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1 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Campus Toledo l Apostila Matrizes, Determinantes e Sistemas Lineares Adriana Camila Braga Araceli Ciotti de Marins Daniela Trentin Dione Milani Gustavo Henrique Dalposso Marcio Paulo de Oliveira Rodolfo Eduardo Vertuan Suellen Ribeiro Pardo Sérgio Schimith Vanderlei Galina Toledo - 2011 2 1. Matrizes 1.1 Definição As matrizes são tabelas de números reais utilizadas em quase todos os ramos da ciência e da engenharia. Várias operações realizadas por computadores são através de matrizes. Vejamos um exemplo. Considere a tabela abaixo que apresenta o peso, a idade e a altura de 5 pessoas. Nome Peso(kg) Idade(anos) Altura(m) Ricardo 70 23 1,70 José 60 42 1,60 João 55 21 1,65 Pedro 50 18 1,72 Augusto 66 30 1,68 O conjunto ordenado dos números que formam a tabela é denominado matriz e cada número é chamado elemento da matriz. 68,13066 72,11850 65,12155 60,14260 70,12370 ou 68,13066 72,11850 65,12155 60,14260 70,12370 Neste exemplo temos uma matriz de ordem 5 x 3 (lê-se: cinco por três), isto é, uma matriz formada por 5 linhas e 3 colunas. Representa-se uma matriz colocando-se seus elementos entre parênteses ou entre colchetes. Exemplos: 8 1 6 3 7 2 : matriz de ordem 2 x 3 (2 linhas e 3 colunas) 314 : matriz de ordem 1 x 3 (1 linha e 3 colunas) 3 5 3 4,0 : matriz de ordem 2 x 1 (2 linhas e 1 coluna) 1.2 Representação Algébrica Utilizamos letras maiúsculas para indicar matrizes genéricas e letras minúsculas correspondentes para os elementos. Algebricamente, uma matriz pode ser representada por: * 21 22221 11211 com ... nem aaa aaa aaa mnmm n n Pode-se abreviadamente representar a matriz acima por A = (aij)n x m aij = i – linha j – coluna a42 = 18 (lê-se: a quatro dois é igual a dezoito) (na tabela significa a idade de Pedro 18) Exemplo: Achar os elementos da matriz A = (aij)3 x 2 em que aij = 3i – j. Resolução: A representação genérica da matriz é: 233231 2221 1211 x aa aa aa A jiaij 3 7233 8133 4223 5123 1213 2113 32 31 22 21 12 11 a a a a a a 7 4 1 8 5 2 A 1.3 Matriz Quadrada 4 Se o número de linhas de uma matriz for igual ao número de colunas, a matriz é dita quadrada. Exemplo: 01 43 A é uma matriz quadrada de ordem 2 Observações: 1ª) Quando todos os elementos de uma matriz forem iguais a zero, dizemos que é uma matriz nula. 2ª) Os elementos de uma matriz quadrada, em que i = j, formam uma diagonal denominada diagonal principal. A outra diagonal é chamada diagonal secundária. Resolva: 1) Ache os elementos da matriz A = (aij) de ordem 3, em que 22 jiaij 2) Escreva os elementos da matriz A = (aij) de ordem 3, definida por jise jise a ji ij ,0 ,1 3) Escreva os elementos da matriz A = (aij)4x2 , definida por jiseji jiseji aij , , 1.4 Matriz unidade ou matriz identidade A matriz quadrada de ordem n, em que todos os elementos da diagonal principal são iguais a 1 e os demais elementos são iguais a 0, é denominada matriz unidade ou matriz identidade. Representa-se a matriz unidade por In. Exemplo: 10 01 2I 100 010 001 3I 1.5 Matriz tranposta 5 Se A é uma matriz de ordem m x n, denominamos transposta de A a matriz de ordem n x m obtida pela troca ordenada das linhas pelas colunas. Representa-se a matriz transposta de A por At. Exemplo: 7 4 1 8 5 2 A a sua transposta é 7 8 4 5 1 2 tA 1.6 Igualdade de Matrizes Sejam as matrizes A e B de mesma ordem. Se cada elemento de A for igual ao elemento correspondente de B, as matrizes A e B são ditas iguais. mxnij aA mxnij bB 32232221 131211 x aaa aaa A 32232221 131211 x bbb bbb B ijij baBA Exemplo: Dadas as matrizes 13 5 110 52 yx yx BeA , calcular x e y para que A =B. Resolução: 13: 132233 124 103 2 yexSolução yyyx x yx yx Resolva: 1) Determine x e y, sabendo que 16 7 3 32 yx yx 2) Determine a, b, x e y, sabendo que 70 13 2 2 bayx bayx 6 3) Dada as matrizes z xBeyA 84 13 560 215 36 420 , calcule x, y e z para que B = At. 4) Sejam ca Be a A b 3 3 2 92 81 1 log27 16 1 calcule a, b e c para que A=B. 1.7 Operações com matrizes Adição e Subtração: a adição e subtração de duas matrizes do mesmo tipo é efetuada somando-se ou subtraindo-se os seus elementos correspondentes. Exemplo: BAC 2221 1211 2221 1211 2221 1211 bb bb aa aa cc cc 52 0²cos² 31 ²cos²cos 21 ²cos² sensen C 52 01 C Matriz oposta: denomina-se matriz oposta de uma matriz A a matriz – A cujos elementos são os simétricos dos elementos correspondentes de A Exemplo: 52 01 52 01 AA Propriedades da Adição: Comutativa: A + B = B + A Associativa: A + (B + C) = (A + B) +C Elemento Neutro: A + 0 = A 7 Elemento Oposto: A + (-A) = 0 Exemplo: Dadas as matrizes 16 03 52 10 , 43 12 CeBA , calcule: a) 91 02 52 10 43 12 BA b) 28 11 16 03 51 20 43 