Matrices, determinantes y Sistemas. 8 boletines de ejercicios. Respuestas

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1

1.- a) El producto P · Q, siempre será una matriz 2xn pero en el caso de Q · P, sí existe, bastaría tomar Q = ( 1 1) como vector fila 2

 −1 3   −1 3   1 0   7 0   3 −9   −2 0   8 −9  b) M =   − 3  − 2 = + + =   2 1  2 1  0 1  0 7   −6 −3   0 −2   −6 2  2.- 2A = AX + B AX=2A – B X = A-1 (2A – B) −1

 1 0    1 0   −1 2   1 0   3 −2   3 −2  X =   2 −  =   =   −1 1   −1 1  −3 1  1 1  1 1  4 −1 −1

−1

1 0 0 0 1 0  1 −1 0   1 1 1 −1         3.- ( I − A ) =   0 1 0  −  0 0 1   =  0 1 −1 =  0 1 1     0 0 1 0 0 0    0 0 1   0 0 1  2 α 1 1   4.-  2 α α 2 1  2 1 1 2  

α

1

1

2 α α 2 = α 2 + 2α 2 + 2 − 2α − 2 − α 3 = −α 3 + 3α 2 − 2α = −α (α − 1)(α − 2 ) 2 1 1 Si α ≠ 0 y α ≠ 1 y α ≠ 2 entonces rang(A)=3

0  Si α ≠ 0 entonces la matriz es  2 2  1  Si α ≠ 1 entonces la matriz es  2 2 

1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

2 0  1  y tiene rang(A)= 3 pues 2 2  2 2 1  1  y tiene rang(A)= 3 pues 2 2  2

1 2 0 1 =2≠0 1 2 1 2 1 1 = −1 ≠ 0 1 2

 2 1 1 2   Si α ≠ 2 entonces la matriz es  2 2 4 1  y tiene rang(A)= 2 pues F1 = F3  2 1 1 2   1 0 0 a 1 0 a 0 1 0 0 1 0 5.= 1 ⋅ 0 1 0 = 1⋅ =1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1

3x − 2 y + z = m   3 −2 1 m  3 −2 1   5 x − 8 y + 9 z = 3 5 − 8 9 3  6. donde A = 5 −8 9 = 0 ⇒ rang ( A) = 2  2 x + y − 3z = −1  2 1 −3 −1 2 1 −3

Worksheet 21


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Luego, para que el sistema sea compatible, necesitamos que el rango de la ampliada sea también 2, por tanto

3 −2

m

1 5 −8 3 = 21m − 7 = 0 ⇒ m = para este valor de m el sistema es compatible indeterminado y 3 2 1 −1 para cualquier otro valor de m es incompatible 7.-

m 1  3  3   mx + y   3z   3   mx + y + 3z   3   m 1 3  x   3     x                     1 −1  ⋅  y  +  −1 ⋅ z =  0  ⇔  x − y  +  − z  =  0  ⇔  x − y − z  =  0  ⇔  1 −1 −1 y  =  0   5 −3     2   6   5 x − 3 y   2 z   6   5 x − 3 y + 2 z   6   5 −3 2  z   6                       m

1

3

1

3

3

1 5

−1 −1 = −5m − 1 y −1 −1 0 = −3 ≠ 0 −3 2 −3 2 6

a) Discutirlo según los valores de m Si m ≠

−1 entonces rang(A) = 3 = ran(A*) = nº incognitas SISTEMA COMPATIBLE 5

DETERMINADO Si m =

−1 entonces rang(A) = 2 ≠ ran(A*) = 3 SISTEMA INCOMPATIBLE 5

b) Resolverlo en el caso de m = 2 En este caso el sistema es INCOMPATIBLE, no hay nada que resolver

Worksheet 22


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2

1 −1 x   1   =  1 1  y   x

y  2   x − y   2 + y  x − y = 2 + y  x − 2 y = 2  y = −1      ⇔  = ⇔ −1  1   x + y   2 x − 1  x + y = 2 x − 1 − x + y = −1 x = 0 

1.  2.

1 0  M = 0 α 4 1 

-1   3  ; M = −α 2 + 4α − 3 = − (α − 1)(α − 3) -α 

Entonces cuando α = 1 ó α = 3 la matriz M no tiene inversa por ser singular. En el resto de los casos si. Concretamente para α = 2 se tiene que la inversa es:

 1 0 -1   -7 -1 2      −1 M =  0 2 3  ⇒ M = 12 2 -3   4 1 -2       -8 -1 2  3.

