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Operaciones con matrices
Problema
2021 · Extraordinaria · Suplente
2
Examen

Se consideran las matrices A=(a468)A = \begin{pmatrix} a & 4 \\ 6 & 8 \end{pmatrix}, B=(2233)B = \begin{pmatrix} 2 & 2 \\ 3 & 3 \end{pmatrix} y C=(12)C = ( 1 \quad 2 ).

a) Calcule el valor del parámetro aa para que la matriz AA no tenga inversa.b) Para a=3a = 3, resuelva la ecuación matricial XAXB=CX \cdot A - X \cdot B = C.c) Para a=3a = 3, compruebe que A2=11AA^2 = 11 \cdot A y exprese A8A^8 en función de la matriz AA.
Matriz inversaEcuación matricialPotencias de matrices
a) Calcule el valor del parámetro aa para que la matriz AA no tenga inversa.

Una matriz no tiene inversa si su determinante es nulo. Calculamos el determinante de la matriz AA:

det(A)=det(a468)=(a)(8)(4)(6)=8a24\det(A) = \det\begin{pmatrix} a & 4 \\ 6 & 8 \end{pmatrix} = (a)(8) - (4)(6) = 8a - 24

Igualamos el determinante a cero para encontrar el valor de aa:

8a24=08a=24a=248a=38a - 24 = 0 \\ 8a = 24 \\ a = \frac{24}{8} \\ a = 3

Por lo tanto, la matriz AA no tiene inversa cuando a=3a = 3.

b) Para a=3a = 3, resuelva la ecuación matricial XAXB=CX \cdot A - X \cdot B = C.

Primero, sustituimos a=3a=3 en la matriz AA:

A=(3468)A = \begin{pmatrix} 3 & 4 \\ 6 & 8 \end{pmatrix}

La ecuación matricial es XAXB=CX \cdot A - X \cdot B = C. Podemos factorizar XX:

X(AB)=CX \cdot (A - B) = C

Definimos la matriz D=ABD = A - B y la calculamos:

D=AB=(3468)(2233)=(32426383)=(1235)D = A - B = \begin{pmatrix} 3 & 4 \\ 6 & 8 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 2 & 2 \\ 3 & 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3-2 & 4-2 \\ 6-3 & 8-3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 5 \end{pmatrix}

Ahora la ecuación es XD=CX \cdot D = C. Para resolver XX, necesitamos calcular la inversa de DD, D1D^{-1}.Calculamos el determinante de DD:

det(D)=(1)(5)(2)(3)=56=1\det(D) = (1)(5) - (2)(3) = 5 - 6 = -1

Calculamos la inversa de DD:

D1=1det(D)adj(D)T=11(5231)=(5231)D^{-1} = \frac{1}{\det(D)} \cdot \text{adj}(D)^T = \frac{1}{-1} \begin{pmatrix} 5 & -2 \\ -3 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -5 & 2 \\ 3 & -1 \end{pmatrix}

Finalmente, calculamos X=CD1X = C \cdot D^{-1}:

X=(12)(5231)X = (1 \quad 2) \begin{pmatrix} -5 & 2 \\ 3 & -1 \end{pmatrix}
X=((1)(5)+(2)(3)(1)(2)+(2)(1))X = ( (1)(-5) + (2)(3) \quad (1)(2) + (2)(-1) )
X=(5+622)X = ( -5+6 \quad 2-2 )
X=(10)X = ( 1 \quad 0 )
c) Para a=3a = 3, compruebe que A2=11AA^2 = 11 \cdot A y exprese A8A^8 en función de la matriz AA.

Para a=3a = 3, la matriz AA es A=(3468)A = \begin{pmatrix} 3 & 4 \\ 6 & 8 \end{pmatrix}. Primero, calculamos A2A^2:

A2=AA=(3468)(3468)=((3)(3)+(4)(6)(3)(4)+(4)(8)(6)(3)+(8)(6)(6)(4)+(8)(8))A^2 = A \cdot A = \begin{pmatrix} 3 & 4 \\ 6 & 8 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 3 & 4 \\ 6 & 8 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} (3)(3) + (4)(6) & (3)(4) + (4)(8) \\ (6)(3) + (8)(6) & (6)(4) + (8)(8) \end{pmatrix}
A2=(9+2412+3218+4824+64)=(33446688)A^2 = \begin{pmatrix} 9 + 24 & 12 + 32 \\ 18 + 48 & 24 + 64 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 33 & 44 \\ 66 & 88 \end{pmatrix}

Ahora, calculamos 11A11 \cdot A:

11A=11(3468)=(113114116118)=(33446688)11 \cdot A = 11 \begin{pmatrix} 3 & 4 \\ 6 & 8 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 11 \cdot 3 & 11 \cdot 4 \\ 11 \cdot 6 & 11 \cdot 8 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 33 & 44 \\ 66 & 88 \end{pmatrix}

Comparando los resultados, se comprueba que A2=11AA^2 = 11 \cdot A.Ahora, expresamos A8A^8 en función de la matriz AA utilizando la relación A2=11AA^2 = 11A:

A2=11AA^2 = 11A
A3=A2A=(11A)A=11A2=11(11A)=112AA^3 = A^2 \cdot A = (11A) \cdot A = 11 A^2 = 11 (11A) = 11^2 A
A4=A3A=(112A)A=112A2=112(11A)=113AA^4 = A^3 \cdot A = (11^2 A) \cdot A = 11^2 A^2 = 11^2 (11A) = 11^3 A

Observamos un patrón: An=11n1AA^n = 11^{n-1} A para n1n \ge 1. Aplicando este patrón para A8A^8:

A8=1181A=117AA^8 = 11^{8-1} A = 11^7 A