resumen algebra

1. Resumen de Álgebra. Matemáticas II.
ÁLGEBRA
1.- RESOLUCIÓN DE SISTEMAS. MÉTODO DE GAUSS
El método Gauss consiste en convertir la matriz asociada a un sistema de ecuaciones en
otra matriz equivalente triangular superior, “haciendo ceros” debajo de la diagonal
principal.
 a11 a12 a13 b1  α⋅F ±β⋅F
 a b c g




i
j
...  0 d e h 
→
 a21 a22 a23 b2 



a

 0 0 f i

 31 a32 a33 b3 


Para ello se utilizan tres tipos de transformaciones elementales:
o Intercambiar filas.
o Sumar y/o restar filas.
o Multiplicar filas por un número para luego sumarlas o restarlas.
Es importante seguir un orden para “no estropear los ceros ya conseguidos”. Por
ejemplo, en un primer paso se puede hacer ceros los términos a21 y a31, y en el
siguiente, el término a32.
Una vez conseguida la matriz triangular superior, se transforma en ecuación la tercera
fila para calcular z; después se sustituye este valor en la ecuación correspondiente a la
segunda fila averiguando el valor de y; y finalmente, se sustituyen ambos valores en la
ecuación asociada a la primera fila para obtener x.
Con el método de Gauss también se pueden discutir (clasificar) sistemas de ecuaciones,
estudiar el rango de una matriz o calcular su inversa (método de Gauss-Jordan); pero,
en general, resulta más cómodo utilizar determinantes.
Método de Gauss-Jordan.- Consiste en considerar la matriz identidad, I, adosada a la
derecha de la matriz A y, mediante transformaciones elementales, conseguir que la
matriz identidad quede situada a la izquierda, obteniendo así la matriz inversa adosada
a su derecha:
(A I)
Transforma ciones elementales
−−−−−−−−−−−−−−→
(I
A−1
)
2.- RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS
Normalmente se trata de resolver un problema de enunciado con tres incógnitas.
Debemos definirlas correctamente, plantear un sistema de tres ecuaciones y
resolverlo por el método de Gauss o aplicando la regla de Cramer. Finalmente se
interpreta la solución obtenida. En principio no procede aplicar el Tma de RouchéFröbenius porque se supone que la solución es única (compatible determinado). Otras
veces debemos plantear ecuaciones que dependen de algún parámetro; en estos casos
sí es preciso estudiar cuándo tienen solución.
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3.- MATRICES QUE CONMUTAN
El ejercicio suele consistir en calcular uno o más parámetros para que el producto de
dos matrices A y B sea conmutativo. Para resolverlo, calculamos las matrices A ⋅ B y
B ⋅ A , e imponemos como condición que ambas sean iguales: A ⋅ B = B ⋅ A . Igualando
término a término, normalmente generaremos un sistema de ecuaciones, y
resolviéndolo, conseguiremos la solución.
4.- GRANDES POTENCIAS DE UNA MATRIZ
Dada una matriz cualquiera, A, nos pueden pedir calcular:
o
o
Una gran potencia de esa matriz, por ejemplo, A124 .
Su n-ésima potencia, es decir, An.
En ambas situaciones debemos ir calculando las sucesivas potencias de A: A2, A3,...
En el primer caso llegará un momento en que volvamos a obtener A o la matriz
identidad, I, con lo que, aplicando la regla de la división y las propiedades de las
potencias, resulta sencillo decidir cuál es la matriz A124.
En el segundo caso debemos analizar como van evolucionando los términos de las
sucesivas matrices para dejarlos en función de n, como término general de una
sucesión.
5.- USO DE MATRICES PARA PROBLEMAS DE ENUNCIADO
Se trata de utilizar matrices como forma de representación de situaciones de
contexto real, y hacer las operaciones adecuadas entre ellas (suma, transposición,
producto,...). Para hacer estas operaciones es imprescindible tener en cuenta las
dimensiones de cada matriz y los conceptos que representan cada una de esas
dimensiones.