2

0

−1 1

≠ 0 ⇒ ran( A) es por lo menos 2

1

a

1

2

0 -1 = a + 2 + 1 + 2a = 3a + 3 = 3(a + 1) ⇔ el determinante es no nulo si a ≠ -1;luego rang(A)=3

-1 1 -1 Podría parecer que para a=-1 el rango ya es 2 pero queda comprobar el valor del determinante de las columnas C1, C2 y C4 cuando a = -1.

1

-1 2

2 0 -1 1

1 = 1 + 4 − 1 = 4 ≠ 0 ⇒ rang ( A) = 3 0

Por tanto, nuestra matriz A tiene siempre rango 3 para todo valor a.

4.

a a a a

a

a

a

a

2 a a a

2−a

0

0

0

3− a

2−a

0

0

3 2 a a 4 3 2 a

=

4 − a 3− a

2−a 0

2−a = −a 3 − a

0

0

2−a

0

4− a 3− a

= −a ( 2 − a )

3

2−a

5.

(a + 1) x + 2 y + z = a + 3  a + 1 2 1   x   a + 3        ⇔ a 1 0 y  =  a  ax + y = a ax + 3 y + z = a + 2  3 1   z   a + 2    a a +1 2 1 a a

1 0 = ( a + 1) ⇔ rang ( A) = 3 sii a ≠ −1 3 1

Worksheet 23


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0 2 2 0 2 1 2   Si a = -1 tenemos que rang(A)=2 y la ampliada  −1 1 0 −1 tiene −1 1 −1 = 0 luego rang(A*) =  −1 3 1 1  −1 3 1   2 por tanto la discusión del sistema es COMPATIBLE DETERMINADO, solución única si a ≠ -1 COMPATIBLE INDETERMINADO Si a = -1 y sus infinitas soluciones se obtienen parametrizando una de las incógnitas, y calculando las otras dos:

y = 1−

λ

2 2y = 2 − λ  λ  − x + y = −1 x = 2 − 2  z=λ  z=λ 6.

 x  x + 2 y + z = 0  1 2 1 0     0     y    y + 2 z + t = 0   0 1 2 1    =  0  ; que es un sistema homogéneo, luego siempre es 2 x + 2λ y − t = 0  2 2λ 0 −1  z   0         t COMPATIBLE y la solución trivial x = 0; y = 0; z = 0; t = 0; siempre es solución. Por otro lado, cualquiera que sea el valor de λ el rang(A) = rang(A*) va a ser menor que el número de incógnitas que son 4, luego el sistema es COMPATIBLE INDETERMINADO, ahora bien, segúns ea el valor de λ hay que parametrizar una ó dos incógnitas

1 1

0

1

2

0 2 1 =0 y 0 1 2 0 −1 2 2λ

0

3 3 1 = −2λ + 3 ; luego cuando λ = el rang(A)=2 y si caso λ ≠ el rang(A)=3. 2 2 −1

Para λ = 0 el rang(A)=3 luego tenemos que parametrizar una de las variables. por ejemplo la t:

1 λ  λ  −λ −  −   = −  y = − λ  2 4  2  4 x + 2 y = −λ   −3λ y + 2 z = −λ  z = 1  −λ −  − λ   = −3λ  z =   8  2 8   4  2x = λ   λ λ  x= t = λ  x= 2  2  t=λ t =λ  y=

Worksheet 24


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3

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1.

 0 r  0 r   rs 0  M2 =  =   s 0  s 0   0 rs   rs 0   0 r   0 r 2 s  3 2 M =M M =   = 2 0   0 rs   s 0   rs  0 r 2s   0 r   r 2s2 0  M 4 = M 3M =  2   = 0  s 0  0 r 2s2   rs ........ M

2k

 r k sk =  0

0   r s  k k

2. El determinante

0

0

0 −1

= 0 luego rang(A) es al menos 1

m 0 0 0 m = m 2 que será cero sii m = 0. Para que sea tres el |A| ≠ 0 luego A = 0 0 −1 m + 1 Por tanto si m≠ 0 => rang(A) = 3 Si m = 0 => rang(A) = 1 Si m = -1 sabemos que |A|= m2 = (-1) 2 = 1 ≠ 0; luego A tiene inversa. Multiplicando por la derecha ambos miembros d ela igualdad por la A-1 se tiene :

XA + A = 2 I ⇔ XA = 2 I − A ⇔ XAA−1 = ( 2 I − A ) A−1 ⇔ X = ( 2 I − A ) A−1

Por lo que

 1   X = ( 2 I − A ) A−1 =  2  0   0  3 0 0   −1 0   ... =  0 2 1   0 0  0 1 2   0 −1  

−1

0 0   −1 0 0    −1 0 0       1 0  −  0 0 −1   0 0 −1 = ... 0 1   0 −1 0    0 −1 0  0   −3 0 0     −1 =  0 −1 −2  0   0 −2 −1 

3.

