Unidad 4 matrices y determinantes

MATRICES Y DETERMINANTES
Definición de matriz
Se llama matriz de orden m n a todo conjunto rectangular de elementos aij
dispuestos en m líneas horizontales (filas) y n verticales (columnas) de la forma:

Abreviadamente suele expresarse en la forma A =(aij), con i =1, 2, ..., m, j =1, 2,
..., n. Los subíndices indican la posición del elemento dentro de la matriz, el
primero denota la fila ( i ) y el segundo la columna ( j ). Por ejemplo el elemento
a25 será el elemento de la fila 2 y columna 5.

Tipos de matrices:
Matriz fila: Es una matriz que solo tiene una fila, es decir m =1 y por tanto es de
orden 1 x n.

a11 a12 a13  a1n

Matriz columna: Es una matriz que solo tiene una columna, es decir, n =1
y por tanto es de orden m x 1.
a11
a21
a31

am1

Tipos de matrices:

Matriz cuadrada: Es aquella que tiene el mismo número de filas que de
columnas, es decir m = n. En estos casos se dice que la matriz cuadrada es de orden
n, y no n x n.
Los elementos aij con i = j, o sea aii forman la llamada diagonal principal de la matriz
cuadrada, y los elementos aij con i + j = n +1 la diagonal secundaria.

a11 a12 a13  a1n
a21 a22 a23  a2 n
a31 a32 a33  a3n
    
an1 an 2 an 3  ann

Tipos de matrices:
Matriz traspuesta: Dada una matriz A, se llama traspuesta de A, y se representa por At, a la
matriz que se obtiene cambiando filas por columnas. La primera fila de A es la primera fila de
At , la segunda fila de A es la segunda columna de At, etc.

De la definición se deduce que si A es de orden m x n, entonces At es de orden n x m.

Matriz simétrica: Una matriz cuadrada A es simétrica si A = At, es decir,
si aij = aji i, j.
Matriz antisimétrica: Una matriz cuadrada es antisimétrica si A = –At, es
decir, si aij = –aji i, j.

Tipos de matrices:
Matriz nula es aquella que todos sus elementos son 0 y se representa por 0

La matriz es una matriz nula de orden 3

La matriz es una matriz nula de orden 2 x 4

Tipos de matrices:
Matriz diagonal: Es una matriz cuadrada, en la que todos los elementos no
pertenecientes a la diagonal principal son nulos.

Matriz escalar: Es una matriz diagonal con todos los elementos de la diagonal
iguales

Matriz unidad o identidad: Es una matriz escalar con los elementos de la
diagonal principal iguales a 1.

Tipos de matrices:
Matriz Triangular: Es una matriz cuadrada que tiene nulos todos los
elementos que están a un mismo lado de la diagonal principal.
Las matrices triangulares pueden ser de dos tipos:

Triangular Superior: Si los elementos que están por debajo de la
diagonal principal son todos nulos. Es decir, aij = 0 i < j.

Triangular Inferior: Si los elementos que están por encima de la
diagonal principal son todos nulos. Es decir, aij = 0 j < i.

matriz triangular inferior

matriz triangular superior


Operaciones con matrices
Trasposición de matrices
Suma y diferencia de matrices

Producto de una matriz por un número

Propiedades simplificativas

Producto de matrices
Matrices inversibles

Trasposición de matrices
Dada una matriz de orden m x n, A = (aij), se llama matriz traspuesta de A, y se representa por
At, a la matriz que se obtiene cambiando las filas por las columnas (o viceversa) en la matriz A.
Es decir:

Propiedades de la trasposición de matrices:
1ª.- Dada una matriz A, siempre existe su traspuesta y además es única.
2ª.- La traspuesta de la matriz traspuesta de A es A. a (At)t = A.

La suma de dos matrices A=(aij), B=(bij) de la misma dimensión, es otra matriz S=(sij) de la misma dimensión que los sumandos y con
término genérico sij=aij+bij. Por tanto, para poder sumar dos matrices estas han de tener la misma dimensión.

