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GOVERNO DO ESTADO DE MATO GROSSO SECRETARIA DE ESTADO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO “DEP. EST. RENE BARBOUR” CURSO. DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO AGROINDUSTRIAL DAYANE INGRID FERREIRA DE MORAES MATRIZ DEFINIÇÃO, SUAS PROPRIEDADES E APLICAÇÕES BARRA DO BUGRES-MT 2017 INTRODUÇÃO Desde os primórdios a Matemática é uma ciência muito antiga, sempre esteve presente no dia-a-dia das pessoas. Estudamos Matemática desde os primeiros anos escolares, ao mesmo tempo em que dizemos que esta disciplina é muito importante em nossas vidas, devido a sua aplicabilidade, não mostramos muitas vezes suas aplicações. Por este motivo será apresentado definições sobre matrizes, suas aplicações e propriedades, onde seu principal objetivo seria mostrar algumas aplicações de um determinado conteúdo matemático a própria Matrizes e as suas propriedades pois é um dos assuntos que não conhecemos suas aplicações. Os estudos sobre métodos de resolução ou discussão de um sistema de equações levaram os matemáticos a criar um novo ente – a matriz -, que a curiosidade humana passou a explorar. Com as matrizes, surge um novo universo matemático. Agora não operamos apenas com números reais, mas também com matrizes. MATRIZ Definição: Uma matriz A é um agrupamento retangular de elementos dispostos em linhas (horizontais) e colunas (verticais), geralmente entre colchetes ou parênteses. Os elementos de uma matriz podem ser números reais ou complexos ou até mesmo expressões algébricas, e são chamados de entradas da matriz. Uma matriz é real se os seus elementos são números reais ou expressões que assumem valores reais. Neste trabalho vamos trabalhar apenas com matrizes reais Uma matriz A com m linhas e n colunas pode ser escrita da seguinte forma: DEFINIÇÃO: MATRIZ COLUNA Dizemos que A é uma matriz coluna quando A for de ordem m x 1. Exemplos: DEFINIÇÃO: MATRIZ QUADRADA Seja A uma matriz m x n. Sem n, A é uma matriz quadrada. Ou seja, uma matriz quadrada é uma matriz que tem o mesmo número de linhas e de colunas. Os números a11, a22..., ann formam a diagonal principal de A. DEFINIÇÃO: MATRIZ TRIANGULAR SUPERIOR E MATRIZ TRIANGULAR INFERIOR Uma matriz quadrada A = [aij] é dita triangular superior se aij= O quando i > j, ou seja, os elementos abaixo da diagonal principal são todos nulos. Exemplo: Podemos também afirmar simplesmente que A é triangular se A for triangular superior ou inferior. Deve ser observado que urna matriz triangular pode ter zeros na diagonal. DEFINIÇÃO: MATRIZ DIAGONAL Uma matriz quadrada A = [ay] em que todos os elementos fora da diagonal principal são nulos, isto é, aij = 0 para i diferente de j, é denominada matriz diagonal. Exemplos: MATRIZES ESPECIAIS Definição: Matriz Identidade Uma matriz de ordem n, A = [aij] em que todos os elementos fora da diagonal principal são nulos e os elementos da diagonal são todos iguais a urn, isto é, aij = 0 para i diferente de j= 1 para i =j, é denominada matriz identidade. Notação: l ou In. Exemplo: Definição: Matriz Nula Seja A = [ali] uma matriz de ordem m x n. A é uma matriz nula se todos os seus elementos nulos, isto é, se aij= 0, para i =1,... m e j=1,... n. ALGUMAS PROPRIEDADES DE MATRIZ Adição de Matrizes A soma de duas matrizes A e B do tipo m x n é uma matriz C do mesmo tipo, em que cada elemento é a soma dos elementos correspondentes em A e B. O número de colunas da matriz A (1° fator) deve ser, obrigatoriamente, igual ao número de linhas da matriz B (2° fator), para que o produto exista. O produto C tem m linhas e p colunas. Propriedades da multiplicação de matrizes Sejam A, B e C matrizes conformes para a multiplicação e adição. O produto C tem m linhas e p colunas. Propriedades da multiplicação de matrizes Sejam A, B e C matrizes conformes para a multiplicação e adição. 