Worksheet 25


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2 0 0  0 0 2  0 0 2   4 0 0   2        2 A = A ⋅ A =  0 2 0  0 2 0  =  0 4 0  =  0 22 0   2 0 0  2 0 0   0 0 4   0 0 22         3  4 0 0  0 0 2   0 0 8   0 0 2         A3 = A2 ⋅ A =  0 4 0  0 2 0  =  0 8 0  =  0 23 0   0 0 4  2 0 0   8 0 0   23 0 0         4 0 0  0 0 8   0 0 2  16 0 0   2        A4 = A3 ⋅ A =  0 8 0  0 2 0  =  0 16 0  =  0 24 0   8 0 0  2 0 0   0 0 16   0 0 24        

A

2000

 22000  = 0  0 

0

0   0  22000 

c c

2+a+b+c b = 2+a+b+c 2+b

0 2

2000

4.

2+a b a 2+b a

b

2+c

2+a+b+c

b

c c 2+c

2+a+b+c b c = 0 2 0 = 4(2 + a + b + c) 0

0 2

5. m−2 1 2 = ( m − 2 ) − 1 = m 2 − 4m + 3 = ( m − 1)( m − 3) lo que implica que este determinante es 0 1 m−2 para m = 1 o m = 3 entonces: Si m ≠ 1 y m ≠ 3 entonces rang(A) = 2 = nº incognitas => SISTEMA COMPATIBLE DETERMINADO solución única que por tanto es la trivial x = 0 y = 0 que siempre es solución de un sistema homogéneo Si m=1 o m=3 entonces rang(A)=1 => SISTEMA COMPATIBLE INDETERMINADO Lo resolvemos para m en general, para que valga tanto para m=1 ó m=3. Parametrizamos la incógnita y, resultando

(m − 2) x = −λ ⇔ x =

−λ m−2 y=λ

6. ax + y + z = (a − 1)(a + 2)   a 1 1  x   (a − 1)(a + 2)   a 1 1 (a − 1)(a + 2)          a)  x + ay + z = (a − 1) 2 (a + 2)   1 a 1  y  =  (a − 1)2 (a + 2)  ;  1 a 1 (a − 1) 2 (a + 2)  3 3        3   x + y + az = (a − 1) (a + 2)   1 1 a  z   (a − 1) (a + 2)   1 1 a (a − 1) (a + 2) 

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a 1 1 1 a 1 = a 3 − 3a + 2 = (a − 1)2 (a + 2) por lo que este determinante es 0 para a = 1 y a = 2 1 1 a Si a ≠ 1 y a ≠ -2 el rang(A) = rang(A*) = 3 = nº incógnitas => SISTEMA COMPATIBLE determinado de solución única

1 1 1 0    Si a = 1 el rang(A) = 1 y la ampliada es 1 1 1 0  , luego las 3 ecuaciones son iguales, por lo que 1 1 1 0    rang(A*) = 1 => SISTEMA COMPATIBLE INDETERMINADO

−2 1 0  −2 1 1 0    Si a = -2 el rang(A) = 2 y la ampliada es  1 −2 1 0  , donde 1 −2 0 = 0 luego rang(A*) = 2  1 1 −2 0  1 1 0   => SISTEMA COMPATIBLE INDETERMINADO b) Pendiente de explicar geometría del espacio c)

x=

1 −λ 3 −λ

1 3λ = =λ −2 3

−2 x + y = − λ  1 −2 −λ 3λ  x − 2 y = −λ  y = = =λ 3 1 −λ 3  z=λ  z=λ

Worksheet 27


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4

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1.

 1  8 3   −6 A − 4 B = −2    −13B = 3  −1    5 4      1 2  A=  6 A − 9B = 3   −6    −1 −6  

8 3 A + 2B =  5 1 2 A − 3B =   −1

3  4 2

2   8 3   −13 0    − 2 =  −6   5 4   −13 −26     1 2  1   3B +    2  −1 −6   

    1  1 0   1 2    2 1   A = 3  +  =   2  1 2   −1 −6    1 0   B=

2. A =

1  −13 0  1 0   =  −13  −13 −26  1 2 

2a

a

a

a

a

2a

a

a

a

a

2a

a

a

a

a

2a

5a =

a

a

a

5a 2a

a

a

5a

a

2a

a

a

a

2a

5a

5a a a a =

0

a 0 0

0

0 a 0

0

0 0 a

= 5a 4

−1

 2a a a a   4 −1 −1 −1     a 2a a a  1  − 1 4 −1 −1  −1  A = =  a a 2a a  5a  −1 −1 4 −1    a a a 2a     −1 −1 −1 4 