La suma de las matrices A y B se denota por A+B.

Ejemplo

Sin embargo, no se pueden sumar.

La diferencia de matrices A y B se representa por A–B, y se define como: A–B = A + (–B)

Propiedades de la suma de matrices

1ª. A + (B + C) = (A + B) + C Propiedad Asociativa

2ª. A+B=B+A Propiedad conmutativa

3ª. A + 0 = A (0 es la matriz nula) Matriz Nula

4ª. La matriz –A, que se obtiene cambiando de signo todos los elementos de A,
recibe el nombre de matriz opuesta de A, ya que A + (–A) = 0.

El producto de una matriz A = (aij) por un número real k es otra matriz B = (bij) de la misma
dimensión que A y tal que cada elemento bij de B se obtiene multiplicando aij por k, es decir,
bij = k·aij.

Ejemplo:

El producto de la matriz A por el número real k se designa por k·A. Al número real k se le
llama también escalar, y a este producto, producto de escalares por matrices

Propiedades del producto de una matriz por un escalar

1ª. k (A + B) = k A + k B Propiedad distributiva 1ª

2ª. (k + h)A = k A + h A Propiedad distributiva 2ª

3ª. k [h A] = (k h) A Propiedad asociativa mixta

.

4ª. 1 · A = A · 1 = A Elemento unidad

Propiedades simplificativas

Si A + C = B + C A=B

Si k A = k B A = B si k es distinto de 0

Si k A = h A h = k si A es distinto de 0

Dadas dos matrices A y B, su producto es otra matriz P cuyos elementos se obtienen
multiplicando las filas de A por las columnas de B. De manera más formal, los elementos
de P son de la forma:

Pij = S aik bkj

Es evidente que el número de columnas de A debe coincidir con el número de filas de B. Es
más, si A tiene dimensión m x n y B dimensión n x p, la matriz P será de orden m x p, Es
decir:

Ejemplo:
no se pueden multiplicar

Propiedades del producto de matrices
A·(B·C) = (A·B)·C (Propiedad asociativa)

El producto de matrices en general no es conmutativo.

Si A es una matriz cuadrada de orden n se tiene A·In = In·A = A.

Dada una matriz cuadrada A de orden n, no siempre existe otra matriz B tal que
A·B = B·A = In. Si existe dicha matriz B, se dice que es la matriz inversa de A y se
representa por A–1 .

El producto de matrices es distributivo respecto de la suma de matrices, es decir:
A·(B + C) = A·B + A·C

Consecuencias de las Propiedades

Si A · B = 0 no implica que A = 0 ó B = 0

Si A · B = A · C no implica que B = C

En general (A+B)2 A2 + B2 +2AB, ya que A · B B·A

En general (A+B) · (A–B) A2 – B2, ya que A · B B·A


Matrices inversibles

Una matriz cuadrada que posee inversa se dice que es
inversible o regular; en caso contrario recibe el nombre de
singular.

Propiedades de la inversión de matrices

La matriz inversa, si existe, es única

A-1·A = A·A-1= I

(A·B)-1 = B-1·A-1

(A-1)-1 = A

(kA)-1 = (1/k) · A-1

(At) –1 = (A-1) t

Observación:

Podemos encontrar matrices que cumplen A·B = I, pero que B·A I, en tal
caso, podemos decir que A es la inversa de B "por la izquierda" o que B es la
inversa de A "por la derecha".

Hay varios métodos para calcular la matriz inversa de una matriz dada:

Por el método de Gauss-Jordan
Usando determinantes
Directamente

Cálculo Directo de la Matriz Inversa

Dada la matriz buscamos una matriz que cumpla A·A-1 = I, es decir

Para ello planteamos el sistema de ecuaciones:

La matriz que se ha calculado realmente sería la inversa por la "derecha", pero es fácil
comprobar que también cumple A-1 · A = I, con lo cual es realmente la inversa de A.

