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Rango e Inversa de una matriz
Problema
2020 · Ordinaria · Titular
3
Examen

Considera la matriz

A=(1−1m+201m+1m05)A = \begin{pmatrix} 1 & -1 & m + 2 \\ 0 & 1 & m + 1 \\ m & 0 & 5 \end{pmatrix}
a) Estudia el rango de AA según los valores de mm.b) Para m=2m = 2, calcula la inversa de 2020A2020A.
MatricesRangoMatriz inversa+1
a) Estudia el rango de AA según los valores de mm.

Para estudiar el rango de la matriz AA, calculamos su determinante:

A=(1−1m+201m+1m05)A = \begin{pmatrix} 1 & -1 & m + 2 \\ 0 & 1 & m + 1 \\ m & 0 & 5 \end{pmatrix}
det⁡(A)=1⋅(1⋅5−0⋅(m+1))−(−1)⋅(0⋅5−m⋅(m+1))+(m+2)⋅(0⋅0−m⋅1)\det(A) = 1 \cdot (1 \cdot 5 - 0 \cdot (m+1)) - (-1) \cdot (0 \cdot 5 - m \cdot (m+1)) + (m+2) \cdot (0 \cdot 0 - m \cdot 1)
det⁡(A)=1⋅(5)+1⋅(−m(m+1))+(m+2)⋅(−m)\det(A) = 1 \cdot (5) + 1 \cdot (-m(m+1)) + (m+2) \cdot (-m)
det⁡(A)=5−(m2+m)−(m2+2m)\det(A) = 5 - (m^2 + m) - (m^2 + 2m)
det⁡(A)=5−m2−m−m2−2m\det(A) = 5 - m^2 - m - m^2 - 2m
det⁡(A)=−2m2−3m+5\det(A) = -2m^2 - 3m + 5

Igualamos el determinante a cero para encontrar los valores de mm para los cuales el rango podría ser menor que 3:

−2m2−3m+5=0-2m^2 - 3m + 5 = 0
2m2+3m−5=02m^2 + 3m - 5 = 0

Resolvemos la ecuación cuadrática:

m=−3±32−4(2)(−5)2(2)m = \frac{-3 \pm \sqrt{3^2 - 4(2)(-5)}}{2(2)}
m=−3±9+404m = \frac{-3 \pm \sqrt{9 + 40}}{4}
m=−3±494m = \frac{-3 \pm \sqrt{49}}{4}
m=−3±74m = \frac{-3 \pm 7}{4}
m1=−3+74=44=1m_1 = \frac{-3 + 7}{4} = \frac{4}{4} = 1
m2=−3−74=−104=−52m_2 = \frac{-3 - 7}{4} = \frac{-10}{4} = -\frac{5}{2}

Ahora analizamos el rango para diferentes valores de mm:1. Si m≠1m \neq 1 y m≠−52m \neq -\frac{5}{2}:En este caso, det⁡(A)≠0\det(A) \neq 0, por lo tanto, el rango de AA es 3. rg(A)=3\text{rg}(A) = 3.2. Si m=1m = 1:Sustituimos m=1m = 1 en la matriz AA:

A=(1−13012105)A = \begin{pmatrix} 1 & -1 & 3 \\ 0 & 1 & 2 \\ 1 & 0 & 5 \end{pmatrix}

Sabemos que det⁡(A)=0\det(A) = 0, por lo que rg(A)<3\text{rg}(A) < 3. Consideramos el menor de orden 2 formado por las dos primeras filas y columnas:

∣1−101∣=1⋅1−(−1)⋅0=1≠0\begin{vmatrix} 1 & -1 \\ 0 & 1 \end{vmatrix} = 1 \cdot 1 - (-1) \cdot 0 = 1 \neq 0

Dado que existe un menor de orden 2 no nulo, el rango de AA es 2 cuando m=1m = 1. rg(A)=2\text{rg}(A) = 2.3. Si m=−52m = -\frac{5}{2}:Sustituimos m=−52m = -\frac{5}{2} en la matriz AA:

A=(1−1−52+201−52+1−5205)=(1−1−1201−32−5205)A = \begin{pmatrix} 1 & -1 & -\frac{5}{2} + 2 \\ 0 & 1 & -\frac{5}{2} + 1 \\ -\frac{5}{2} & 0 & 5 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & -1 & -\frac{1}{2} \\ 0 & 1 & -\frac{3}{2} \\ -\frac{5}{2} & 0 & 5 \end{pmatrix}

Sabemos que det⁡(A)=0\det(A) = 0, por lo que rg(A)<3\text{rg}(A) < 3. Consideramos el mismo menor de orden 2 que en el caso anterior:

∣1−101∣=1⋅1−(−1)⋅0=1≠0\begin{vmatrix} 1 & -1 \\ 0 & 1 \end{vmatrix} = 1 \cdot 1 - (-1) \cdot 0 = 1 \neq 0

Dado que existe un menor de orden 2 no nulo, el rango de AA es 2 cuando m=−52m = -\frac{5}{2}. rg(A)=2\text{rg}(A) = 2.

b) Para m=2m = 2, calcula la inversa de 2020A2020A.