3. (Galicia, Prueba previa Selectividad 2001) a) Discutir en función de los valores de k y resolver cuando tenga mas de una solución el sistema

1

1 1 2 3 x + y + 2z = 3   1 1 2   x   3           2 x − y + kz = 9  ⇔  2 −1 k   y  =  9  ; A* =  2 −1 k 9   x − y − 6 z = 5   1 − 1 −6   z   5   1 − 1 −6 5           1 2

2 −1 k = −6 + k − 4 + 2 + k + 12 = 2k + 4 = 2(k + 2) ; por lo que este determinante será cero si k = -2. 1 −1 −6 Si k ≠ -2 el rang(A) = rang(A*) = 3 = nº incognitas es un SISTEMA COMPATIBLE DETERMINADO de solución única. 1 1 2 3   Si k = 2 rang(A) = 2, pero veamos lo que ocurre con la ampliada. La matriz queda A* =  2 −1 2 9   1 − 1 −6 5    1

1

3

−1 9 = −5 + 9 − 6 + 3 + 9 − 10 = 0 el rang(A*) = 2 por loq ue el sistema resulta COMPABLE 1 −1 5

Como 2

INDETERMINADO de infinitas soluciones que se resuelve parametrizando una de las incógnitas y calculando las otras dos por Cramer:

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−1 3 − 2λ 3 9 + 2λ

 =2  −1  x + y = 3 − 2λ   −1 1 3 − 2λ   2 x − y = 9 + 2λ  y = = 2λ + 1 ( x, y, z ) = ( 2, 2λ + 1, λ ) 3 2 9 + 2λ   z=λ   z=λ    1 1 2 3   c) Para k = -2 el rang(A*) = rang  2 −1 −2 9  = 2 luego existen α, β tales que F3 = α F1 + β F2 es  1 −1 −6 5    x=

1

decir (1, -1, -6, 5) = α(1, 1, 2, 3) + β (2, -1, -2, 9) Y una combinación nula para las columnas sería encontrar otro α, β, γ tales que C4 = α C1 + β C2 + γ C3 En ambos casos hay que resolver el sistema formado y calcular α, β, γ 4. a)

− x + λ y + 2 z = λ  −1 λ 2   x   λ         2 x + λ y − z = 2 ⇔  2 λ −1  y  =  2   λ x − y + 2z = λ        λ −1 2   z   λ  −1 λ 2 2

λ

(

)

−1 = −2λ − λ 2 − 4 − 2λ 2 + 1 − 4λ = −3λ 2 − 6λ − 3 = −3 λ 2 + 2λ + 1 = −3 ( λ + 1) −1 2

λ

2

Si λ ≠ -1 entonces rang(A) = 3 = rang(A*) = nº incognitas => SISTEMA COMPATIBLE DETERMINADO SOLUCION UNICA

−1

2

−1

−1 2 = 0 rang(A*) = 2 => SISTEMA COMPATIBLE −1 2 −1

Si λ = -1 entonces rang(A) = 2 y 2

INDETERMINADO. b) Para λ = 1 el sistema es COMPATIBLE determinado de solución única, por loq ue lo resolvemos por Cramer:

 −1 1 2   x   1        2 1 −1   y  =  2   1 −1 2   z   1       1 1 2 −1 −1 10 5 x= 2 1 −1 = ( −10 ) = = 12 12 12 6 1 −1 2

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−1 1 2 10 5 −1 −1 y= 2 2 −1 = ( −10 ) = = 12 12 12 6 1 1 2 −1 1 1 6 3 −1 −1 z= 2 1 2 = ( −6 ) = = 12 12 12 6 1 −1 1 c) Resolver el sistema para λ = -1 el sistema es COMPATIBLE Indeterminado de infinitas soluciones. Parametrizamos el sistema llamando µ a la incógnita z, quedando el sistema

5. Dado el sistema de ecuaciones lineales

ax + y + z = 1  a 1 1   x   1       x + ay + z = b   1 a 1   y  =  b      x + y + az = 1   1 1 a   z   1  a 1 1 1 a 1 = a 3 − 3a + 2 = ( a + 2 )( a − 1) 1 1 a Si a ≠ -2 y a ≠ 1