Método de Gauss-Jordan para el cálculo de la matriz inversa
El método de Gauss-Jordan para calcular la matriz inversa de una
dada se basa en una triangulación superior y luego otra inferior de la matriz a la
cual se le quiere calcular la inversa.

Ejemplo 1 Ejemplo 2

Dada una matriz A de orden n, para calcular su inversa hay que
transformar la matriz (A I In) mediante transformaciones elementales por filas
en la matriz (In I B). La matriz B será, evidentemente, la inversa de A.

Para aplicar el método se necesita una matriz cuadrada de rango máximo.
Sabemos que no siempre una matriz tiene inversa, por lo cual comprobaremos
que la matriz tenga rango máximo al aplicar el método de Gauss para realizar
la triangulación superior. Si al aplicar el método de Gauss (triangulación
inferior) se obtiene una línea de ceros, la matriz no tiene inversa.
Ejemplo VOLVER

Cálculo de la Matriz Inversa por el método de Gauss - Jordan
Cuando hacemos transformaciones elementales en una matriz, esto es
equivalente a multiplicarla por otra matriz dada. Ejemplo:

1 1 0 1 1 0
F2 – 2F1 g F2
2 1 1 0 1 1
1 1 2 F1 + F3 g F3
0 2 2

Esta transformación es equivalente a la siguiente multiplicación:

1 0 0 1 1 0 1 1 0
2 1 0 2 1 1 0 1 1
1 0 1 1 1 2 0 2 2

En consecuencia al transformar (A I In) en (In I B) realmente lo que
estamos haciendo son las siguientes multiplicaciones:
A-1·A= In y A-1 · In = A-1=B
VOLVER


Aplicando el método de Gauss-Jordan a la matriz

•En primer lugar triangulamos inferiormente:

•Una vez que hemos triangulado superiormente lo hacemos inferiormente:

Por último, habrá que convertir la matriz diagonal en la matriz identidad:

De donde, la matriz inversa de A es

VOLVER


Aplicando el método de Gauss-Jordan a la matriz se tiene:

Como hay una fila completa de ceros, la matriz A no tiene rango máximo, en
este caso 2, por tanto no tiene inversa pues es una matriz singular

VOLVER

Gauss, Carl Friedrich

b. April 30, 1777, Brunswick [Germany]
d. Feb. 23, 1855, Göttingen, Hanover

Original name JOHANN FRIEDRICH CARL GAUSS German mathematician
who also made contributions to other sciences.

VOLVER

Queremos calcular la inversa de

1º.- Se escribe la matriz A junto a esta la matriz identidad,

2º.- Triangularizamos la matriz A de arriba a abajo y realizamos las mismas operaciones en la matriz de la derecha.

Como podemos observar el rango de la matriz es máximo (en este caso 3), por tanto la matriz A es regular
(tiene inversa), podemos calcular su inversa.

3º.- Triangularizamos la matriz de abajo a arriba, realizando las mismas operaciones en la matriz de la derecha.

4º.- Por último se divide cada fila por el elemento diagonal correspondiente.

VOLVER


VOLVER

Cálculo de la matriz inversa usando determinantes

Dada una matriz cuadrada A, se llama matriz adjunta de A, y se representa
por Adj(A), a la matriz de los adjuntos, Adj(A) = (Aij).

Ejemplo

Si tenemos una matriz tal que det (A) 0, se verifica:

Esto es fácil probarlo puesto que sabemos que la suma de los productos de
los elementos de una fila por sus adjuntos es el valor del determinante, y que
la suma de los productos de los elementos de una fila por los adjuntos de
otra fila diferente es 0 (esto sería el desarrollo de un determinante, que tiene
dos filas iguales, por los adjuntos de una de ellas). Ejemplo

Rango de una matriz
Se llama “menor” de orden p de una matriz al determinante que resulta de
eliminar ciertas filas y columnas hasta quedar una matriz cuadrada de orden
p. Es decir, al determinante de cualquier submatriz cuadrada de A (submatriz
obtenida suprimiendo alguna fila o columna de la matriz A).