1a. Propriedade – associativa: ABC = (AB)C = A(BC) 2a Propriedade – distributiva: A(B + C) = AB + AC 3a. Propriedade – iguais 4a. Propriedade – elemento neutro – matriz identidade (ou unidade de ordem n) 5a. Propriedade – anticomutativa – De um modo geral, AB ^ BA. Há casos especiais, que estudaremos, em que AB = BA. Nesse caso, dizemos que A e B comutam. 6a. Propriedade – O produto de duas matrizes não-nulas poderá ser uma matriz nula . PROPRIEDADES DA SOMA Na tabela abaixo, A, B e C são matrizes de dimensões iguais. Propriedade Exemplo Propriedade comutativa da adição {A}+{B}={B}+{A}A+B=B+A Propriedade associativa da adição {A}+({B}+{C})=({A}+{B})+{C}A+(B+C)=(A+B)+CA, Propriedade do elemento neutro da adição Para qualquer matriz A, existe uma única matriz O de tal modo A+O=A Propriedade da inversa aditiva Para cada A, existe uma única matriz O , A de tal modo A+O=AA+O=A Propriedade do fechamento da adição A+B é uma matriz de mesma dimensão de A e B. PROPRIEDADES DE MULTIPLICAÇÃO ESCALAR DE MATRIZE Na tabela abaixo, Ae B são matrizes de dimensões iguais, c e d são escalares, e O é a matriz nula. Propriedade Exemplo Propriedade associativa da multiplicação (cd)A=c(dA)(cd)A=c(dA) Propriedades distributivas c(A+B)=cA+cBc(A+B)=cA+cB, (c+d)A=cA+dA(c+d)A=cA+Da Propriedade da identidade multiplicativa 1 A=A1A=A1 Propriedades multiplicativas de zero 0⋅A=0 Propriedade de fechamento da multiplicação cA, é uma matriz de mesmas dimensões que A. FIXAÇÃO DE MATRIZES E MULTIPLICAÇÃO ESCALAR Uma matriz é um arranjo retangular de números em linhas e colunas. Quando trabalhamos matrizes, chamamos os números reais de escalares. O termo multiplicação escalar refere-se ao produto de um número real com uma matriz. Em multiplicações escalares, cada elemento da matriz é multiplicado pelo escalar determinado. ADIÇÃO DE MATRIZES E ADIÇÃO DE NÚMEROS REAIS Como a adição de matrizes se apoia muito na adição de números reais, muitas das propriedades da adição que sabemos serem verdadeiras para números reais, também o são para matrizes. Vamos analisar cada propriedade individualmente. PROPRIEDADE COMUTATIVA DA ADIÇÃO: A+B=B+A+B=B+A, Esta propriedade afirma que você pode somar duas matrizes em qualquer ordem e obter o mesmo resultado. Isto se equipara à propriedade comutativa da adição para números reais. Por exemplo, 3+5=5+33+5=5+33. O exemplo a seguir ilustra essa propriedade das matrizes. PROPRIEDADE ASSOCIATIVA DA ADIÇÃO: (A+B)+C=A+(B+C)(A+B)+C=A+(B+C) Essa propriedade afirma que você pode alterar o agrupamento em uma adição de matrizes e obter o mesmo resultado. Por exemplo, você pode somar a matriz AAA à matriz B primeira, e depois somar a matriz C, ou, você podesomar a matriz B à matriz C, e então somar esse resultado à matriz A. Esta propriedade se equipara à propriedade associativa da adição para números reais. Por exemplo, (2+3)+5=2+(3+5)(2+3)+5=2+(3+5) Vamos legitimar essa propriedade das matrizes com um exemplo. Em cada coluna simplificamos um lado da identidade em uma única matriz. As duas matrizes resultantes são equivalentes graças à propriedade associativa da adição de números reais. Por exemplo, (5+3)+1=5+(3+1) Devido a essa propriedade, podemos escrever uma expressão como A+B+C, C e tê-la completamente definida. Não precisamos de parênteses para indicar qual adição calcular primeiro, já que isso não importa. PROPRIEDADE DO ELEMENTO NEUTRO DA ADIÇÃO: A+O=A Uma matriz nula, denominada O, é uma matriz em que todos os elementos são iguais a 0. Observe que, quando uma matriz nula é somada a qualquer matriz A, o resultado é sempre A. Esses exemplos ilustram o significado da propriedade do elemento neutro; o de que a soma de qualquer matriz A à matriz nula apropriada é a matriz A. A matriz nula pode ser comparada ao número zero do conjunto