2

a) discutir el sistema en función de a y b b) resolver el sistema para a = b = -2

Worksheet 30


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Answers Worksheet 5 1. (Asturias, Septiembre 2007) Sea la matriz

 −1 −2 −2    A= 1 2 1   0 − 1 −1    a) Comprueba que A3 – I = 0, donde I es la identidad y 0 la matriz nula b) Calcula A13. c) Basándose en los apartados anteriores y sin recurrir al cálculo de inversas, halla una matriz X que verifique la igualdad A2X + I = A 2. (Castilla la Mancha, septiembre 2001) Dadas las matrices

 − 1 −1 3   1 0  0 −1 2      A =  −1 0 −3  ; B =  −1 2  ; C =    −2 1 −1  −1 2 1   0 1     c) Halla la inversa de A- BC d) Resuelve la ecuación matricial AX – BCX = A 3.

x2 a a a

a x2 a a

a a x2 a

a x 2 + 3a a x 2 + 3a = 2 a x + 3a 2 x x 2 + 3a

x2 − a ... = ( x 2 + 3a ) 0 0

a x2 a a

0 x −a 0 2

a≥0⇒

a x 2 + 3a a 0 = a 0 2 x 0

a a x2 a

a x −a 0 0 2

a 0 2 x −a 0

a 0 = ... 0 x2 − a

0 3 x 2 + 3a = 0 x = ± −3a 0 = ( x 2 + 3a )( x 2 − a ) = 0 ⇒ ⇒ 2 x − a = 0 x=± a x2 − a

x=±

(

3a

)

−1 = ±

(

)

3a i

x=± a x=± En ℂ las soluciones son: a < 0 ⇒

x=±

(

(

) (

−3a = ±

) ( a)

− a =±

3a

)

−1 = ±

( a )i

Worksheet 31


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4.-

     x + 2y − z = 2  1 2 −1 2    x + (1 + b) y − bz = 2b  1 1 + b −b 2b  x + by + (1 + b) z = 1  1 b 1 + b 1    A    A*  −1 1 2 0 1 − b −1 + b 1 1+ b 1

b

−b

= 0 F1 − F2 1 + b F2 − F3 1

1 b

−2b − 1 = (1 − b ) 1+ b

1

−1

1 −2b − 1

= − (1 − b ) 2b = 0 ⇒ b =

1 0

F3

Si b ≠ 0 y b ≠ 1 ⇒

rang(A) = rang(A*) = 3 = nº incógnitas SISTEMA COMPATIBLE DETERMINADO SOLUCION UNICA que podemos resolver por la regla de Cramer en función del parámetro b

2 2 −1 2b 1 + b −b 1 b 1 + b 2b 2 − b + 3 (1 − b ) ( 2b + 3) 2b + 3 x= = = = 2b(1 − b) 2b(1 − b) 2b 2b (1 − b) 1 2 −1 1 2b −b 1 1 1 + b 2b 2 + b − 3 − (1 − b ) ( 2b + 3) −2b − 3 y= = = = 2b(1 − b) 2b(1 − b) 2b 2b (1 − b)

z=

1 2 2 1 1 + b 2b 1 b 1 2b(1 − b)

=

−2b 2 + 5b − 3 (1 − b ) ( 2b − 3) 2b − 3 = = 2b(1 − b) 2b 2b (1 − b)

Si b = 0 ⇒

1 2 2  1 2 −1 2    1 1 0 0  donde rang(A)=2 y como 1 1 0 = 1 − 2 − 2 = −3 ≠ 0 ⇒rang(A*)=3 1 0 1 1  1 0 1   ⇒ SISTEMA INCOMPATIBLE Si b = 1 ⇒ 1 2 2  1 2 −1 2    1 2 −1 2  donde rang(A)=2 y como 1 2 2 = 0 ⇒rang(A*)=3 1 1 2 1  1 1 1   ⇒ SISTEMA COMPATIBLE INDETERMINADO INFINITAS SOLUCIONES Parametrizamos la incognita z = λ y resolvemos las otras dos incógnitas en función del λ.

