Matrizes e Sistemas Lineares Aula Zero - Álgebra Linear Professor: Juliano de Bem Francisco Departamento de Matemática Universidade Federal de Santa Catarina agosto de 2011 Outline Matrizes e Sistemas Lineares Matrizes Sistemas Lineares Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Part I Capı́tulo 1 - Matrizes Definição: Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Consideremos o conjunto de 5 alunos que fizeram 4 avaliações. Para representar esses dados de maneira organizada, podemos fazer uso de uma tabela: Ana Beatriz Carlos Daniela Edson 4,5 7,2 8,0 9,2 6,8 6,2 6,8 7,5 8,5 7,2 7,0 8,0 5,9 7,0 6,8 5,5 10,0 7,2 8,0 7,5 O tratamento por linhas, por colunas, por elementos fazem desses objetos matemáticos instrumentos valiosos na organização e manipulação de dados. Definição: Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Uma matriz é um arranjo de números, sı́mbolos, letras, etc, dispostos em linhas e colunas. Se uma matriz possui m linhas e n colunas diremos que a matriz tem ordem m × n. Exemplos: 0 −2 1 4 A = 3 −1 0 0 2 5 −1 2 B= √2 −1 3 5 A matriz A é de ordem 3 × 4 e a matriz B é de ordem 2 × 2. Definição: Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Uma matriz A de ordem m × n é representada por: a11 a12 · · · a1n a21 a22 · · · a2n A= . .. .. . . . . . . . am1 am2 · · · amn m×n Abreviadamente podemos escrever, A = [aij ]m×n , com 1 ≤ i ≤ m, 1 ≤ j ≤ n e i, j ∈ N. Na matriz A do exemplo anterior tem-se que a14 = 4 e a22 = −1. Tipos de Matrizes Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Matriz Nula é aquela em que todos os seus elementos são nulos. Exemplo: O= 0 0 0 0 0 0 O= 0 0 0 0 Matriz Linha é aquela que possui uma única linha (m = 1). Exemplo: A= 2−1 1 √ 3 2 Tipos de Matrizes Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Matriz Coluna é aquela que possui apenas uma coluna (n = 1). Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Exemplos: 1 A= 0 −1 B= 5 −4 Um vetor no plano ou no espaço pode ser considerado como uma matriz coluna. Usaremos essa forma ao representar a solução de um sistema de equações. Tipos de Matrizes Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Matriz Quadrada é aquela cujo número de linhas é igual ao número de colunas (m = n). Exemplo: 2 1 0 −2 A = 0 −1 √ 2 π 3 Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Matriz Identidade é uma matriz quadrada cujos elementos aij = 0 se i 6= j e aij = 1 se i = j. Exemplo: 1 0 A= 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 Tipos de Matrizes Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Matriz Triangular Superior é uma matriz quadrada de ordem n cujos elementos aij são nulos quando i > j, isto é: a11 a12 · · · a1n 0 a22 · · · a2n A= . .. .. . . . . . . . 0 0 ··· ann Matriz Triangular Inferior é uma matriz quadrada de ordem n cujos elementos aij são nulos quando i < j, isto é: a11 0 · · · 0 a21 a22 · · · 0 A= . .. .. .. .. . . . an1 an2 · · · ann Tipos de Matrizes Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Matriz Simétrica é uma matriz quadrada de ordem n, em que aij = aji , ∀ 1 ≤ i , j ≤ n. Exemplo: 4 3 −1 A= 3 2 0 −1 0 5 Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Matriz Anti-Simétrica é uma matriz quadrada de ordem n, em que aij = −aji , ∀ 1 ≤ i , j ≤ n. Exemplo: √ 2 0 3 0 −3 0 −1 1 A= 0 1 0 −2 √ − 2 −1 2 0 Tipos de Matrizes Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Matriz Elementar Uma matriz é denominada elementar se for obtida por meio de uma única mudança na matriz identidade. Essa mudança pode ser de um dos seguintes tipos: 1) A troca de uma linha (ou coluna) por outra linha (ou coluna); 2) A multiplicação de uma linha (ou coluna) por um valor α ∈ R; 3) A soma de uma linha (ou coluna), multiplicada pelo valor α ∈ R, com outra linha (ou coluna). Tipos de