12 CBA t Exemplo: Dadas as matrizes 2 4 1 5 2 3 BeA , calcular a matriz X tal que 0BAX O segundo membro da equação é uma matriz nula de ordem 3 x 1. Se 3 2 4 2 4 1 5 2 3 0 BAXBAX Resolva: 1) Dada a matriz 210 432 011 A , obtenha a matriz X tal que tAAX 2) Sendo A = (aij)1x3 tal que jiaij 2 e B = (bij)1x3 tal que 1 jibij , calcule A+B. 3) Ache m, n, p e q, de modo que: 51 87 3 2 qq nn pp mm 4) Calcule a matriz X, sabendo que BAXeBA T 2 3 0 1 2 5 , 3 0 2 4 1 1 Multiplicação de um número real por uma matriz Para multiplicar um número real por uma matriz multiplicamos o número por todos os elementos da matriz, e o resultado é uma matriz do mesmo tipo. 8 A = (aij) K = número real B = (bij), onde, bij = K.aij i {1, 2, ... , m} j {1, 2, ... , n} Exemplo: 1. 450 123 A 113 024 B a) 02 BAX 2 2 AB XBAX 563 141 . 2 1 450 123 113 024 . 2 1 X 2/532/3 2/12/2/1 X b) 023 BAX BAXBAX 2. 3 1 23 9113 262 . 3 1 113 024 8100 246 . 3 1 X 33/111 3/223/2 X Resolva: 1) Para 450 123 A 113 024 B Resolva 02 BAX 2) Para 450 123 A 113 024 B Resolva BA X 2 3 9 3) Resolva o sistema BAYX BAYX 2 , sendo 5 1 2 3 BeA . Multiplicação de Matrizes Não é uma operação tão simples como as anteriores; não basta multiplicar os elementos correspondentes. Vejamos a seguinte situação. Durante a 1ª fase da Copa do Mundo de 1998 (França), o grupo do Brasil era formado também pela escócia, Marrocos e Noruega. Os resultados estão registrados abaixo em uma matriz A, de ordem 4 x 3. País Vitória Empate Derrota Brasil 2 0 1 Escócia 0 1 2 Marrocos 1 1 1 Noruega 1 2 0 Então: 0 1 2 1 2 1 1 0 1 1 0 2 A A pontuação pode ser descrita pela matriz B, de ordem 3 x 1 Número de Pontos Vitória 3 Empate 1 Derrota 0 Então: 0 1 3 B 10 Terminada a 1ª fase a pontuação é obtida com o total de pontos feitos por cada país. Essa pontuação pode ser registrada numa matriz que é representada por AB (produto de A por B).Veja como é obtida a classificação: 5001231: 4011131:cos 1021130: 6011032: Noruega Marro Escócia Brasil 5 4 1 6 AB Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicação de matrizes. Observe a relação que existe entre as ordens das matrizes: 141334 xxx ABBA Observe que definimos o produto AB de duas matrizes quando o número de colunas de A for igual ao de linhas de B; além disso, notamos que o produto AB possui o número de linhas de A e o número de colunas de B. pmpnnm ABBA Exemplo 1: 32 232 121 x A e 23 12 41 32 x B A matriz existe se n = p ( o número de coluna de A é igual o número de linha da B.) 1.24.33.22.21.32.2 1.1423.12.11.22.1 C 22 203 102 x C Exemplo 2: Dada as matrizes: 12 01 A 10 12 B 20 02 C Calcule: 11 a) A.B = 34 12 1204 0102 10 12 . 12 01 b) B.A = 12 14 1020 1022 12 01 . 10 12 c) A.C = 24 02 2004 0002 20 02 . 12 01 d) C.A = 24 02 2040 0002 12 01 . 20 02 Observação: 1ªPropriedade Comutativa A.B=B.A, não é valida na multiplicação de matrizes. Exemplo 3: 11 11 A 11 11 B Calcule: A.B = 00 00 1111 1111 11 11 . 11 11 Observação: Se A e B são matrizes tais que AB = 0 (matriz nula), não podemos garantir que uma delas (A ou B) seja nula. Exemplo 4: 041 011 021 A 222 111 321 B 111 111 321 C a) A.B = 043042041 013012011 023022021 222 111 321 . 041 011 021 723 232 143 .BA 12 b) A.C = 043042041 013012011 023022021 111 111 321 . 041 011 021 723 232 143 .CA Observação: A.B = A.C , B C. – na álgebra a.b = a.c b = c 3ª Propriedade: o cancelamento do produto de matrizes não é válido. Propriedades: - Distributiva: A.(B + C) = A.B + A.C - Associativa: A.(B.C) = (A.B).C - Elemento neutro: A.In = A Resolva: 1) Efetue: a) 2 3 41 35 b) 3 0 2 531 c) 30 12 41 25 2) Dada a matriz 100 001 012 A , calcule A2. 3) Sabendo que 11 02 10 21 NeM , calcule MN-NM. 13 Matriz Transposta Seja A uma matriz m x n. Denomina-se matriz transposta de A (indica-se At) a matriz n x m cujas linhas são ordenadamente, as colunas de A. Exemplos 6 2 0 1 10 3 6 1 2 10 0 3 22 02 20 22 t t AA AA Propriedades da Transposta: tt BABA AA tt tt AKAK .. (K real) ttt BABA ttt ABBA .. ( no produto de A.B, inverte a ordem) Resolva: 1) Sendo A = 43 21 e B = 21 02 , mostre que ttt ABBA .. . Matriz simétrica Quando A = At dizemos que A é matriz simétrica. Exemplo: 985 843 532 985 843 532 tAA Matriz anti-simétrica Quando A = - At dizemos que A é matriz anti-simétrica. Exemplo: 14 085 804 540 085 804 540 tAA Matriz Inversa Dada uma matriz quadrada A, de ordem n, se X é uma matriz tal que AX = In e XA = In, então X é denominada matriz inversa de A e é indicada por A-1. Quando existe a matriz inversa de A, dizemos que A é uma matriz inversível ou não-singular. Exemplo: Verifique se existe e, em caso afirmativo, determine a matriz inversa de A = 32 85 . Resolução: Pela definição temos, 10 01 3232 8585 10 01 32 85 dbca dbca dc ba Pela igualdade de matrizes, temos os sistemas, 23 032 185 cea ca ca 58 132 085 deb db db Então X = 52 83 , para AX = I2. A seguir verificamos se XA = I2. 