Worksheet 32


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x + 2y = 2 + λ 2+λ  x + y = 1 − 2λ  ⇒ x = − 1 − 2λ  z=λ 

2 1 2+λ = −5λ ; y = − = − ( −1 − 3λ ) = 1 + 3λ 1 1 1 − 2λ

5.-

    kx + 3 y = 0   k 3 0    3x + 2 y = k   3 2 k  3x + ky = 0   3 k 0  A     A*  k 3 0 A * = 3 2 k = 9k − k 3 = k ( 9 − k 2 ) = 0 ⇒ 3 k

0

k =0 9− k2 = 0

k = ± 9 = ±3

Si k ≠ 0; k ≠ +3; k ≠ -3⇒

Rang(A*)=3≠ rang(A) < 3 ⇒ SISTEMA INCOMPATIBLE Si k = 0 3y = 0  y = 0  3x + 2 y = 0  ⇒Rang(A) = 2 = rang(A*)=nº incognitas ⇒ SISTEMA COMPATIBLE 3x + = 0  x = 0 DETERMINADO SOLUCION UNICA luego, al ser el sistema homogéneo, la solución es la trivial x=0; y = 0 Si k = 3

3x + 3 y = 0   y = 3 3 x + 2 y = 3 ⇒Rang(A) = 2 = rang(A*) = nº incognitas ⇒ SISTEMA ⇒ x = − 3  3x + 3 y = 0  COMPATIBLE DETERMINADO SOLUCION UNICA que es x = -3 e y = 3 Si k = -3

−3 x + 3 y = 0  −3   y=   3 x + 2 y = −3  5 ⇒ 3  ⇒Rang(A) = 2 = rang(A*) = nº incognitas ⇒ SISTEMA  x = 5  3x + −3 y = 0 

COMPATIBLE DETERMINADO SOLUCION UNICA que es x = 3/5 e y = -3/5

Worksheet 33


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Answers Workshett 6

1.

 1 3 1 2 λ     1 + 2λ 3 + 2λ  a) AB =  λ 0 =   1  1 −1 −1  0 2   1 − λ   Calculamos para que dos valores de se anula el determinante, lo cual indica que para ellos AB to tiene inversa por tratarse de una matriz singular. 1 1 + 2λ 3 + 2 λ 2 2 = 1 + 2λ − ( 3 + 2λ − 3λ − 2λ ) = 2λ + 3λ − 2 = 0 ⇒ λ = 2 1− λ 1 −2 b)

 1 3  4 −1 λ − 3    1 2 λ   2  BA =  λ 0    =  λ 2λ λ   0 2   1 −1 −1  2 −2 −2      Y esta matriz será singular cuando su determinante sea cero, por tanto 4 −1 λ − 3 4 −1 λ − 3 2 λ 2λ λ = 2 λ 1 2 λ = 2λ  −8 − λ − λ + 3 − ( 2 − λ − 6 − 4 − λ + 1)  = ... 2 −2 −2 1 −1 −1 ... = 2λ  −8 + 3 − ( 2 − 6 − 4 + 1)  = 4λ

Worksheet 34


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4.- (Navarra, Junio 2006) Discute según los valores del parámetro α, el siguiente sistema de ecuaciones lineales, resolviéndolo cuando sea posible  x− y−z =0 −1 −1 0   1   2 2 x + (α − α − 1) y = −1 0 −1   1 α − α − 1 2 2  x + (α 2 − α − 1) y + (α − 2 ) z = 1 − α 2  1 α − α − 1 α − 2 1 − α  1 −1 −1 1 0 0 1 1 1 α 2 − α −1 0 = 1 α 2 −α 1 = (α 2 − α ) = α (α − 1)(α − 2 ) 1 α −1 2 2 1 α − α −1 α − 2 1 α − α α −1 Si α ≠ 0, α ≠ 1 y α ≠ 2 el sistema es COMPATIBLE DETERMINADO con solución única dependiente del valor α y que se calcula por Cramer: 0 −1 −1

α 2 − α −1 0 2 2 1 − α α − α −1 α − 2 = ... x= α (α − 1)(α − 2 ) −1

y=

1

0

1

−1

1 1−α

−1 0

α −2 = ... α (α − 1)(α − 2 ) 2

−1

1

1 α − α −1 2

0 −1

1 α − α −1 1 − α 2 2

z=

α (α − 1)(α − 2 )

= ...

Si α = 1 el rang(A) = 2, pero el determinante formado por las columnas C1 C3 y C4 1 −1 0

1 0 −1 = 1 − 1 = 0 => Rang(A*) = 2 => sistema COMPATIBLE INDETERMINADO 1 −1 0 Las infinitas soluciones se obtienen parametrizando una de las incógnitas, en este caso la y = λ y las otras dos se obtienen por Cramer resolviendo el sistema siguiente: x − z = λ  x = −1; y = λ ; z = −1 − λ ⇔ ( x, y, z ) = (−1, 0, −1) + λ (0,1, −1) x = −1  Si α = 2 el rang(A) = 2, pero el determinante formado por las columnas C1 C2 y C4 queda 1 −1 0

1 1

1 1

−1 = −3 + 1 + 1 − 3 = −4 ≠ 0 => Rang(A*) = 3 => SISTEMA INCOMPATIBLE −3

Si α = 0 el rang(A) = 2, pero el determinante formado por las columnas C1 C3 y C4 queda

Worksheet 35


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1 −1

0

1 0 −1 = 1 − 2 + 1 = 0 => Rang(A*) = 2 => sistema COMPATIBLE INDETERMINADO 1 −2 1 Las infinitas soluciones se vuelven a obtiener parametrizando una de las incógnitas y resolviendo por Cramer el sistema que se forma.