6.- CÁLCULO DE DETERMINANTES
o Determinantes de orden tres (regla de Sarrus):
a11 a12 a13
a21
a22
a23 = a11 ⋅ a22 ⋅ a33 + a12 ⋅ a23 ⋅ a31 + a21 ⋅ a32 ⋅ a13 − a13 ⋅ a22 ⋅ a31 − a12 ⋅ a21 ⋅ a33 − a23 ⋅ a32 ⋅ a11
a31
a32
a33
o Determinantes de orden superior a tres. Conviene “hacer ceros” previamente,
aplicando la siguiente propiedad de los determinantes: Si a una fila (o columna) le
sumamos el producto de una paralela por un número, el determinante no varía. Después
se desarrolla por una fila o columna. Por ejemplo:
a11 … a1n
⋮
⋱
⋮ = a11 ⋅ A11 + a12 ⋅ A12 + ... + a1n ⋅ A1n
an1 ⋯ ann
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7.- RANGO DE UNA MATRIZ
El rango de una matriz es el número de filas (o columnas) linealmente independientes.
Coincide con el máximo orden de sus menores no nulos. Para calcularlo se puede
comenzar detectando un menor de orden dos no nulo e ir ampliándolo a órdenes
mayores hasta decidir el rango. También coincide con el número de filas (o columnas)
distintas de cero tras aplicar el método de Gauss. Es un ejercicio típico estudiar el
rango de una matriz dependiendo de los diferentes valores que tome un parámetro.
8.- DISCUSIÓN DE SISTEMAS
Se trata de discutir (clasificar) y/o resolver un sistema de ecuaciones lineales
dependiendo de los valores que tome un parámetro. Se procede de la siguiente forma:
1.- Se toma la matriz (A|B) formada por la matriz de coeficientes A y la matriz de
términos independientes B. Se estudia el rango de la matriz A en los diferentes casos
y se compara con el rango de la matriz AB.
2.- Se aplica el Tma de Rouché-Fröbenius (comparación de rangos):
o
Si rango (A) = rango (AB) = nº de incógnitas ⇒ SISTEMA COMPATIBLE
DETERMINADO. (Solución única: los planos se cortan en un punto).
o
Si rango (A) = rango (AB) < nº de incógnitas ⇒ SISTEMA COMPATIBLE
INDETERMINADO. (Infinitas soluciones: los planos cortan en una recta o
coinciden).
o
Si rango (A) ≠ rango (AB) ⇒ SISTEMA INCOMPATIBLE. (No tiene
solución, los planos no tienen ningún punto en común).
Si el sistema es homogéneo (todas las ecuaciones están igualadas a cero), no se utiliza
la columna B, y se aplica:
o Si rango (A) = nº de incógnitas ⇒ SISTEMA COMPATIBLE
DETERMINADO (Solución trivial: x = y = z = 0 ).
o
Si rango (A) < nº de incógnitas
INDETERMINADO (Infinitas soluciones).
⇒
SISTEMA
COMPATIBLE
9.- REGLA DE CRAMER
La solución de un sistema de ecuaciones compatible y determinado es:
x=
Ax
A
;
y=
Ay
A
;
z=
Az
A
;
donde Ax es la matriz que resulta de sustituir en A la columna de coeficientes de x
por la de términos independientes. Y, análogamente, Ay y Az se obtienen sustituyendo
en A la columna de los coeficientes de la incógnita correspondiente por la columna de
términos independientes.
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4. Resumen de Álgebra. Matemáticas II.
También se puede utilizar la regla de Cramer para resolver sistemas compatibles
indeterminados de la siguiente forma:
Sea AB, la matriz asociada al sistema de ecuaciones
 a11

AB =  a21
a
 31
a12
a22
a32
a13 b1 

a23 b2 

a33 b3 
A
En este caso ran (A) = ran (AB) = 2 < nº de incógnitas = 3. Utilizamos un menor de
a
a12
orden dos distinto de cero, por ejemplo, 11
≠ 0 ; entonces despreciamos la
a21 a22
tercera fila (ecuación) pues no forma parte del menor; llamamos z = λ , y formamos la
matriz asociada a un nuevo sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas:
a12 b1 − a13 ⋅ λ 

a22 b2 − a23 ⋅ λ 

 a11

a
 21
A
que podremos resolver aplicando la regla de Cramer.
10.- CÁLCULO DE LA MATRIZ INVERSA POR DETERMINANTES
Para que una matriz cuadrada, A, tenga inversa, A-1, es necesario que su determinante
sea distinto de cero; en este caso se dice que A es regular y:
 A11

