Resumen
Esta clase abre la cuarta unidad del curso, dedicada a las matrices y a las estructuras algebraicas. Presenta las siete clases que la componen y el hilo que las une: la tabla de coeficientes de un sistema lineal se convierte en un objeto con operaciones propias, el determinante decide cuándo un sistema cuadrado tiene una única solución, la matriz inversa lo resuelve de una vez, las matrices se leen como transformaciones del plano, los números complejos reaparecen como una familia de matrices, y lo común a todos estos cálculos se condensa en las nociones de grupo, anillo y cuerpo. Recorre el trasfondo histórico de esas ideas, desde los Nueve capítulos sobre el arte matemático hasta Cayley, Galois y Noether; formula con precisión los dos problemas que les dieron origen, la resolución de los sistemas lineales y la resolución de las ecuaciones polinómicas por radicales; y señala dónde vuelven a usarse en este curso, en particular en la geometría analítica del espacio que lo cierra, en otros cursos del sitio y en la ciencia y la técnica.
Objetivos de aprendizaje
- Describir la secuencia de clases de la unidad y explicar qué aporta cada una al estudio de los sistemas lineales, de las transformaciones del plano y de las estructuras algebraicas.
- Situar en su contexto histórico las nociones de matriz, determinante y grupo, nombrando el problema que cada una vino a resolver.
- Plantear como una ecuación matricial un problema clásico de tres incógnitas y resolverlo por eliminación y por determinantes.
- Explicar, con el ejemplo de la ecuación de segundo grado, por qué el estudio de las permutaciones de las raíces de una ecuación condujo a la noción de grupo, e identificar usos actuales de las matrices y de las estructuras algebraicas.
Evaluación de entrada
Antes de recorrer la unidad conviene medir el punto de partida. Las nueve primeras preguntas recorren las siete clases de contenido, con dos preguntas para las clases centrales, la de los determinantes y la de la matriz inversa, y la décima es un problema de modelación, que pide plantear con el producto de matrices una situación en contexto; las mismas destrezas se vuelven a medir al final, en la clase de síntesis. Las tres últimas comprueban lo que la unidad da por sabido del curso I y de la unidad sobre los números complejos en forma polar. No hay calificación: sirve para saber qué se domina y dónde detenerse.
Antes de comenzar la unidad, mide tu punto de partida. Es una autoevaluación breve: no se califica y su resultado se guarda solo en tu navegador.
Pregunta 1Sean y . ¿Cuál es el producto ?
Es el producto , en el orden contrario. El producto de matrices no es conmutativo, y en las filas son las de .Es el producto entrada a entrada, que no corresponde a la composición de sustituciones lineales. El producto de matrices combina filas con columnas.Se han combinado las filas de con las filas de , lo que da . La entrada de usa la columna de .Cada entrada combina una fila de con una columna de : la entrada es , la es , la es y la es .Repasar: Matrices y operaciones con matrices
Pregunta 2Considérese el sistema de ecuaciones , y . ¿Para qué valores de es compatible, y cuántas soluciones tiene entonces?
Tres ecuaciones con tres incógnitas no tienen siempre solución única: aquí la matriz de coeficientes tiene rango , porque su tercera fila es la suma de las otras dos.La compatibilidad no implica la unicidad: con el rango común es , menor que el número de incógnitas, y hay infinitas soluciones.Que una fila de coeficientes sea combinación de las otras no hace incompatible el sistema; lo es solo si el término independiente no guarda la misma relación, es decir, si .La tercera fila de coeficientes es la suma de las dos primeras, y al escalonar queda la fila . Si , la matriz ampliada tiene rango y la de coeficientes rango , y el sistema es incompatible; si , ambos rangos valen , menor que el número de incógnitas, y por el teorema de Rouché-Frobenius hay parámetro libre.Pregunta 3Calcular el determinante de la matriz de filas , y .
Respuesta correcta:
Desarrollando por la primera fila, . Quien obtiene ha olvidado el signo alterno del segundo término del desarrollo.Pregunta 4Sea una matriz de orden con . ¿Cuánto vale ?
Respuesta correcta:
La traspuesta tiene el mismo determinante, y multiplicar la matriz por multiplica por cada una de sus tres filas; por la linealidad en cada fila, el determinante queda multiplicado por , y vale . Quien obtiene ha multiplicado por una sola vez, como si tuviera una sola fila multiplicada.Pregunta 5¿Cuál es la inversa de la matriz ?
