmatrix} 3 & 2 & 3 \\ 2 & 5 & 2 \\ 3 & 2 & 6 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & 1 & -1 \\ 0 & -1 & -1 \\ 3 & 0 & 0 \end{pmatrix}
X=(3(2)+2(0)+3(3)3(1)+2(1)+3(0)3(1)+2(1)+3(0)2(2)+5(0)+2(3)2(1)+5(1)+2(0)2(1)+5(1)+2(0)3(2)+2(0)+6(3)3(1)+2(1)+6(0)3(1)+2(1)+6(0))X = \begin{pmatrix} 3(2)+2(0)+3(3) & 3(1)+2(-1)+3(0) & 3(-1)+2(-1)+3(0) \\ 2(2)+5(0)+2(3) & 2(1)+5(-1)+2(0) & 2(-1)+5(-1)+2(0) \\ 3(2)+2(0)+6(3) & 3(1)+2(-1)+6(0) & 3(-1)+2(-1)+6(0) \end{pmatrix}
X=(6+0+932+032+04+0+625+025+06+0+1832+032+0)X = \begin{pmatrix} 6+0+9 & 3-2+0 & -3-2+0 \\ 4+0+6 & 2-5+0 & -2-5+0 \\ 6+0+18 & 3-2+0 & -3-2+0 \end{pmatrix}
X=(151510372415)X = \begin{pmatrix} 15 & 1 & -5 \\ 10 & -3 & -7 \\ 24 & 1 & -5 \end{pmatrix}