10 01 32 85 52 83 OK 10 01 3.58.22.55.2 3.88.32.85.3 Então 52 83 é a matriz inversa de 32 85 . 15 A-1 = 52 83 1) Determine a inversa das matrizes: a) 01 43 A b) 021 131 001 B Equações matriciais do tipo AX = B ou XA = B, para A inversível. Seja A uma matriz tal que exista A-1. Sabendo que AX = B, vamos demonstrar que X = A-1B. BAX BAIX BAXAA BAAXA BAX 1 1 11 11 O mesmo também é válido para 1 BAXBXA 1) Sabendo que 13 52 01 01 BeA a) verifique se 11 01 1A b) determine X tal que AX = B Exercícios 1. Construa a matriz real quadrada A de ordem 3, definida por: jij ji aij se 1i se 2 2 ji 16 Resposta: 789 3234 1681 2. Sendo 534 201 321 M , 100 010 001 N e 023 102 110 P , calcule: a) N – P + M b) 2M – 3N – P c) N – 2(M – P) d) Resposta: a) 65-7 3-11 232 b) 78-11 5-3-0 551- c) 9-10-14- 612- 4-6-1- 3. Calcule a matriz X, sabendo que 34 01 21 A , 202 315 B e BAX t . Resposta: 1-1- 02 4-4 X 4. Dadas as matrizes a a A 0 0 e 1 1 b b B , determine a e b, de modo que AB = I, em que I é a matriz identidade. Resposta: a = 1 e b = 0 5. Dadas as matrizes 30 21 A e 02 31 B . Calcule: a) A² b) A³ c) A²B d) A² + 3B Resposta: a) 90 8-1 b) 270 26-1 c) 018 3-15 d) 96 17-4 6. Dadas as matrizes 13 21 A e 34 12 B , calcule AB + tB Resposta: 39 118 17 7. Resolva a equação: 1122 3211 1 2 1 32 yx y²x y x . yx x Resposta: V = {(2,3),(2,-3)} 8. Sendo 20 03 A , 53 12 P e b a B 75 10 13 1 , determine os valores de a e b, tais que 1 P.A.PB . Resposta: a = 24 e b = -11 9. Determine os valores de x, y e z na igualdade abaixo, envolvendo matrizes reais 2 x 2: 0 00 00 0 0 00 zy yz zx yxx . x Resposta: x = 0, y = 0 e z = 0 ou x = 3, y = 6, z = 9 10. Dada a matriz 22xij aA , tal que se se 2 ji jcos ji isen aij , determine: a) tA b) A² c) 1A Resposta: a) 01 11 b) 11 10 c) 11 10 Testes: 11. A é uma matriz m x n e B é uma matriz m x p. A afirmação falsa é: a) A + B existe se, e somente se, n = p. b) tAA implica m = n c) A.B existe se, e somente se, n = p d) tB.A existe se, e somente se, n = p. e) B.At sempre existe. Resposta: letra C 12. Seja ijaA a matriz real quadrada de ordem 2, definida por jii ji a ji ij para 1 para2 2 . Então: a) 55 82 A b) 65 82 A c) 58 42 A d) 52 82 A e) n.d.a. Resposta: letra A 18 13. Dadas as matrizes 31 02 A e 13 2 12 B , então a matriz -2AB é igual a: a) 714 28 b) 714 28 c) 714 28 d) 714 28 e) 714 28 Resposta: letra E14. Considere as matrizes: ijaA , 4 x 7 onde jiaij ijbB , 7 x 9 onde ibij ijcC , tal que C = AB. O elemento 63C : a) é -112. b) é -18. c) é -9. d) é 112. e) não existe. Resposta: letra E 15. Dadas as matrizes 00 11 A e 10 10 B , para A.B temos: a) 00 10 b) 00 00 c) 10 10 d) 00 20 e) 1 1 Resposta: letra B 16. O produto M.N da matriz 1 1 1 M pela matriz 111N ; a) não se define. b) É a matriz identidade de ordem 3 c) É uma matriz de uma linha e uma coluna. d) É uma matriz quadrada de ordem 3. e) Não é uma matriz quadrada. Resposta: letra D 17. A inversa da matriz 11 34 é: a) 11 3 1 4 1 b) 41 31 c) Inexistente. d) 11 3 1 4 1 e) 11 34 Resposta: letra B 18. Se 3 9 21 12 y x . , então: a) x = 5 e y = -7 19 b) x = -7 e y = -5 c) x = -5 e y = -7 d) x = -7 e y = 5 e) x = 7 e y = -5 Resposta: letra B 19. Sendo 42 71 A e 04 13 B , então a matriz X, tal que 3 2 2 BXAX , é igual a: a) 73 41 b) 80 97 c) 94 21 d) 1210 179 e) 129 87 Resposta: letra D 20. Se A e B são matrizes tais que: x A 1 2 e 1 2 1 B , então a matriz B.AY t será nula para: a) x = 0 b) x = -1 c) x = -2 d) x = -3 e) x = -4 Resposta: letra E 21. A Matriz 1 1 x x , na qual x é um número real, é inversível se, e somente se: a) 0x b) 1x c) 2 1 x d) 2 1 e 2 1 xx e) 1 e 1 xx Resposta: letra E 22. A solução da equação matricial 3 2 1 101 210 121 z y x . é a matriz: a) 1 2 3 b) 0 2 3 c) 2 0 3 d) 0 3 2 e) 3 0 2 Resposta: letra B 23. Considere as seguintes matrizes: 45 100 734 xx A , 22 05 43 B , 11 1 x xx C e 41 510 100 D . O valor de x para que se tenha: A + BC = D é: a) 1 b) -1 c) 2 20 d) -2 Resposta: letra C 24. As matrizes abaixo comutam, 2a aa e 33 30 . O valor de a é: a) 1 b) 0 c) 2 d) -1 e) 3 Resposta: letra A 21 2. Determinantes 2.1 Definição Determinante é um número real que se associa a uma matriz quadrada. 