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Operaciones con matrices y sistemas de ecuaciones matriciales
Problema
2025 · Ordinaria · Suplente
1
Examen

Se considera la matriz:

A=(210012222)A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 2 \\ 2 & 2 & 2 \end{pmatrix}
a) Resuelva el sistema de ecuaciones matriciales: (A+I3)⋅X+Y=A−I3(A + I_3) \cdot X + Y = A - I_3 X−Y=I3X - Y = I_3b) Halle el rango de las matrices A+I3A + I_3 y A−I3A - I_3. ¿Son matrices invertibles?
MatricesSistemas de ecuaciones matricialesRango+1
a) Resuelva el sistema de ecuaciones matriciales:

Tenemos el sistema de ecuaciones matriciales:

{(A+I3)⋅X+Y=A−I3(1)X−Y=I3(2)\begin{cases} (A + I_3) \cdot X + Y = A - I_3 \quad (1) \\ X - Y = I_3 \quad (2) \end{cases}

De la ecuación (2), despejamos YY: Y=X−I3Y = X - I_3. Sustituimos esta expresión de YY en la ecuación (1):

(A+I3)⋅X+(X−I3)=A−I3(A + I_3) \cdot X + (X - I_3) = A - I_3

Distribuimos y agrupamos términos con XX:

(A+I3)X+I3X=A−I3+I3(A+I3+I3)X=A(A+2I3)X=A(A + I_3)X + I_3 X = A - I_3 + I_3 \\ (A + I_3 + I_3)X = A \\ (A + 2I_3)X = A

Ahora calculamos la matriz A+2I3A + 2I_3:

A+2I3=(210012222)+2(100010001)=(210012222)+(200020002)=(410032224)A + 2I_3 = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 2 \\ 2 & 2 & 2 \end{pmatrix} + 2\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 2 \\ 2 & 2 & 2 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 4 & 1 & 0 \\ 0 & 3 & 2 \\ 2 & 2 & 4 \end{pmatrix}

Para resolver X=(A+2I3)−1AX = (A + 2I_3)^{-1}A, primero calculamos el determinante de (A+2I3)(A + 2I_3):

det⁡(A+2I3)=det⁡(410032224)=4(3⋅4−2⋅2)−1(0⋅4−2⋅2)+0=4(12−4)−1(0−4)=4(8)−(−4)=32+4=36\det(A + 2I_3) = \det\begin{pmatrix} 4 & 1 & 0 \\ 0 & 3 & 2 \\ 2 & 2 & 4 \end{pmatrix} = 4(3 \cdot 4 - 2 \cdot 2) - 1(0 \cdot 4 - 2 \cdot 2) + 0 = 4(12 - 4) - 1(0 - 4) = 4(8) - (-4) = 32 + 4 = 36

Como el determinante es 36≠036 \neq 0, la matriz (A+2I3)(A + 2I_3) es invertible. Ahora calculamos su inversa. Primero, la matriz de cofactores:

C=(+(12−4)−(0−4)+(0−6)−(4−0)+(16−0)−(8−2)+(2−0)−(8−0)+(12−0))=(84−6−416−62−812)C = \begin{pmatrix} +(12-4) & -(0-4) & +(0-6) \\ -(4-0) & +(16-0) & -(8-2) \\ +(2-0) & -(8-0) & +(12-0) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 8 & 4 & -6 \\ -4 & 16 & -6 \\ 2 & -8 & 12 \end{pmatrix}

Luego, la matriz adjunta es la traspuesta de la matriz de cofactores:

Adj(A+2I3)=CT=(8−42416−8−6−612)\text{Adj}(A + 2I_3) = C^T = \begin{pmatrix} 8 & -4 & 2 \\ 4 & 16 & -8 \\ -6 & -6 & 12 \end{pmatrix}

Y la inversa es:

(A+2I3)−1=136(8−42416−8−6−612)(A + 2I_3)^{-1} = \frac{1}{36} \begin{pmatrix} 8 & -4 & 2 \\ 4 & 16 & -8 \\ -6 & -6 & 12 \end{pmatrix}

Finalmente, calculamos X=(A+2I3)−1AX = (A + 2I_3)^{-1}A:

X=136(8−42416−8−6−612)(210012222)X=136(8(2)−4(0)+2(2)8(1)−4(1)+2(2)8(0)−4(2)+2(2)4(2)+16(0)−8(2)4(1)+16(1)−8(2)4(0)+16(2)−8(2)−6(2)−6(0)+12(2)−6(1)−6(1)+12(2)−6(0)−6(2)+12(2))X=136(16+0+48−4+40−8+48+0−164+16−160+32−16−12+0+24−6−6+240−12+24)X=136(208−4−8416121212)=(20/368/36−4/36−8/364/3616/3612/3612/3612/36)X=(5/92/9−1/9−2/91/94/91/31/31/3)X = \frac{1}{36} \begin{pmatrix} 8 & -4 & 2 \\ 4 & 16 & -8 \\ -6 & -6 & 12 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 2 \\ 2 & 2 & 2 \end{pmatrix} \\ X = \frac{1}{36} \begin{pmatrix} 8(2)-4(0)+2(2) & 8(1)-4(1)+2(2) & 8(0)-4(2)+2(2) \\ 4(2)+16(0)-8(2) & 4(1)+16(1)-8(2) & 4(0)+16(2)-8(2) \\ -6(2)-6(0)+12(2) & -6(1)-6(1)+12(2) & -6(0)-6(2)+12(2) \end{pmatrix} \\ X = \frac{1}{36} \begin{pmatrix} 16+0+4 & 8-4+4 & 0-8+4 \\ 8+0-16 & 4+16-16 & 0+32-16 \\ -12+0+24 & -6-6+24 & 0-12+24 \end{pmatrix} \\ X = \frac{1}{36} \begin{pmatrix} 20 & 8 & -4 \\ -8 & 4 & 16 \\ 12 & 12 & 12 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 20/36 & 8/36 & -4/36 \\ -8/36 & 4/36 & 16/36 \\ 12/36 & 12/36 & 12/36 \end{pmatrix} \\ X = \begin{pmatrix} 5/9 & 2/9 & -1/9 \\ -2/9 & 1/9 & 4/9 \\ 1/3 & 1/3 & 1/3 \end{pmatrix}

Ahora calculamos Y=X−I3Y = X - I_3:

Y=(5/92/9−1/9−2/91/94/91/31/31/3)−(100010001)Y=(5/9−12/9−1/9−2/91/9−14/91/31/31/3−1)=(−4/92/9−1/9−2/9−8/94/91/31/3−2/3)Y = \begin{pmatrix} 5/9 & 2/9 & -1/9 \\ -2/9 & 1/9 & 4/9 \\ 1/3 & 1/3 & 1/3 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \\ Y = \begin{pmatrix} 5/9 - 1 & 2/9 & -1/9 \\ -2/9 & 1/9 - 1 & 4/9 \\ 1/3 & 1/3 & 1/3 - 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -4/9 & 2/9 & -1/9 \\ -2/9 & -8/9 & 4/9 \\ 1/3 & 1/3 & -2/3 \end{pmatrix}
b) Halle el rango de las matrices A+I3A + I_3 y A−I3A - I_3. ¿Son matrices invertibles?

Primero, calculamos A+I3A + I_3:

A+I3=(210012222)+(100010001)=(310022223)A + I_3 = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 2 \\ 2 & 2 & 2 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 2 \\ 2 & 2 & 3 \end{pmatrix}

Para determinar el rango y la invertibilidad, calculamos su determinante:

det⁡(A+I3)=3(2⋅3−2⋅2)−1(0⋅3−2⋅2)+0=3(6−4)−1(0−4)=3(2)−(−4)=6+4=10\det(A + I_3) = 3(2 \cdot 3 - 2 \cdot 2) - 1(0 \cdot 3 - 2 \cdot 2) + 0 = 3(6 - 4) - 1(0 - 4) = 3(2) - (-4) = 6 + 4 = 10

Dado que det⁡(A+I3)=10≠0\det(A + I_3) = 10 \neq 0, el rango de A+I3A + I_3 es 3. Una matriz cuadrada es invertible si y solo si su determinante es distinto de cero. Por lo tanto, A+I3A + I_3 es invertible.Ahora, calculamos A−I3A - I_3:

A−I3=(210012222)−(100010001)=(110002221)A - I_3 = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 2 \\ 2 & 2 & 2 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \\ 2 & 2 & 1 \end{pmatrix}

Calculamos su determinante:

det⁡(A−I3)=1(0⋅1−2⋅2)−1(0⋅1−2⋅2)+0=1(0−4)−1(0−4)=−4−(−4)=−4+4=0\det(A - I_3) = 1(0 \cdot 1 - 2 \cdot 2) - 1(0 \cdot 1 - 2 \cdot 2) + 0 = 1(0 - 4) - 1(0 - 4) = -4 - (-4) = -4 + 4 = 0

Dado que det⁡(A−I3)=0\det(A - I_3) = 0, el rango de A−I3A - I_3 no es 3. Para encontrar el rango, buscamos un menor de orden 2 con determinante distinto de cero. Consideramos el menor formado por las filas 1 y 2 y las columnas 1 y 3:

det⁡(1002)=1⋅2−0⋅0=2\det\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix} = 1 \cdot 2 - 0 \cdot 0 = 2

Como existe un menor de orden 2 con determinante 2≠02 \neq 0, el rango de A−I3A - I_3 es 2. Dado que el determinante es cero, A−I3A - I_3 no es invertible.