dos números reais. Para todos os números reais a, sabemos que a +0=a O número 0 é o elemento neutro do conjunto dos números reais, assim como O é o elemento neutro das matrizes. PROPRIEDADE DA INVERSA ADITIVA: A+(-A)=O A oposta de uma matriz A é a matriz -A, em que cada elemento nessa matriz é o oposto do elemento correspondente na matriz A, Por exemplo, se Se somarmos A a -A, obteremos uma matriz nula, o que demonstra a propriedade da inversa aditiva. A soma de um número real e seu oposto é sempre 0, então a soma de qualquer matriz e sua oposta resulta em uma matriz nula. Em decorrência disso, nos referimos a matrizes opostas como inversas aditivas. ALGUMAS APLICAÇÕES DE MATRIZ NO DIA-A-DIA Serão apresentadas algumas aplicações simples de matrizes Matrizes que são amplamente utilizadas em muitas áreas, como Economia, Física, Engenharia, Biologia, entre outras. Porém existem dois problemas que dificultam trabalhar com aplicações de matrizes, pois para modelar certos problemas é necessário um maior conhecimento matemático e mesmo nos problemas que silo fáceis de modelar, suas soluções na maior pane das vezes exige conhecimento de teorias mais sofisticadas sobre matrizes. A construção de uma tabela onde são apresentados os resultados do aproveitamento escolar de 4 turmas diferentes pode ser apresentada em uma tabela, com as respectivas disciplinas e o aproveitamento de cada turma por disciplina, como no exemplo do esquema a seguir: Matemática Português Engenharia Geografia Turma A 8 9 8 9 Turma B 7 5 6 6 Turma C 8 7 7 7 Turma D 7 8 8 9 A identificação de uma determinada nota procurada pode ser feita da seguinte maneira: Quando quisermos saber o aproveitamento da turma C em engenharia de produção, por exemplo, basta nos orientarmos na linha da turma C e na coluna onde estão as notas de engenharia, logo encontramos a nota 7. Agora repetindo a coluna apenas considerando os números dispostos em linhas e colunas como na tabela anterior, porém colocados entre parênteses ou colchetes, veja: Em tabelas dispostas como essa, os números são chamados de elementos. As colunas são enumeradas da esquerda para a direita e as linhas de cima para baixo. Esse tipo de tabela disposta com linhas e colunas é classificado da seguinte forma mxn, onde m são as linhas e n as colunas com m e n diferentes de 0;essa tabela é chamada de matriz. Representamos geralmente uma matriz por letras maiúsculas e seus respectivos elementos por letras minúsculas que são os índices já apresentados, linha e colunas (mxn). As matrizes nos ajudam bastante em vários direcionamentos de assuntos e estudos que fazemos no dia a dia, as aplicações dessas "tabelas" nos auxiliam, por exemplo, no ensino da matemática aplicada à informática. As usuais transformações de tabelas que usamos como instrumento de estudo das matrizes podem ser feitas através de estudos realizados nos campos da economia, engenharia, matemática, física, informática. Na informática temos os exemplos clássicos de matrizes, em programas onde elas aparecem no auxilio dos cálculos matemáticos, editores de imagem, o próprio teclado onde sua configuração é realizada por um sistema de matrizes, entre outros tantos. Na economia, por exemplo, as matrizes auxiliam como grande ferramenta na interpretação de gráficos que também podem ser originados de tabelas que usamos as matrizes. Junto com a economia temos as organizações comerciais que fazem uso da tabela, ou seja, trabalham com matrizes. Engenheiros civis fazem constantemente o uso das matrizes, que são de extrema importância para a divisão dos metros e distribuição de material na construção de uma estrutura de sustentação (lajes). Na Física é feito o uso das matrizes a partir de tabelas relacionando o deslocamento e o tempo. Entre tantos outros exemplos, esse é o uso da matemática no dia a dia