Primero, sustituimos m=2m = 2 en la matriz AA:

A=(1−12+2012+1205)=(1−14013205)A = \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 + 2 \\ 0 & 1 & 2 + 1 \\ 2 & 0 & 5 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & -1 & 4 \\ 0 & 1 & 3 \\ 2 & 0 & 5 \end{pmatrix}

Calculamos el determinante de AA para m=2m=2 usando la expresión obtenida en el apartado anterior:

det⁡(A)=−2(2)2−3(2)+5=−2(4)−6+5=−8−6+5=−9\det(A) = -2(2)^2 - 3(2) + 5 = -2(4) - 6 + 5 = -8 - 6 + 5 = -9

Como det⁡(A)=−9≠0\det(A) = -9 \neq 0, la inversa de AA existe. Calculamos la matriz adjunta de AA.

C11=∣1305∣=5C12=−∣0325∣=6C13=∣0120∣=−2C_{11} = \begin{vmatrix} 1 & 3 \\ 0 & 5 \end{vmatrix} = 5 \qquad C_{12} = -\begin{vmatrix} 0 & 3 \\ 2 & 5 \end{vmatrix} = 6 \qquad C_{13} = \begin{vmatrix} 0 & 1 \\ 2 & 0 \end{vmatrix} = -2
C21=−∣−1405∣=5C22=∣1425∣=−3C23=−∣1−120∣=−2C_{21} = -\begin{vmatrix} -1 & 4 \\ 0 & 5 \end{vmatrix} = 5 \qquad C_{22} = \begin{vmatrix} 1 & 4 \\ 2 & 5 \end{vmatrix} = -3 \qquad C_{23} = -\begin{vmatrix} 1 & -1 \\ 2 & 0 \end{vmatrix} = -2
C31=∣−1413∣=−7C32=−∣1403∣=−3C33=∣1−101∣=1C_{31} = \begin{vmatrix} -1 & 4 \\ 1 & 3 \end{vmatrix} = -7 \qquad C_{32} = -\begin{vmatrix} 1 & 4 \\ 0 & 3 \end{vmatrix} = -3 \qquad C_{33} = \begin{vmatrix} 1 & -1 \\ 0 & 1 \end{vmatrix} = 1

La matriz de cofactores es:

C=(56−25−3−2−7−31)C = \begin{pmatrix} 5 & 6 & -2 \\ 5 & -3 & -2 \\ -7 & -3 & 1 \end{pmatrix}

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

adj(A)=CT=(55−76−3−3−2−21)\text{adj}(A) = C^T = \begin{pmatrix} 5 & 5 & -7 \\ 6 & -3 & -3 \\ -2 & -2 & 1 \end{pmatrix}

Ahora calculamos la inversa de AA:

A−1=1det⁡(A)adj(A)=1−9(55−76−3−3−2−21)A^{-1} = \frac{1}{\det(A)} \text{adj}(A) = \frac{1}{-9} \begin{pmatrix} 5 & 5 & -7 \\ 6 & -3 & -3 \\ -2 & -2 & 1 \end{pmatrix}
A−1=(−5/9−5/97/9−6/93/93/92/92/9−1/9)=(−5/9−5/97/9−2/31/31/32/92/9−1/9)A^{-1} = \begin{pmatrix} -5/9 & -5/9 & 7/9 \\ -6/9 & 3/9 & 3/9 \\ 2/9 & 2/9 & -1/9 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -5/9 & -5/9 & 7/9 \\ -2/3 & 1/3 & 1/3 \\ 2/9 & 2/9 & -1/9 \end{pmatrix}

Finalmente, calculamos la inversa de 2020A2020A utilizando la propiedad (kA)−1=1kA−1(kA)^{-1} = \frac{1}{k} A^{-1}:

(2020A)−1=12020A−1(2020A)^{-1} = \frac{1}{2020} A^{-1}
(2020A)−1=12020(−5/9−5/97/9−2/31/31/32/92/9−1/9)(2020A)^{-1} = \frac{1}{2020} \begin{pmatrix} -5/9 & -5/9 & 7/9 \\ -2/3 & 1/3 & 1/3 \\ 2/9 & 2/9 & -1/9 \end{pmatrix}
(2020A)−1=(−5/(9⋅2020)−5/(9⋅2020)7/(9⋅2020)−2/(3⋅2020)1/(3⋅2020)1/(3⋅2020)2/(9⋅2020)2/(9⋅2020)−1/(9⋅2020))(2020A)^{-1} = \begin{pmatrix} -5/(9 \cdot 2020) & -5/(9 \cdot 2020) & 7/(9 \cdot 2020) \\ -2/(3 \cdot 2020) & 1/(3 \cdot 2020) & 1/(3 \cdot 2020) \\ 2/(9 \cdot 2020) & 2/(9 \cdot 2020) & -1/(9 \cdot 2020) \end{pmatrix}
(2020A)−1=(−5/18180−5/181807/18180−2/60601/60601/60602/181802/18180−1/18180)(2020A)^{-1} = \begin{pmatrix} -5/18180 & -5/18180 & 7/18180 \\ -2/6060 & 1/6060 & 1/6060 \\ 2/18180 & 2/18180 & -1/18180 \end{pmatrix}
(2020A)−1=(−5/18180−5/181807/18180−1/30301/60601/60602/181802/18180−1/18180)(2020A)^{-1} = \begin{pmatrix} -5/18180 & -5/18180 & 7/18180 \\ -1/3030 & 1/6060 & 1/6060 \\ 2/18180 & 2/18180 & -1/18180 \end{pmatrix}