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Ecuaciones matriciales
Problema
2022 · Extraordinaria · Titular
5B
Examen

Considera las matrices:

A=(1021),B=(11a2a1220) y C=(102211)A = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ -2 & 1 \end{pmatrix}, B = \begin{pmatrix} 1 & 1 & a \\ 2 & a & 1 \\ 2 & 2 & 0 \end{pmatrix} \text{ y } C = \begin{pmatrix} 1 & 0 & -2 \\ 2 & -1 & -1 \end{pmatrix}
a) Determina los valores de aa para los que la matriz BB no tiene inversa.b) Para a=1a = 1 calcula XX tal que AXB=CA X B = C, si es posible.
Inversa de una matrizEcuación matricialParámetros
a) Para que la matriz BB no tenga inversa, su determinante debe ser cero. Calculamos el determinante de BB:
B=(11a2a1220)B = \begin{pmatrix} 1 & 1 & a \\ 2 & a & 1 \\ 2 & 2 & 0 \end{pmatrix}
det(B)=1(a012)1(2012)+a(22a2)\det(B) = 1 \cdot (a \cdot 0 - 1 \cdot 2) - 1 \cdot (2 \cdot 0 - 1 \cdot 2) + a \cdot (2 \cdot 2 - a \cdot 2)
\det(B) = 1 \cdot (-2) - 1 \cdot (-2) + a \cdot (4 - 2a)
det(B)=2+2+4a2a2\det(B) = -2 + 2 + 4a - 2a^2
det(B)=4a2a2\det(B) = 4a - 2a^2

Igualamos el determinante a cero para encontrar los valores de aa:

4a2a2=04a - 2a^2 = 0
2a(2 - a) = 0

Esto nos da dos posibles valores para aa:

2a=0    a=02a = 0 \implies a = 0
2a=0    a=22 - a = 0 \implies a = 2

Por lo tanto, la matriz BB no tiene inversa cuando a=0a = 0 o a=2a = 2.

b) Para a=1a = 1, la ecuación es AXB=CA X B = C. Para despejar XX, necesitamos que AA y BB sean invertibles.

Para a=1a=1, el determinante de BB es:

det(B)=4(1)2(1)2=42=20\det(B) = 4(1) - 2(1)^2 = 4 - 2 = 2 \neq 0

Así que BB es invertible. Ahora, comprobamos AA:

A=(1021)A = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ -2 & 1 \end{pmatrix}
det(A)=110(2)=10\det(A) = 1 \cdot 1 - 0 \cdot (-2) = 1 \neq 0

Como det(A)0\det(A) \neq 0, AA también es invertible. Podemos despejar XX multiplicando por A1A^{-1} por la izquierda y por B1B^{-1} por la derecha:

AXB=C    A1(AXB)B1=A1CB1    X=A1CB1A X B = C \implies A^{-1} (A X B) B^{-1} = A^{-1} C B^{-1} \implies X = A^{-1} C B^{-1}

Primero, calculamos A1A^{-1}:

A1=1det(A)Adj(A)T=11(1021)=(1021)A^{-1} = \frac{1}{\det(A)} \text{Adj}(A)^T = \frac{1}{1} \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 2 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}

Ahora, calculamos B1B^{-1} para a=1a=1:

B=(111211220)B = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 2 & 1 & 1 \\ 2 & 2 & 0 \end{pmatrix}

Los cofactores de BB son:

C_{11} = -2$, $C_{12} = 2$, $C_{13} = 2
C_{21} = 2$, $C_{22} = -2$, $C_{23} = 0
C_{31} = 0$, $C_{32} = 1$, $C_{33} = -1

La matriz adjunta de BB es:

Adj(B)=(220221201)\text{Adj}(B) = \begin{pmatrix} -2 & 2 & 0 \\ 2 & -2 & 1 \\ 2 & 0 & -1 \end{pmatrix}

Entonces B1B^{-1} es:

B1=1det(B)Adj(B)=12(220221201)=(110111/2101/2)B^{-1} = \frac{1}{\det(B)} \text{Adj}(B) = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} -2 & 2 & 0 \\ 2 & -2 & 1 \\ 2 & 0 & -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 & 1 & 0 \\ 1 & -1 & 1/2 \\ 1 & 0 & -1/2 \end{pmatrix}

Ahora calculamos A1CA^{-1} C:

A1C=(1021)(102211)=(11+0210+0(1)1(2)+0(1)21+1220+1(1)2(2)+1(1))A^{-1} C = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 2 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 0 & -2 \\ 2 & -1 & -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \cdot 1 + 0 \cdot 2 & 1 \cdot 0 + 0 \cdot (-1) & 1 \cdot (-2) + 0 \cdot (-1) \\ 2 \cdot 1 + 1 \cdot 2 & 2 \cdot 0 + 1 \cdot (-1) & 2 \cdot (-2) + 1 \cdot (-1) \end{pmatrix}
A1C=(102415)A^{-1} C = \begin{pmatrix} 1 & 0 & -2 \\ 4 & -1 & -5 \end{pmatrix}

Finalmente, calculamos X=(A1C)B1X = (A^{-1} C) B^{-1}:

X=(102415)(110111/2101/2)X = \begin{pmatrix} 1 & 0 & -2 \\ 4 & -1 & -5 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 & 1 & 0 \\ 1 & -1 & 1/2 \\ 1 & 0 & -1/2 \end{pmatrix}
X=(1(1)+0(1)+(2)(1)1(1)+0(1)+(2)(0)1(0)+0(1/2)+(2)(1/2)4(1)+(1)(1)+(5)(1)4(1)+(1)(1)+(5)(0)4(0)+(1)(1/2)+(5)(1/2))X = \begin{pmatrix} 1(-1)+0(1)+(-2)(1) & 1(1)+0(-1)+(-2)(0) & 1(0)+0(1/2)+(-2)(-1/2) \\ 4(-1)+(-1)(1)+(-5)(1) & 4(1)+(-1)(-1)+(-5)(0) & 4(0)+(-1)(1/2)+(-5)(-1/2) \end{pmatrix}
X=(1+021+0+00+0+14154+1+001/2+5/2)X = \begin{pmatrix} -1+0-2 & 1+0+0 & 0+0+1 \\ -4-1-5 & 4+1+0 & 0-1/2+5/2 \end{pmatrix}
X=(3111052)X = \begin{pmatrix} -3 & 1 & 1 \\ -10 & 5 & 2 \end{pmatrix}