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Ecuaciones matriciales
Problema
2024 · Ordinaria · Reserva
1
Examen
EJERCICIO 1

Se consideran las matrices

A=(111210),B=(011012) y C=(132111031)A = \begin{pmatrix} 1 & -1 & 1 \\ -2 & 1 & 0 \end{pmatrix}, B = \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \\ -1 & 2 \end{pmatrix} \text{ y } C = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 2 \\ 1 & 1 & 1 \\ 0 & 3 & 1 \end{pmatrix}
a) Resuelva la siguiente ecuación ABXC=(100010)A \cdot B \cdot X \cdot C = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}.b) Halle las dimensiones de las matrices DD y EE para que tenga sentido la igualdad AD=EBA \cdot D = E \cdot B
MatricesEcuación matricialDimensiones
a) Resuelva la siguiente ecuación ABXC=(100010)A \cdot B \cdot X \cdot C = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}.

Primero, calculamos el producto ABA \cdot B:

AB=(111210)(011012)=((1)(0)+(1)(1)+(1)(1)(1)(1)+(1)(0)+(1)(2)(2)(0)+(1)(1)+(0)(1)(2)(1)+(1)(0)+(0)(2))A \cdot B = \begin{pmatrix} 1 & -1 & 1 \\ -2 & 1 & 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \\ -1 & 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} (1)(0)+(-1)(1)+(1)(-1) & (1)(-1)+(-1)(0)+(1)(2) \\ (-2)(0)+(1)(1)+(0)(-1) & (-2)(-1)+(1)(0)+(0)(2) \end{pmatrix}
AB=(0111+0+20+1+02+0+0)=(2112)A \cdot B = \begin{pmatrix} 0-1-1 & -1+0+2 \\ 0+1+0 & 2+0+0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2 & 1 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}

Denominamos P=ABP = A \cdot B. La ecuación se transforma en PXC=RP \cdot X \cdot C = R, donde R=(100010)R = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}. Para resolver para XX, necesitamos las inversas de PP y CC. La matriz PP es de 2×22 \times 2 y la matriz CC es de 3×33 \times 3. La matriz RR es de 2×32 \times 3. Para que la ecuación tenga sentido, las dimensiones de XX deben ser 2×32 \times 3 (ya que (P2×2X2×3C3×3)2×3=R2×3(P_{2 \times 2} \cdot X_{2 \times 3} \cdot C_{3 \times 3})_{2 \times 3} = R_{2 \times 3}).Calculamos la inversa de P=(2112)P = \begin{pmatrix} -2 & 1 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}:

det(P)=(2)(2)(1)(1)=41=5\det(P) = (-2)(2) - (1)(1) = -4 - 1 = -5
P1=15(2112)=(2/51/51/52/5)P^{-1} = \frac{1}{-5} \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ -1 & -2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2/5 & 1/5 \\ 1/5 & 2/5 \end{pmatrix}

Calculamos la inversa de C=(132111031)C = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 2 \\ 1 & 1 & 1 \\ 0 & 3 & 1 \end{pmatrix}:

det(C)=1(1113)3(1110)+2(1310)=1(13)3(10)+2(30)=1(2)3(1)+2(3)=23+6=1\det(C) = 1(1 \cdot 1 - 1 \cdot 3) - 3(1 \cdot 1 - 1 \cdot 0) + 2(1 \cdot 3 - 1 \cdot 0) \\ = 1(1-3) - 3(1-0) + 2(3-0) \\ = 1(-2) - 3(1) + 2(3) = -2 - 3 + 6 = 1

Calculamos la matriz de cofactores de CC:

Cof(C)=(+(13)(10)+(30)(36)+(10)(30)+(32)(12)+(13))=(213313112)Cof(C) = \begin{pmatrix} +(1-3) & -(1-0) & +(3-0) \\ -(3-6) & +(1-0) & -(3-0) \\ +(3-2) & -(1-2) & +(1-3) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2 & -1 & 3 \\ 3 & 1 & -3 \\ 1 & 1 & -2 \end{pmatrix}

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

adj(C)=Cof(C)T=(231111332)adj(C) = Cof(C)^T = \begin{pmatrix} -2 & 3 & 1 \\ -1 & 1 & 1 \\ 3 & -3 & -2 \end{pmatrix}

La inversa de CC es:

C1=1det(C)adj(C)=11(231111332)=(231111332)C^{-1} = \frac{1}{\det(C)} adj(C) = \frac{1}{1} \begin{pmatrix} -2 & 3 & 1 \\ -1 & 1 & 1 \\ 3 & -3 & -2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2 & 3 & 1 \\ -1 & 1 & 1 \\ 3 & -3 & -2 \end{pmatrix}