2.2 Determinate de uma matriz quadrada de 2ª ordem Dada a matriz de 2ª ordem 11 12 21 22 a a A a a , chama-se determinante associado a matriz A (ou determinante de 2ª ordem) o número real obtido pela diferença entre o produto dos elementos da diagonal principal e o produto dos elementos da diagonal secundária. Então, determinante de 11 22 12 21A a a a a Indica-se 11 12 11 22 12 21 21 22 det a a A A a a a a a a Observação: Dada a matriz A de ordem 1, define-se como determinante de A o seu próprio elemento, isto é: 11det A A a Exemplo: 22 13 42 x 1224.31.2det A 10det A Resolva: 1) Resolva a equação: 3 2 0 1 5 x x Resposta: 17 3 S 2) Resolva a equação: 0 11 53 x x Resposta: 4, 2S 3) Resolva a inequação: 3 2 x x x Resposta: 23| xouxRxS 22 4) Sendo 02 31 20 31 BeA , calcule det(AB). Resposta: -12 2.3 Menor Complementar O menor complementar ijD do elemento ija da matriz quadrada A, é o determinante que se obtém de A, eliminando–se dela a linha “i” e a coluna “j”, ou seja, eliminando a linha e a coluna que contém o elemento ija considerado. Exemplo: Dada a matriz 125 410 312 A , calcular D11, D12, D13, D21, e D32. Resolução: 981 12 41 11 D 20 15 40 12 D 5 25 10 13 D 561 12 31 21 D 8 40 32 32 D 2.4 Cofator Consideremos a matriz quadrada de 3ª ordem A = 333231 232221 131211 aaa aaa aaa . Chama-se Cofator do elemento ija da matriz quadrada o número real que se obtém multiplicando-se ji1 pelo menor complementar de ija e que é representado por ij ji ij DA .1 . Exemplo: Dada a matriz 873 204 213 A , calcular: a) A11 b) A13 c) A32 14141 87 20 1 11 11 A 28281 73 04 1 31 13 A 23 14861 24 23 1 23 32 A Resolva: Dada a matriz 172 543 210 A determine A13 , A21 , A32 e A33. Resposta: A13 = 29, A21 = 15, A32 = 6 e A33 = 3. 2.5 Definição de Laplace O determinante associado a uma matriz quadrada A de ordem 2n é o número que se obtém pela soma dos produtos dos elementos de uma linha (ou de uma coluna) qualquer pelos respectivos cofatores. Exemplo: Sendo 341 025 132 A uma matriz de ordem 3, podemos calcular o det A a partir de determinantes de ordem 2 e da definição de Laplace. Escolhendo os elementos da primeira linha temos: 1518451218115362 41 25 11 31 05 13 34 02 12 det 312111 131312121111 AaAaAaA Observação: Para se aplicar esse método é melhor escolher a linha ou coluna que tiver o maior número de zeros. Resolva: Calcule o determinante da matriz A utilizando a definição de Laplace: a) 301 430 112 A Resposta: det A = 11 b) 126 540 312 A 24 Resposta: det A = -74 2.6 Regra de Sarrus (regra prática para calcular determinantes de ordem 3) Seja a matriz 124 012 321 , repetimos as duas primeiras colunas à direita e efetuamos as seis multiplicações em diagonal. Os produtos obtidos na direção da diagonal principal permanecem com o mesmo sinal. Os produtos obtidos da diagonal secundária mudam de sinal. O determinante é a soma dos valores obtidos. 340121201 122201)413(223402)111(det 24124 12012 21321 124 012 321 A Resolva: a) Calcule o determinante da matriz 341 025 132 A Resposta: det A = 15 b) Resolva a equação 0 423 121 53 x x Resposta: 4 23 x c) Dada as matrizes 121 32 011 93 2 xBe x A , determine x para que det A = det B Resposta: 2 13 x d) Resolva a equação 0 44 4 x xx xxx Resposta: 40,S 25 e) Seja M = (mij) a matriz quadrada de ordem 3, em que: jise,ji jise,ji jise, mij 0 . Ache o valor do determinante de M. Resposta: 48 f) Calcule o determinante da matriz P2 , em que P é a matriz 220 112 112 P Resposta: 64 2.7 Determinante de uma matriz quadrada de ordem n>3 Seja a matriz quadrada de ordem 4 A = 6230 1251 3124 0132 , vamos calcular o determinante de A. Para tanto, aplicaremos o teorema de Laplace, até chegarmos a um determinate de 3ª ordem, e depois empregaremos a regra de Sarrus. Assim, desenvolvendo o determinate acima, segundo os elementos da 1ª linha, temos: )(AaAaAaAaAdet 11414131312121111 34172 623 125 312 12 111111 )(Aa 132443 620 121 314 13 211212 )(Aa 1111111 630 151 324 11 311313 )(Aa 0 230 251 124 10 411414 )(Aa Substituindo em (1) temos: 1311113234 Adet Resolva: Calcule o determinante a seguir, desenvolvendo-o segundo os elementos da 1ª linha. 26 1231 1251 4134 1312 Resposta: -180 2.8 Propriedade dos Determinantes 1ª propriedade: Se todos os elementos de uma linha ou coluna de uma matriz quadrada A forem iguais a zero, seu determinante será nulo, isto é, det A = 0. Exemplo: 0048 3 1 0 3 1 0 480 2ª propriedade: Se os elementos correspondentes de duas linhas (ou de duas colunas) de uma matriz quadrada A forem iguais, seu determinante será nulo, isto é, det A = 0 Exemplo: 04554 54 54 3ª propriedade: Se uma matriz quadrada A possui duas linhas (ou colunas) proporcionais, seu determinante será nulo, isto é , det A = 0 Exemplo: 097213 219 73 4ª propriedade: Se todos os elementos de uma linha (ou de uma coluna) de uma matriz quadrada são multiplicados por um mesmo número real k, então seu determinante fica multiplicado por k. Exemplo: 3294772027745937 94 53 7 329140189435921 94 3521 5ª propriedade: Se uma matriz quadrada A de ordem n é multiplicada por um número real k, o seu determinante fica multiplicado por kn, isto é: n n n Adetk)kAdet( 27 Exemplo: 