En una matriz cualquiera A m×n puede haber varios menores de un cierto
orden p dado.

Definición:
El RANGO (o característica) de una matriz es el orden del mayor de los
menores distintos de cero. El rango o característica de una matriz A se
representa por rg(A).

Consecuencia
Por tanto, el rango no puede ser mayor al número de filas o de columnas.

Rango de una matriz
Vectores fila de una matriz:
Las filas de una matriz pueden ser consideradas como vectores. Es posible
que sean linealmente Independientes (L.I.) y es posible que unos
dependan linealmente de otros. Por ejemplo:

2 3 2 5
A Sus dos filas son linealmente independientes
1 3 4 2
1 3
2 1 Las dos primeras líneas son L.I., las otras dos dependen linealmente
B
0 5 de las primeras
3 4
F3 2 F1 F 2 F4 F1 F 2
1 5 3
Las dos primeras filas son L.I. la tercera depende linealmente de
C 9 0 2
las dos primeras
8 5 1 F 2 F1 F3
Se llama rango de una matriz al número de filas Linealmente Independientes

Rango de una matriz
Vectores columna de una matriz:
También las columnas de una matriz pueden ser consideradas como vectores.
Podríamos definir rango de la matriz como el número de columnas linealmente
independientes, pero aparece la duda de si esa definición puede contradecir
en algún caso la anterior.

Es decir: ¿Es posible que en una matriz el número de filas linealmente
independientes sea distinto del número de columnas linealmente
independiente?. El siguiente teorema nos asegura que no.

Teorema
En una matriz el número de filas L.I. coincide con el número de
columnas L.I.
Por esto podemos dar una nueva definición de Rango:

Rango de una matriz es el número de filas, o columnas,
linealmente independientes.

Rango de una matriz

El rango de una matriz lo podemos calcular por dos métodos diferentes:

 Por el método de Gauss

 Usando Determinantes

Rango de una matriz
Cálculo del rango de una matriz por el método de Gauss
Transformaciones elementales:
Son las transformaciones que podemos realizarle a una matriz sin que su
rango varíe.

Las transformaciones elementales son las siguientes:
Permutar 2 filas ó 2 columnas.

Multiplicar o dividir una línea por un número no nulo.

Sumar o restar a una línea otra paralela multiplicada por un número no nulo.

Suprimir las filas o columnas que sean nulas,

Suprimir las filas o columnas que sean proporcionales a otras.

Rango de una matriz

El método de Gauss consiste en aplicar transformaciones elementales a una
matriz con objeto de conseguir que los elementos que están por debajo de la
diagonal principal se anulen (aij = 0,para i > j).
Para conseguir "triangular" la matriz debemos dejar en la diagonal principal
elementos no nulos, salvo que la fila sea nula.
Una vez aplicado este proceso de triangulación, el rango de la matriz es el
número de filas no nulas de la matriz obtenida. Esto es fácil probarlo usando
las propiedades de los determinantes.

Ejemplo Más Ejemplos

Rango de una matriz

VOLVER

Rango de una matriz


El método de Gauss consiste en aplicar transformaciones elementales a
una matriz con objeto de conseguir que los elementos que están por
debajo de la diagonal principal se anulen (aij = 0,para i > j).
Para conseguir "triangular" la matriz debemos dejar en la diagonal principal
elementos no nulos, salvo que la fila sea nula.
Una vez aplicado este proceso de triangulación, el rango de la matriz es el
número de filas no nulas de la matriz obtenida. Esto es fácil probarlo
usando las propiedades de los determinantes.

Ejemplo Más Ejemplos

Determinantes
Dada una matriz cuadrada

se llama determinante de A, y se representa por |A| ó det(A), al número:

, con

(Sn es el grupo de las permutaciones del conjunto {1, 2,.. n}, e i (s) es la
signatura de la permutación)

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