A =
⋅  A12
A 
 A13
−1
1
A21
A22
A23
A31 

A32  con Aij = ( −1)i+ j ⋅ αij

A33 
Traspuesta de la
matriz de adjuntos
11.- ECUACIONES MATRICIALES
Consiste en resolver ecuaciones cuya incógnita es una matriz X. Para conseguirlo
utilizamos la matriz inversa y tenemos en cuenta que el producto de matrices no es
conmutativo (se multiplican ambos miembros por la derecha o ambos miembros por la
izquierda, según interese):
⇒ A-1 · A · X = A-1 · B ⇒ Id · X = A-1 · B ⇒ X = A-1 · B
2. X · A = B ⇒ X · A · A-1 = B · A-1 ⇒ X · Id = B · A-1 ⇒ X = B · A-1
1.
A·X =B
12.- FORMA MATRICIAL DE UN SISTEMA DE ECUACIONES
Cualquier sistema de ecuaciones lineales se puede expresar como ecuación matricial:
 a11 x + a12 y + a13z = b1

 a21 x + a22 y + a23z = b2
a x+a y+a z =b
32
33
3
 31
−−−−−−→
 a11

 a21

 a31
a12
a22
a32
"
A
a13   x   b1 
    
a23  ⋅  y  =  b2 
    
a33   z   b3 
"
X
"
B
y resolverse como tal, empleando la matriz inversa de A.
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5. Resumen de Álgebra. Matemáticas II.
INFORMACIÓN DE LA UNIVERSIDAD:
Principales contenidos que se tendrán en cuenta en la elaboración de las Pruebas de
Acceso a la Universidad para los estudiantes provenientes del Bachillerato LOE.
Matemáticas II. Curso 2009-2010
De acuerdo con el Decreto 67/2008, de 19 de junio, por el que se establece el currículo del
Bachillerato para la Comunidad de Madrid, publicado en el B.O.C.M. con fecha 27 de junio
de 2008, para elaborar las Pruebas de Acceso a la Universidad se tendrán en cuenta los
siguientes contenidos:
ÁLGEBRA
1. Las matrices como herramientas para representar datos estructurados en tablas y
grafos. Traspuesta de una matriz. Sima de matrices. Producto de un número real por
una matriz. Producto de matrices. Potencias de una matriz cuadrada. Propiedades de las
operaciones con matrices. (Se pretende que el estudiante sea capaz de realizar con
corrección manipulaciones algebraicas con matrices, aunque no se exigirá la
demostración de las propiedades).
2. Determinantes. Definición y propiedades. Cálculo de determinantes de orden dos y
tres, utilizando la regla de Sarrus. Propiedades elementales de los determinantes.
Aplicación al desarrollo de determinantes de orden superior. (No se exigirá la
demostración de las propiedades).
3. Matrices inversas. Cálculo de la inversa de una matriz cuadrada de orden no superior a
tres. Estudio de la inversa de una matriz dependiente de un parámetro. Ecuaciones
matriciales.
4. Rango de una matriz. Estudio del rango de una matriz que depende como máximo de un
parámetro.
5. Sistemas de ecuaciones lineales. Representación en forma matricial. Resolución de
sistemas compatibles. Discusión de las soluciones de sistemas lineales dependientes de
parámetros. Sistemas homogéneos. (Los sistemas lineales tendrán como máximo cuatro
ecuaciones y cuatro incógnitas y dependerán a lo sumo de un parámetro).
6. Planteamiento y resolución de problemas cuya solución puede obtenerse a partir de un
sistema lineal de, como máximo, tres ecuaciones con tres incógnitas.
Departamento de Matemáticas. IES Atenea. San Sebastián de los Reyes.