751752003755 2510 2015 5 7815 52 43 2 AdetA AdetA 6ª propriedade: O determinante de uma matriz quadrada A é igual ao determinante de sua transposta, isto é, det A = det At. Exemplo: db ca Ae dc ba A t bcdaAdetecbdaAdet t 7ª propriedade: Se trocarmos de posição entre si duas linhas (ou colunas) de uma matriz quadrada A, o determinante da nova matriz obtida é o oposto do determinante da matriz anterior. Exemplo: 19500610015 522 035 121 AdetA 19150106050 522 053 112 AdetA 8ª propriedade: O determinante de uma matriz triangular é igual ao produto dos elementos da diagonal principal. Exemplo: 40425 413 021 005 AdetA 9ª propriedade: Sendo A e B duas matrizes quadradas de mesma ordem e AB a matriz- produto, então BdetAdetABdet (teorema de Binet) Exemplo: 613784236 63 146 41030 8660 6 43 20 13103 15 23 ABdetAB BdetBAdetA 28 10ª propriedade: Seja A uma matriz quadrada. Se multiplicarmos todos os elementos de uma linha (ou coluna) pelo mesmo número e somarmos os resultados aos elementos correspondentes de outra linha (ou coluna), formando uma matriz B, então det A=det B (Teorema de Jacobi). Exemplo: 11209 94 51 AdetA Multiplicando a 1ª linha por -2 e somando os resultados à 2ª linha obtemos: 11101 12 51 AdetA 2.9 Exercícios: 1. Dadas as matrizes 12 01 A e 31 20 B , calcule: a) det (A²) b) det (B²) c) det (A² + B²) Resp: a) 1 b) 4 c) 18 2. (Faap – SP) Resolva a inequação 14 24 3 x xx . Resposta: 71 x|Rx 3. Determine a solução da equação 0 2 83 x x Resposta: {-2,2} 4. Sendo 31 21 A e 12 10 B , dê o valor de: a) det (A). det(B) b) det (A.B) Resposta: a) -10 b) -10 5. Seja a matriz A = (aij) de ordem 3, tal que: ji se 1 e ji se , ji se 1, ij Rkka . Calcule k, de modo que o determinante da matriz A seja nulo. Resposta: k = 0 29 6. (UFPR) Considere as matrizes xzy xyz zyx A e xzyz zxyx B e 42 64 C . Sabendo que a matriz B é igual à matriz C. Calcule o determinante da matriz A. Resposta: 72 7. Calcule o determinante da matriz M = (AB). C, sendo 3 2 1 A , 532B e 413 012 201 C . Resposta: zero 2.10 Testes: 1. (UEL – PR) A soma dos determinantes ab ba ab ba é igual a zero. a) quaisquer que sejam os valores reais de a e de b. b) se e somente se a = b. c) se e somente se a = - b. d) se e somente se a = 0. e) se e somente se a = b = 1. Resp: a) 2. (FMU – SP) O determinante da matriz xx xx sen 2cos2 cossen é igual a: a) sen 2x b) 2 c) -2 d) 2 sen²x e) cos 2xResposta: b) 3. (Mack – SP) A solução da equação 0 02/13/2 51 321 x a) 1 b) 58 c) -58 d) 9 67 e) 2 Resposta: d) 30 4. (Mack – SP) Sendo A = (aij) uma matriz quadrada de ordem 2 e aij = j – i², o determinante da matriz A é: a) 0 b) 11 c) 2 d) 3 e) 4 Resposta: d) 5. (Fatec – SP) Determine x, de modo que 0 94 32 111 2 x x . a) x < -3 ou x > 2 b) -3 < x < 2 c) Não existe Rx d)Para todo Rx f) N.D.A. Resposta: b) 6. (PUC – RS) A equação 12 0 114 312 nn n tem como conjunto verdade: a) {-6, 2} b) {-2, 6} c) {2, 6} d) {-6, 6} e) {-2, 2} Resposta: b) 7. (PUC – SP) O determinante da matriz 0412 5632 3221 1111 vale: b) -3 b) 6 c) 0 d) 1 e) -1 Resp: a) 8. (FGV – SP) Seja a a raiz da equação 16 2000 302 211 000 x x x ; então o valor de a² é: a) 16 b) 4 c) 0 d) 1 e) 64 Resposta: b) 31 9. (PUC – RS) A solução da equação x x x x 213 132 321 2 92 é: a) {-11, 5} b) {-6, 3} c) {0, 3} d) {0, 6} e) {5, 11} Resposta: {0,3} 3 Sistemas Lineares 3.1 Equação Linear Toda equação da forma bxa...xaxa nn 2211 é denominada equação linear, em que: na,..,a,a 21 são coeficientes nx,...,x,x 21 são as incógnitas b é um termo independente Exemplos: a) 532 321 xxx é uma equação linear de três incógnitas. b) 1 tzyx é uma equação linear de quatro incógnitas. Observações: 1º) Quando o termo independente b for igual a zero, a equação linear denomina-se equação linear homogênea. Por exemplo: 05 yx . 2º) Uma equação linear não apresenta termos da forma 21 2 1 x.x,x etc., isto é, cada termo da equação tem uma única incógnita, cujo expoente é sempre 1. As equações 323 2 2 1 xx e 24 zy.x não são lineares. 3º) A solução de uma equação linear a n incógnitas é a seqüência de números reais ou ênupla n,...,, 21 , que, colocados respectivamente no lugar de nx,...,x,x 21 , tornam verdadeira a igualdade dada. 4º) Uma solução evidente da equação linear homogênea 03 yx é a dupla 00, . Vejamos alguns exemplos: 1º exemplo: Dada a equação 523 yx , determinar para que a dupla (-1, ) seja solução da equação. 