Matrizes Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Exemplos: a) A matriz elementar de ordem 2 obtida ao trocarmos a linha 1 pela linha 2 da matriz identidade de ordem 2 é dada por: 0 1 E1 = 1 0 b) A matriz elementar de ordem 3 obtida ao multiplicar a linha 3 por -3 e somar com a linha 2 da matriz identidade (de ordem 3) é dada por: 1 0 0 E2 = 0 1 0 0 1 −3 Igualdade de Matrizes Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Definição Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Duas matrizes A = [aij ]m×n e B = [bij ]m×n são iguais quando aij = bij , ∀ i, j. Exemplo: 9 1 log 1 9 sen (π/2) 0 A= e B= 2 22 5 2 4 5 são iguais. Operações com Matrizes - Adição Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Definição Sejam A = [aij ]m×n e B = [bij ]m×n , a matriz A somada com a matriz B, resulta numa matriz C = [cij ]m×n , cujos elementos são: cij = aij + bij , ∀ i, j. Denotamos por: C = A + B = [aij + bij ]m×n . 1 Exemplo: 4 2 0 −1 0 + −2 1 5 4 1 5 = 2 0 3 3 5 . 5 Propriedades: (a) Comutatividade: A + B = B + A. (b) Associatividade: (A + B) + C = A + (B + C ). (c) Elemento Neutro da Adição: A + 0 = 0 + A = A, onde 0 denota a matriz nula. (d) Elemento Simétrico: A + (−A) = 0. Produto de uma matriz por um escalar Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Definição Seja k um número qualquer. Para multiplicar k por uma matriz A de ordem m × n, basta multiplicar cada entrada aij de A por k. Assim, a matriz resultante B será também m × n e seus elementos serão bij = k aij . 2 10 1 −4 −20 −2 6 0 . Exemplo: −2 1 −3 0 = −2 0 −2 3 0 4 −6 Produto de uma matriz por um escalar Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Propriedades: (a) Associativa: k1 (k2 A) = (k1 k2 )A. (b) Distributiva à direita em relação as matrizes: k(A + B) = kA + kB. (c) Distributiva à esquerda em relação aos escalares: (k1 + k2 )A = k1 A + k2 B. (d) Elemento Neutro: 1.A = A. (e) 0.A = 0. Matriz transposta Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Definição Dada uma matriz A = [aij ]m × n , podemos obter uma outra matriz A0 = [bij ]n × m , cujas linhas são as colunas de A, isto é, bij = aji . A0 é denominada a transposta de A. 3 −2 5 Exemplo: Seja A = . 1 7 0 3 1 A transposta de A é a matriz A0 = −2 7 . 5 0 Propriedades: (a) (A0 )0 = A. (b) (A + B)0 = A0 + B 0 . (c) A é simétrica se, e somente se, A = A0 . (d) (kA)0 = kA0 , k é um escalar qualquer. Produto de Matrizes Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Definição Sejam, A = [aij ]m×n e B = [brs ]n×p , então, seu produto A.B é a matriz m × p dada por: C = [cuv ]m×p . Os elementos da n X matriz produto cuv são dados por: cuv = auk bkv . k=1 Propriedades: (a) AI = IA = A, onde I é a matriz identidade. (b) Associativa: (AB)C = A(BC ). (c) Distributiva: A(B + C ) = AB + AC . (d) (A + B)C = AC + BC . (e) k(AB) = (kA)B = A(kB). (f) (AB)0 = B 0 A0 . Traço de uma Matriz Matrizes e Sistemas Lineares Dada A = [aij ]n , o traço de A, denotado por Tr (A), é o número dado pela soma dos elementos da diagonal principal. Isto é: Capı́tulo 1 Matrizes Tr (A) = Capı́tulo 2 Sistemas Lineares n X aii . i=1 Propriedades: (a) Tr (A + B) = Tr (A) + Tr (B); (b) Tr (αA) = αTr (A); (c) Tr (A0 ) = Tr (A); (d) Tr (AB) = Tr (BA). Determinantes Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Cofator de uma Matriz: O cofator Aij do elemento na posição (i, j) de uma matriz A é dado pelo valor do determinante Mij , vezes o valor (−1)i+j . Isto é: Aij = (−1)i+j det(Mij ) onde Mij é a matriz obtida eliminando a i-ésima linha e a j-ésima coluna da matriz A. Definição Seja A uma matriz de ordem n, o cálculo do determinante da matriz referido a linha k é dado por: |A| = ak1 Ak1 + ak2 Ak2 + ... + akn Akn . Similarmente é possı́vel fazer o desenvolvimento por colunas. Propriedades do