Worksheet 36


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Answers Worksheet 7 1.-

−1

1

2

−1 −1

2 = −2

2

−1

1

 1 −1  AB = C ⇔  −1 −1 2 1  a − b + 2c 0  ... ⇒  −2 − a − b + 2c  3 2a + b + c  −1 −1 2 t

... ⇒ a =

−5 −1

2

6

−1

1 −2

2 1 a  2 1 b −1  0 c −3   0   −3  =  −2 2   3

0   0 − 1 −3     1  =  −2 −5 −3  ⇒ ... −1  3 6 2  −1 −3  a − b + 2c = −1   −5 −3  ⇒ −a − b + 2c = −5 ⇒ ... 6 2  2a + b + c = 6  1 −1 2 1 −1 −1 −1 −5

=

2 −4 = 2; b = −2

6

−1 −1 −5

2 −1

−2

=

2 −2 = 1; c = −2

1

6

−2

=

2 = −1 −2

2.-

−1 1 A= 0 2

0

1 0 = 1 luego es no singular, luego existe A-1 0 −1

 −1 0 2   −1 1 0  1 1     A−1 = adj ( At ) = adj  1 1 0  =  0 1 0  A 1  0 0 −1  −2 2 −1      − 1 1 0    1 0 0   −2 2 0         AX + 2 A = I ⇔ AX = ( I − 2 A ) ⇒ X = A ( I − 2 A) =  0 1 0   0 1 0  −  0 2 0   = ...        −2 2 −1  0 0 1   4 0 −2   −1

 −1 1 0   −1 −2 0   −3 1 0       ... =  0 1 0   0 −1 0  =  0 −1 0   −2 2 −1  −4 0 3   −2 2 −3        2 −1  0 1 3.- rang ( A) = rang  0 0  0 0 

4.- A =

1 2 2 3  1 1 8 9 =4 1 1 4 6  0 1 8 9 

1

−2

1

−1

−1

0

0

−2

2

−1

2

−2

2

−1 2

2

−3

1

−2

F1 + F2

0

−1

0

0

3

−2

1

−2

F3 + F2 F4 + F2

1

0

0

0

=

1

−1 = (−1)(−1)

3+ 2

0

1

−2 −1 2 = 1

0

0

0

1

−1 2

=1

Worksheet 37


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5.x + 2 y + z = A 1 2 1 A  1 2 1    x + y + z = B  A A* = 1 1 1 B  ; A = 1 1 1 = 2 ; luego A es no singular o regular. 1 1 −1 C  x + y − z = C  1 1 −1   Entonces para cualquier valor de A, B y C se tiene por Rocuhé-Fröbenius. que rang(A)=3 =rang(A*) = nº incógnitas ⇒ SCDU que se calcula por la Regla de Cramer:

A 2 1 1 A 1 1 2 A −2 A + 3 B + C B −C 1 1 1 x= B 1 1 = ; y = 1 B 1 = A − B; z = 1 1 B = 2 2 2 2 2 C 1 −1 1 C −1 1 1 C 6.x − ay = 2   1 −a 2  2  ;  A A * =   ; A = a −1 ax − y = a + 1 a 1 a 1 − +   Por Rouché-Fröbenius siempre que a2 -1 ≠ 0 (a≠1 and a≠-1) el rang(A) = 2 = rang (A*) = nº incognitas lo que implica que el sistema es SCDU y las soluciones las obtenemos por la Regla de Cramer 2 −a 1 2 2 a + 1 −1 a + a − 2 ( a + 2 ) ( a − 1) a + 2 a a +1 1− a −1 x= = = = ;y= = 2 = 2 2 2 a −1 a −1 a −1 a −1 a + 1 ( a − 1) ( a + 1) a + 1 Si queremos que y = 2 sea una solución se tiene que verificar que −1 −1 3 y= ⇒2= ⇒ 2 a + 2 = −1 ⇒ a = − a +1 a +1 2