relacionando ao estudo de matrizes. MATRIZES E CRIPTOGRAFIA Descrevemos abaixo um método bastante simples, para codificar e decodificar mensagens, que envolve apenas um par de matrizes de ordem n, A e A-1 , cujos elementos devem ser números inteiros_ Primeiramente ilustraremos o método utilizando uma matriz A e a sua inversa A-1. A matriz A é apropriada, pois seus elementos são números inteiros, assim como os da matriz A-1. O remetente vai usar a matriz A para codificar a mensagem, e o destinatário vai usar a matriz A para decodifica-la. O objetivo deste método é que a mensagem seja codificada utilizando pares de caracteres, de modo que tabelas de frequência de letras e alternativas não ajudem em nada a um decodificador não amigável. Dada uma mensagem para ser codificado, o primeiro passo será convertê-la da forma alfabética para a forma numérica. Para isso usamos a seguinte correspondência entre letras e números: MATRIZES E MODELOS POPULACIONAIS A Algebra Matricial é um instrumento importante para a análise do crescimento populacional. Uma dada população de indivíduos pode ser subdividida em grupos etários ou raças diferentes, e assim buscaremos determinar como a população se modifica ano a ano. Ocaso mais simples é o da população homogénea, com inicio no tempo t = 0, com Po indivíduos crescendo ou decrescendo a uma taxa anual constante. CADEIAS DE MARKOV Descrevemos aqui um modelo geral de um sistema que, em cada instante, está ern apenas um entre um número finito de estado. Ern seguida aplicamos o modelo a vários problemas concretos. Suponha que um sistema físico ou matemático está sofrendo mudanças tais que a cada momento ele pode ocupar um dentre um número finitos de estados. CONCLUSÃO Muitas vezes, para designar com clareza certas situações, é necessário formar um grupo ordenado de números que se apresentam dispostos em linhas e colunas numa tabela. Em Matemática, essas tabelas são chamadas de matrizes. Com o surgimento da computação e a crescente necessidade de guardar muita informação, as matrizes adquiriram uma grande importância. Para termos uma ideia dessa importância, basta saber que o que vemos na tela do computador é uma enorme matriz e cada valor guardado nas linhas e colunas da matriz representa um ponto coloridomostrado na tela . A importância não se situa somente ai, em aplicação de bancos de dados, tão importantes na organização de qualquer empresa ou residência, são largamente utilizadas. Quando você preenche um cadastro em uma página da internet, seus dados vão imediatamente para um banco de dados, que nada mais é do que uma matriz que relaciona as informações, suas e de todos os outros cadastrados, às respectivas pessoas de forma coerente e recuperável, então concluo que é de grande importância o estudo quanto esse grupo de ordenadas que tanto vemos por ai. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Disponível em:< https://www.resumoescolar.com.br/matematica/matrizes-definicao- caracteristicas-e-propriedades/>Acesso em 28 Julho 2017 Disponível em:<https://repositorio.ufsc.br/bitstream/handle/123456789/96804/Cristini_Kuerten.PD F?sequ/>Acesso em 28 Julho 2017 Disponível em:< https://pt.khanacademy.org/math/precalculus/precalc- matrices/properties-of-matrix-addition-and-scalar-multiplication/a/properties-of-matrix- scalar-multiplication>Acesso em 29 Julho 2017 Disponível em:<https://pt.khanacademy.org/math/precalculus/precalc- matrices/properties-of-matrix-addition-and-scalar-multiplication/a/properties-of-matrix- addition>Acesso em 29 Julho 2017 Disponível em:<http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/matematica/matriz- determinantes.htm>Acesso em 29 Julhos 2017 Disponível em:<http://www.infoescola.com/matematica/matrizes-no-dia-a-dia/>Acesso em 01 Agosto 2017
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