32 Resolução: ,1 y x 1 482 523 521.3 Resposta: = – 4 Exercícios Propostos: 1. Determine m para que 2,1,1 seja solução da equação 62 zymx . Resposta: -1 2. Dada a equação 1 32 yx , ache para que 1, torne a sentença verdadeira. Resposta: -8/5 3.2 Sistema linear. Denomina-se sistema linear de m equações nas n incógnitas nxxx ,...,, 21 todo sistema da forma: 11 1 12 2 1 1 21 1 22 2 2 2 1 1 2 2 ... ... ... ... ... n n n n m m mn n m a x a x a x b a x a x a x b a x a x a x b 11 12 1 1 2, ,..., , , ,...,n ma a a b b b são números reais. Se o conjunto ordenado de números reais 1 2, ,..., n satisfizer a todas as equações do sistema, será denominado solução do sistema linear. Observações: 1ª) Se o termo independente de todas as equações do sistema for nulo, isto é, 021 n'' b...bb , o sistema linear será dito homogêneo. Veja o exemplo: 0325 04 02 zyx zyx zyx Uma solução evidente do sistema linear homogêneo é x = y = z = 0. Esta solução chama-se solução trivial do sistema homogêneo. Se o sistema homogêneo admitir outra solução em que as incógnitas não são todas nulas, a solução será chamada solução não- trivial. 2ª) Se dois sistemas lineares, S1 e S2, admitem a mesma solução, eles são ditos sistemas equivalentes. 33 Exercícios Propostos: 1. Seja o sistema 2 52 032 321 321 321 1 xxx xxx xxx :S . a) Verifique se (2, -1, 1) é solução de S. b) Verifique se (0,0,0) é solução de S. Resposta: a) é b) não é 2. Seja o sistema: 32 93 2 kyx kyx . Calcule k para que o sistema seja homogêneo. 3. Resposta: k = -3 4. Calcular m e n de modo que sejam equivalentes os sistemas: 52 1 yx yx e 2 1 mynx nymx . Resposta: m = 0 e n = 1 3.3 Expressão matricial de um sistema de equações lineares. Dentre suas diferentes aplicações, as matrizes são utilizadas na resolução de um sistema de equações lineares. Seja o sistema linear: nnmnmm nn nn bxa...xaxa ... ... bxa...xaxa bxa...xaxa 2211 22222121 11212111 Utilizando matrizes, podemos representar este sistema da seguinte forma: mnmm n n aaa aaa aaa ... ............ ............ ... ... 21 22221 11211 . nx x x ... ... 2 1 = nb b b ... ... 2 1 matriz constituída matriz coluna matriz coluna pelos coeficientes constituída pelas dos termos das incógnitas incógnitas independentes 34 Observe que se você efetuar a multiplicação das matrizes indicadas irá obter o sistema dado. Veja também que, a multiplicação é perfeitamente possível (justifique). Se a matriz constituída pelos coeficientes das incógnitas for quadrada, o seu determinante é dito determinante do sistema. Exemplo: Seja o sistema: 827 1634 052 321 321 321 xxx xxx xxx . Ele pode ser representado por meio de matrizes, da seguinte forma: 8 1 0 . 217 634 152 3 2 1 x x x 3.4 Classificação dos sistemas lineares Os sistemas lineares são classificados, quanto ao número de soluções, da seguinte forma: 3.5 Regra de Cramer A regra de Cramer consiste num método para se resolver um sistema linear. nnmnmm nn nn bxa..xaxa ... ... bxa..xaxa bxa..xaxa 2211 22222121 11212111 :sistema o Seja Vamos determinar a matriz A dos coeficientes das incógnitas: 35 mnmm n n a...aa ... ... ... a...aa a...aa A 21 22221 11211 Vamos determinar agora a matriz Ax1, que se obtém a partir da matriz A, substituindo-se a coluna dos coeficientes de x1 pela coluna dos termos independentes. mnmn n n x a...ab ... ... ... a...ab a...ab A 2 2222 1121 1 Pela regra de Cramer: AdetAdet x x11 De maneira análoga podemos determinar os valores das demais incógnitas: mnnm n n x a...ba ... ... ... a...ba a...ba A 1 2221 1111 2 Adet Adet x x22 nmm xn b...aa ... ... ... b...aa b...aa A 21 22221 11211 Adet Adet x xnn Generalizando, num sistema linear o valor da incógnita x1 é dado pela expressão: Adet Adet x ii tes.independen termosdos coluna pela xde escoeficient dos colunas as se-dosubstituinA de obtida matriz a é A sistema. do incompleta matriz a éA i i Vejamos alguns exemplos. 36 1º Exemplo: Resolver o sistema 2 5 yx yx . Resolução: 0 11 11 AdetA 7 12 15 xx AdetA 7 21 51 yy AdetA 0 7 Adet Adet x x impossível 0 7 Adet Adet y y impossível Resposta: S 2º Exemplo: Resolver o sistema 1 10543 02 321 321 321 xxx xxx xxx . Resolução: 1º) Cálculo do determinante da matriz incompleta. 126543104 111 543 121 AdetA 2º) Cálculo do determinante das incógnitas. 24200410100 111 5410 120 11 AdetA 1205103010 111 5103 101 22 AdetA 061000204 111 1043 021 33 AdetA 3º) Cálculo das incógnitas. 2 12 241 1 Adet Adet x 37 1 12 122 2 Adet Adet x 0 12 03 3 Adet Adet x Resposta: 012 ,,S Sistema Possível e Determinado. Exercícios Propostos: 1. Solucione os sistemas a seguir, utilizando a regra de Cramer. a) 432 52 yx yx Resposta: {(1,2)} b) 93 143 yx yx Resposta: {(3,2)} 2. Calcule os valores de x, y e z nos sistemas: a) 3233 932 22 zyx zyx zyx Resposta: {(1,2,3)} b) 03 05 010 zy zx yx Resposta: {(6,4,1)} 3. Resolva as equações matriciais: a) 13 9 31 12 y x . Resposta: 5 2 b) 8 2 2 115 632 741 z y x . Resposta: 1 2 1 4.5 Discussão de um sistema linear Seja o sistema linear de n equações a n incógnitas. 