Worksheet 38


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Answers Worksheet 8 1.-

 −2   1 0 0   1  E − xAB = yC + zD ⇔  −5  − x  1 1 0   2  =  5  3 0 11      1x − 2 y + z =  −2   1x − 2 y + z      ... ⇔  −5  =  3x − 5 y + 2 z  ⇔ 3x − 5 y + 2 z =  5   4 x + 2 y − 3z  4 x + 2 y − 3z =    

 −2   1   −2  1  −2   1           y  −5  + z  2  ⇒  −5  = x  3  + y  −5  + z  2  ⇒ ...  2   −3   5   4  2   −3              −2   −5 ⇔ ... 5 

 −2   1 −2 1   x   x   1 −2 1            −5  =  3 −5 2   y  ⇒  y  =  3 −5 2   5   4 2 − 3   z   z   4 2 −3          

−1

 −2   1       −5  =  2   5  1    

2.

1 1 A =  0 0 

 1 0  ; 0 1   1 1n A2 = A ⋅ A =  0 1 0 0  1

n

1

n

 1 1 n 1 n   1 2 n 2 n     0   0 1 0  =  0 1 0   0 0 1   0 0 1  1     3 3 2 2 1 1  1 n n  1 n n   1 n n       3 2 A = A ⋅ A =  0 1 0  0 1 0  =  0 1 0   0 0 1  0 0 1   0 0 1       .... 1  n n −1 A = A ⋅ A = 0 0 

1

n −1

1 0

n

n

1  0 0 1   0

n −1

n

1

n

1 0

 1 1 1    0  = 0 1 0 1   0 0 1 

1

n

3.

0  1    - 2 2 0  A =  1 − 1 y B =  3 1 1   − 2 2    a) NO. Contraejemplo: En las matrices dadas se tiene que rang(A) = 2 y rang(B) = 2 luego rang(A) rang(B) = 4 Sin embargo, el producto A.B es una matriz 3x3, luego su rango como mucho puede ser 3. b) 1 0  a b c    1 0   a+b-2c -b+2c   1 0  XA = I ⇔    1 −1  =  ⇔ =   d e f   −2 2   0 1   d+e-2f -e+2f   0 1   

Worksheet 39


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a+b-2c = 1  a -b+2c = 0  b  d+e-2f = 1  d -e+2f = 0  e

=

1 = 2c  1 2c ⇒ X = = 1 1 2 f = 2f 

c  f

c)

1 0 1 0  −2 3  t    a b   -2 2 0   a b    AY = B ⇔  1 −1  =  ⇔  1 −1    =  2 −1 ⇔ ...  −2 2   c d   3 -1 1    c d   0 1     −2 2    a = −2 b=3 a b    −2 3  −2 − c = 2 ⇒ c = −4     ... ⇔  a − c b − d  =  2 −1  ⇒ 3 − d = −1 ⇒ d = 4  −2a + 2c −2b + 2d   0 1      −2 ⋅ −2 + 2 ⋅ 4 = 12 ≠ 0 ( ) −2 ⋅ 3 + 2 ⋅ 4 = 2 ≠ 1 t

La tercera fila no coincide con la dada por lo que el sistema no tiene solución, luego no puede existir la matriz Y

4.- En determinante de la matriz de coeficientes A es el de Vandermonde, por tanto: a 3 + a 2 x + ay + z = 0   a 2 a 1  x   −a 3  a 2 a 1       b3 + b 2 x + by + z = 0  ⇔  b 2 b 1  y  =  −b3  ; b2 b 1 = (b − a)(c − a)(d − a)(c − b)(d − b)(d − c) =△ c 3 + c 2 x + cy + z = 0   c 2 c 1  z   −c3  c 2 c 1 Resolvemos −a 3 a −b 3 b −c 3 c x= △

y=

x, y y z por la Regla de Cramer: 1 1 1

=

a2

−a3 1

b2

−b3 1

c2

−c 3 1

(b − a)(c − a )(c − b)(a + b + c) (a + b + c) = (b − a)(c − a)(d − a)(c − b)(d − b)(d − c) (d − a )(d − b)(d − c)

=

−(b − a)(c − a)(c − b)(ab + ac + bc) −(ab + ac + bc) = (b − a)(c − a)(d − a)(c − b)(d − b)(d − c) (d − a)(d − b)(d − c)

=

−(b − a )(c − a)(c − b)abc −abc = (b − a)(c − a)(d − a)(c − b)(d − b)(d − c) (d − a)(d − b)(d − c)

△ a

z=

2

a −a3

b2

b

−b 3

c2

c

−c 3

Worksheet 40


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