La ecuación PXC=RP \cdot X \cdot C = R se resuelve como X=P1RC1X = P^{-1} \cdot R \cdot C^{-1}. Primero, calculamos P1RP^{-1} \cdot R:

P1R=(2/51/51/52/5)(100010)=(2/51/501/52/50)P^{-1} \cdot R = \begin{pmatrix} -2/5 & 1/5 \\ 1/5 & 2/5 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2/5 & 1/5 & 0 \\ 1/5 & 2/5 & 0 \end{pmatrix}

Finalmente, calculamos X=(P1R)C1X = (P^{-1} \cdot R) \cdot C^{-1}:

X=(2/51/501/52/50)(231111332)X = \begin{pmatrix} -2/5 & 1/5 & 0 \\ 1/5 & 2/5 & 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} -2 & 3 & 1 \\ -1 & 1 & 1 \\ 3 & -3 & -2 \end{pmatrix}
X=((2/5)(2)+(1/5)(1)+(0)(3)(2/5)(3)+(1/5)(1)+(0)(3)(2/5)(1)+(1/5)(1)+(0)(2)(1/5)(2)+(2/5)(1)+(0)(3)(1/5)(3)+(2/5)(1)+(0)(3)(1/5)(1)+(2/5)(1)+(0)(2))X = \begin{pmatrix} (-2/5)(-2)+(1/5)(-1)+(0)(3) & (-2/5)(3)+(1/5)(1)+(0)(-3) & (-2/5)(1)+(1/5)(1)+(0)(-2) \\ (1/5)(-2)+(2/5)(-1)+(0)(3) & (1/5)(3)+(2/5)(1)+(0)(-3) & (1/5)(1)+(2/5)(1)+(0)(-2) \end{pmatrix}
X=(4/51/5+06/5+1/5+02/5+1/5+02/52/5+03/5+2/5+01/5+2/5+0)X = \begin{pmatrix} 4/5-1/5+0 & -6/5+1/5+0 & -2/5+1/5+0 \\ -2/5-2/5+0 & 3/5+2/5+0 & 1/5+2/5+0 \end{pmatrix}
X=(3/55/51/54/55/53/5)X = \begin{pmatrix} 3/5 & -5/5 & -1/5 \\ -4/5 & 5/5 & 3/5 \end{pmatrix}
X=(3/511/54/513/5)X = \begin{pmatrix} 3/5 & -1 & -1/5 \\ -4/5 & 1 & 3/5 \end{pmatrix}
b) Halle las dimensiones de las matrices DD y EE para que tenga sentido la igualdad AD=EBA \cdot D = E \cdot B.

Las dimensiones de las matrices dadas son: AA: 2×32 \times 3 BB: 3×23 \times 2 Para que el producto ADA \cdot D esté definido, el número de columnas de AA debe ser igual al número de filas de DD. Por lo tanto, si DD tiene dimensiones rD×cDr_D \times c_D, entonces rD=3r_D = 3. La matriz resultante ADA \cdot D tendrá dimensiones 2×cD2 \times c_D.Para que el producto EBE \cdot B esté definido, el número de columnas de EE debe ser igual al número de filas de BB. Por lo tanto, si EE tiene dimensiones rE×cEr_E \times c_E, entonces cE=3c_E = 3. La matriz resultante EBE \cdot B tendrá dimensiones rE×2r_E \times 2.Para que la igualdad AD=EBA \cdot D = E \cdot B tenga sentido, las matrices resultantes deben tener las mismas dimensiones. Es decir, (AD)2×cD(A \cdot D)_{2 \times c_D} debe ser igual a (EB)rE×2(E \cdot B)_{r_E \times 2}. Esto implica que: 2=rE2 = r_E cD=2c_D = 2 Por lo tanto, las dimensiones de DD son 3×23 \times 2 (ya que rD=3r_D = 3 y cD=2c_D = 2). Y las dimensiones de EE son 2×32 \times 3 (ya que rE=2r_E = 2 y cE=3c_E = 3). Verificación: A2×3D3×2(AD)2×2A_{2 \times 3} \cdot D_{3 \times 2} \rightarrow (A \cdot D)_{2 \times 2} E2×3B3×2(EB)2×2E_{2 \times 3} \cdot B_{3 \times 2} \rightarrow (E \cdot B)_{2 \times 2} Las dimensiones son consistentes.