38 nnnnnn nn nn bxa...xaxa ... ... bxa...xaxa bxa...xaxa 2211 22222121 11212111 Discutir o sistema é saber se ele é possível, impossível ou determinado. Utilizando a regra de Cramer, temos: Adet Adet x,..., Adet Adet x, Adet Adet x nn 2 2 1 1 Possível e Determinado 0Adet Possível e Indeterminado 0 0 21 nAdet...AdetAdet e Adet Impossível 0 um menos pelo 0 nAdet e Adet Vejamos alguns exemplos: 1º) Exemplo: Discutir o sistema 1 23 yx myx . Resolução: Vamos calcular o valor dos determinantes: mAdet m A 3 11 3 mAdet m A 2 11 2 11 1 11 23 22 AdetA Fazendo: 3030 mmAdet 20201 mmAdet Resposta: SPD 3 m (sistema possível e determinado) SPI m (sistema possível e indeterminado), pois det A2 = 1 para qualquer valor de m SI 3 m (sistema impossível) 39 2º) Exemplo: Determinar m, de modo que o sistema 4 0 2 zyx zmyx yx seja incompatível. Resolução: 1 111 11 011 mAdetmA 62 114 10 012 mAdetmA xx 4 141 101 021 yy AdetA 66 411 01 211 mAdetmA zz Fazendo: 1010 mmAdet 30620 mmAdet x 10660 mmAdet z Para m = –1, teremos: 0 4 x (impossível) 0 4 y (impossível) 0 0 z (indeterminado). Resposta: SI 1 m 3º) Exemplo: Verificar se o sistema 0 023 yx yx é determinado ou indeterminado. Resolução: Vamos calcular o valor dos determinantes: 5det 11 23 AA 0det 10 20 xx AA 0det 01 03 yy AA Como 05det A , o sistema é determinado. Vamos achar a solução: 0 5 0 det det A A x x e 0 5 0 det det A A y y 0,0S Resposta: O sistema é determinado e 0,0S . 40 Observação: Todo sistema homogêneo é sempre possível, pois admite a solução (0, 0,.., 0) chamada solução trivial. Observe que para um sistema homogêneo teremos sempre 0det,...,0det,0det 21 nAAA Portanto, para a discussão de um sistema linear homogêneo, é suficiente o estudo do determinante dos coeficientes das incógnitas. Determinado 0det A Indeterminado 0det A 4º)Exemplo: Calcular o valor de a para que o sistema 0 0 ayax yax tenha soluções diferentes da trivial. Resolução: Neste caso, o sistema deve ser indeterminado, e teremos 0det A . 1ou 001.0²det 1 aaaaaaA aa a A Resposta: 1,0 Exercícios Propostos: 1. Discuta os sistemas: a) myx ymx 2 b) 2 1 yx ykx c) qpzyx zyx zyx 4 6 1037 2. Classifique, quanto ao número de soluções, os seguintes sistemas homogêneos. a) 086 043 21 21 xx xx b) 03 0422 0 zyx zyx zyx c) 04 03 02 yx zyx zyx 3. Determine a e b para que o sistema byx ayx 44 126 seja indeterminado. 4. Calcule os valores de a para que o sistema 04 123 yax yx seja compatível e determinado. 41 5. Dê o valor de a para que o sistema 054 02 02 azyx azyx yax seja impossível. 6. Determine o valor de k para que o sistema kxy zx yz 332 224 143 seja indeterminado. 7. Qual o valor de p para que o sistema 2 0 4 yx zpyx zypx admita uma solução única? 8. (Fuvest-SP) Para quais valores de k o sistema linear 2 323 1 kzy zyx zyx é compatível e determinado? Respostas exercícios propostos: 1. Discussão de um Sistema Linear. 1. a) SPD se 1m SI se m = –1 b) SPD se 1k SI se k = 1 c) SPD se 1p ; SPI se p = –1 e q = 8; SI se p = –1 e 8q 2. a) indeterminado. b) indeterminado. c) determinado 3. a = 6 e b = 8 4. 6a 5. 1ou 4 aa 6. k = 5 7. 1 p/Rp 8. 4 1 k/Rk 4.6 Escalonamento de Sistemas Lineares Considerando um sistema genérico m x n, dizemos que ele está escalonado quando os coeficientes aij, com i > j , são todos nulos. Exemplos: 84 123 752 z zy zyx 454 11723 zy zyx 1054 92 tz tzyx 42 Classificação e resolução de sistemas lineares escalonados 1º 105 024 623 z zy zyx Sistema 3 x 3 já escalonado (número de equações = número de incógnitas) Da 3ª equação tiramos z = 2 Da 2ª equação, fazendo z = 2, tiramos y = 1 Fazendo y =1 e z = 2 na 1ª equação tiramos x = -2 Podemos concluir que o sistema é possível e determinado, com S={(-2,1,2)} 2º 90 325 642 1329 w wz wzy wzyx Sistema 4 x 4 já escalonado. A 4ª equação permite dizer que o sistema é impossível, logo S = 3ª 063 0 zy zyx Sistema 2 x 3 já escalonado (número de equações < número de incógnitas) Quando um sistema escalonado tem mais incógnitas do que equações e pelo menos um coeficiente não nulo em cada equação, ele é possível e indeterminado. A variável que não aparece no começo das equações é chamada variável livre. Nesse exemplo z é a variável livre. Fazemos z = k, com k R, para descobrir a solução geral do sistema. Da 2ª equação, temos kyzy 2063 . Usando z = k e y = 2k, temos kxkkx 302 . Portanto, o sistema é possível e indeterminado e sua solução geral é (-3k, 2k, k). 