Es la matriz de cofactores sin trasponer. La inversa es la adjunta, es decir, la traspuesta de la matriz de cofactores, dividida entre el determinante.Es la matriz de los inversos de las entradas, que no es la inversa: su producto por no es la identidad. La inversa de una matriz no se calcula entrada a entrada.Se han intercambiado los elementos de la diagonal principal, pero no se ha cambiado el signo de los de la otra diagonal; el producto por tiene entradas no nulas fuera de la diagonal.El determinante es ; por la fórmula de orden dos, se intercambian los elementos de la diagonal principal, se cambia el signo de los de la otra y se divide entre . El producto por da la identidad.Repasar: La matriz inversa
Pregunta 6Sean , y matrices cuadradas del mismo orden, con y invertibles. ¿Cuál es la solución de la ecuación ?
Las inversas se han colocado en los lados contrarios. Como el producto no es conmutativo, para eliminar , que está a la izquierda de , hay que multiplicar por a la izquierda.Se ha multiplicado todo por la izquierda. Multiplicar por a la izquierda de no elimina , que está a la derecha de .El cociente de matrices no está definido, porque no indicaría por qué lado se multiplica; la ecuación se resuelve con las inversas, cada una en su lado.Se multiplica por a la izquierda, el lado en que está , y por a la derecha, el lado en que está ; por la asociatividad, .Repasar: La matriz inversa
Pregunta 7¿Cuál es la matriz de la transformación del plano que gira cada vector un cuarto de vuelta en sentido antihorario alrededor del origen y después lo refleja en el eje de abscisas?
Es , la composición en el orden contrario: reflejar primero y girar después. En la matriz de una composición, la transformación que se aplica primero es el factor de la derecha.Es solo el giro de un cuarto de vuelta; falta componerlo con la reflexión.Es el giro de un cuarto de vuelta en sentido horario. Tiene determinante , y la composición de un giro con una reflexión invierte la orientación, de modo que su determinante es .La composición de la reflexión , de filas y , después del giro , de filas y , tiene matriz : el factor que se aplica primero va a la derecha. Sus columnas son las imágenes de , que va a y después a , y de , que va a y no cambia.Pregunta 8Sea la matriz de la multiplicación por el complejo . Calcular .
Respuesta correcta:
La matriz de tiene filas y , y su determinante es ; aquí, . Quien obtiene ha calculado , olvidando el signo de la entrada , y quien obtiene ha tomado el módulo en lugar de su cuadrado.Repasar: Los números complejos como matrices
Pregunta 9¿Cuál de estos conjuntos, con la operación indicada, es un grupo?
El producto de enteros es asociativo y tiene neutro , pero no tiene inverso, porque ningún entero cumple .La suma de naturales es asociativa, pero no tiene neutro, porque los naturales comienzan en , y tampoco hay opuestos.El conjunto no es cerrado: en , que no pertenece a él. Los divisores de cero impiden que los restos no nulos formen un grupo.Como es primo, es un cuerpo: el producto de dos restos no nulos no es nulo, es asociativo, tiene neutro y cada resto no nulo tiene inverso.Pregunta 10Una ciudad tiene mil habitantes en su centro y mil en su periferia. Cada año, el por ciento de los habitantes del centro se muda a la periferia y el por ciento de los de la periferia se muda al centro; nadie más llega ni se va. Si las proporciones se mantienen, ¿cuántos miles de habitantes tendrá el centro al cabo de dos años?
Respuesta correcta:
Con el vector de las poblaciones del centro y de la periferia al cabo de años, cada año se multiplica por la matriz de transición de filas , y , , cuya columna reparte a los habitantes de la zona ; por la asociatividad del producto, . El primer año da y , y el segundo, y , con el total de conservado. Quien obtiene ha calculado un solo año; quien obtiene ha usado la traspuesta de , cuyas columnas no suman , de modo que el total no se conserva.Repasar: Matrices y operaciones con matrices
Pregunta 11De unidades anterioresResolver por la regla de Cramer el sistema , , y dar el valor de .
Respuesta correcta:
El determinante del sistema es , y el que se obtiene al sustituir la columna de por los términos independientes es ; de donde , y también . Quien obtiene ha calculado uno de los dos determinantes con el producto de las diagonales en el orden contrario.Repasar: Ecuaciones e inecuaciones de primer grado y sistemas lineales
Pregunta 12De unidades anterioresHallar el inverso de módulo , es decir, el resto entre y tal que .
Respuesta correcta:
Como , el inverso existe, y . Quien responde ha buscado el inverso en los racionales, y no un resto módulo .Repasar: Congruencias y aritmética modular
Pregunta 13De unidades anteriores¿Cuál es la forma polar de ?
Se han intercambiado el coseno y el seno: correspondería a la parte real, pero la parte real es .Se ha tomado el cuadrado del módulo, , sin extraer la raíz.Es el complejo , del segundo cuadrante; tiene la parte real positiva y está en el primero.El módulo es , y el argumento es el ángulo del primer cuadrante cuyo coseno es y cuyo seno es , es decir, .
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