4º 132 22 tz tzyx Aqui o sistema é possível e indeterminado (está escalonado e tem 2 equações e 4 incógnitas) e duas são variáveis livres (y e t). Fazemos ReRcom,tey . Substituindo nas equações: 43 4 352 3524 4231242 2 31 2 2 31 312132 xx xx zzz Solução geral: ,,, 2 31 4 352 Exercício: Classifique e resolva os sistemas lineares escalonados: a) 62 12 032 z zy zyx b) 0 22 dc dcba 4.7 Processo para escalonamento de um sistema linear Para escalonar um sistema linear e depois classificá-lo e resolvê-lo, alguns procedimentos podem ser feitos: 1º) Eliminamos uma equação que tenha todos os coeficientes e o termo independente nulos. Por exemplo: 0x + 0y + 0z = 0 pode ser eliminada, pois todos os termos de números reais são soluções: 2º) Podemos trocar a posição das equações. Exemplo: 623 14 14 623 yx yx yx yx 3º) Podemos multiplicar todos os termos de uma equação pelo mesmo número real diferente de zero: 1022653 zyxzyx Podemos multiplicar os 2 membros de uma equação por um mesmo número real diferente de zero e somarmos aos membros correspondentes da outra equação. Regra de Chio de matrizes = 10ª propriedade. Exemplo: 43 742 25953 3742 zy zyx zyx zyx 4º) Se no processo de escalonamento obtivermos uma equação com todos os coeficientes nulos e o termo independente diferente de zero, esta equação é suficiente para afirmar que o sistema é impossível., isto é, S = . Exemplo 1: 44 3216 135 72 73 3135 72 135 73 72 8253 2172 3272 z zy zyx zy zy zyx zy zy zyx zyx zyx zyx O sistema obtido está escalonado e é equivalente ao sistema dado. Podemos agora resolver: 17232 31325 2 16 32 xx yy z Sistema possível e determinado, com S = {(-1,3,2)} Exemplo 2: )inarlime(zyx zy zyx zyx zyx zyx 0000 847 32 6242 13 2332 847 32 zy zyx Sistema possível e indeterminado (escalonado e 2 x 3). Variável livre: z. 7 48 847 y yz 7 5 3 7 48 2 xx Solução geral: ,, 7 48 7 5 Exercícios propostos: 1) Escalone, classifique e resolva os sistemas lineares abaixo: a) 02 833 132 zy zyx zyx Resp: Sistema possível e determinado, com S = {(1,-1,2)} b) 5232 2 zyx zyx Resp: Sistema possível e indeterminado, com S = {(1+5k, 1-4k, k)} 45 3.8 Testes 1. (FMU – SP) O valor de a para que o sistema 543 182 ayx yx seja possível e indeterminado é: a) -6 b) 6 c) 2 d) -2 e) 3/2 Resposta: a) 2. (FGV – SP) O sistema 014 042 032 zx zyx zyx é: a) determinado. b) Impossível c) Determinado e admite como solução (1, 1, 1). d) Indeterminado. e) N.D.A. Resposta: d) 3. (UFRN) A solução do sistema 1323 524 6 zyx zyx zyx é: a) (-2, 7, 1) b) (4, -3, 5) c) (0, 1, 5) d) (2, 3, 1) e) (1, 2, 3) Resposta: e) 4. (Osec – SP) O sistema linear 724 9432 22 zyx zyx zyx : a) admite solução única; b) admite infinitas soluções; c) admite apenas duas soluções; d) não admite solução; e) N.D.A. Resposta: b) 5. (Efoa – MG) O sistema de equações 0 55 ybx yax , terá uma única solução se: a) ba 5 b) 05 ba c) 05 ba d) 05 ab 46 e) 05 ab Resposta: c) 6. (Faap – SP) Para que o sistema linear 152 7 yx byax admita uma única solução, é necessário que: a) 5 2b a b) 5 2b a c) 2 5b a d) 5 2b a c) 2 5b a Resposta: a) 7. (FCC – BA) O sistema linear 12 yxa ayx é impossível se e somente se: a) 1a e 1ab) 1a ou a = –1 c) 1a d) 1a e) Ra Resposta: d) 8. (FEI – SP) Se x = A, y = B e z = C são as soluções do sistema 104 4 3 zy zx yx , então ABC vale: a) -5 b) 8 c) -6 d) -10 e) 5 Resposta: c) 9. (UFRS) O sistema sobre R 11114 2 132 zyx bzyx zyx , terá solução apenas se o valor de b for igual a: a) 6 b) 4 c) 1 d) -11 e) -12 Resposta: b) 10. (Mack – SP) O sistema 24 2 myx kyx é indeterminado. Então k + m vale: a) 1/2 b) 1 c) 3/2 d) 2 e) 3 Resposta: e) 11. (UFSC) Para qual valor de m o sistema 023 02 02 yx zmyx zymx admite infinitas soluções? a) m = 0 b) 0m c) m = 2 d) m = 10 e) m = 1 Resposta: c) 12. (FCC – BA) O sistema 0 02 kyx yxk nas incógnitas x e y: a) é impossível se 1k 47 b) admite apenas a solução trivial se k = 1 c) é possível e indeterminado se k = -1 d) é impossível para todo k real e) admite apenas a solução trivial para todo k real. Resposta: c) 13. (Cesgranrio) O sistema byx zayx zyax 1 0 tem uma infinidade de soluções. Então, sobre os valores dos parâmetros a e b, podemos concluir que: a) a = 1 e b arbitrário b) a = 1 e 0b c) a = 1 e b = 1 d) a = 0 e b = 1 e) a = 0 e b = 0 Resposta: d) 14. (Fuvest – SP) O sistema linear: 3 1 02 zyx zyx zyx não admite solução se for igual a: a) 0 b) 1 c) -1 d) 2 e) -2 Resposta: e) 15. (PUC – SP) Certo dia, numa mesma casa de câmbio, Sassa trocou 40 dólares e 20 euros por R$ 225,00 e Lili trocou 50 dólares e 40 euros por R$ 336,00. Nesse dia, 1 euro estava cotado em: a) R$ 3,80 b) R$ 3,75 c) R$ 3,70 d) R$ 3,68 e) 3,65 Resposta: e) 16. (UPF – RS) A empresa brinque muito realizou uma grande doação de brinquedos para um orfanato. Essa doação compreendeu 535 brinquedos, entre bolas e bonecas, 370 brinquedos, entre bonecas e carimbos, e o total de doação entre bolas e carimbos foi de 455 brinquedos. É possível afirmar que, para realizar a doação, a empresa produziu: a) 320 bolas b) 145 carimbos c) 235 bonecas d) 780 brinquedos e) 1350 brinquedos
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