Determinante Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Considere A e B matrizes quadradas. Então, valem as propriedades dos determinantes. Propriedades: (a) Se A possui uma linha (ou colunas) de zeros, então, det (A) = 0; (b) Se A possui duas linhas (ou colunas) iguais, então, det (A) = 0; (c) Se B é obtida de A multiplicando-se uma linha (ou coluna) por um escalar α, então, det (B) = α det (A); Propriedades do Determinante Matrizes e Sistemas Lineares Propriedades: Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares (d) Se B é obtida por troca das posições relativas de duas linhas (ou colunas) da matriz A, então, det (B) = −det(A); (e) Se B é obtida de A, substituindo-se a linha i (ou coluna) por ela somada a um multiplo escalar de outra linha j (ou coluna) (j 6= i) então, det (B) = det (A); (f) det (A) = det (A0 ); (g) det (AB) = det (A) det(B). Matriz Adjunta Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Dada A = [aij ]n , a matriz adjunta de A é dada por Adj (A) = (Cof (A))0 , onde Cof (A) é a matriz cujos elementos são os cofatores Aij da matriz A, ou seja, é a matriz onde cada elemento aij é igual ao cofator Aij da matriz A. Teorema Se A é uma matriz de ordem n, Adj (A) · A = A · Adj (A) = det (A) · In . Matriz inversa Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Definição Uma matriz é dita singular se o seu determinante é nulo. Caso contrário, dizemos que a matriz é não singular. Definição Dada uma matriz A, quadrada, de ordem n, se existir uma matriz A−1 , de mesma ordem, tal que A.A−1 = A−1 .A = In , então dizemos que A é inversı́vel e que A−1 é matriz inversa de A. Propriedades: Se A é inversı́vel, então, A é não singular. Matriz inversa Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Se det (A) 6= 0 então A−1 = adj (A) · det (A) Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Propriedades: Se A e B são inversı́veis, então: (a) (AB)−1 = B −1 A−1 . (b) (A−1 )−1 = A. (c) (A0 )−1 = (A−1 )0 . 1 (d) det (A−1 ) = · det (A) Operações Elementares Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Operações elementares são realizadas na matriz com o objetivo de invertê-la, reduzi-la ou simplesmente colocá-la num formato especificado previamente. Elas podem ser de três tipos: 1) A troca de uma linha (ou coluna) por outra linha (ou coluna); 2) A multiplicacao de uma linha (ou coluna) por um valor α ∈ R, com α 6= 0; 3) A soma de uma linha (ou coluna) multiplicada pelo valor α ∈ R (α 6= 0) numa outra linha (ou coluna). Forma Escada de uma Matriz Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Dizemos que uma matriz A = (aij )m×n está na sua forma escada quando: a) se o primeiro elemento não nulo da linha i ocorre na coluna ki , então aij = 0 para todo i > ki . Em outras palavras, os elementos da coluna ki que estão abaixo do primeiro elemento não nulo da linha i são todos iguais à zero; b) Toda linha nula ocorre abaixo de todas as linhas não nulas; c) Se as linhas 1, ..., r são linhas não nulas, e se o primeiro elemento não nulo da linha i ocorre na coluna ki , então, k1 < k2 < ... < kr . Forma Escada de uma Matriz Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Exemplos: 0 1 0 A1 = 0 0 0 0 1 5 0 3 A2 = 0 0 0 1 2 0 0 0 0 0 1 −1 0 A3 = 0 1 0 0 0 1 Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Part II Capı́tulo 2 - Sistemas Lineares Sistemas de Equações Lineares Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Definição Um sistema da forma a11 x1 + a12 x2 + . . . + a1n xn = b1 a21 x1 + a22 x2 + . . . + a2n xn = b2 .. . am1 x1 + am2 x2 + . . . + amn xn = bm (1) é chamado de sistema de equações lineares de ordem m × n. Forma Matricial de um Sistema Linear Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares O sistema de equações (1) pode ser escrito a11 a12 · · · a1n x1 a21 a22 · · · a2n x2 .. .. .. .. .. . . . . . am1 am2 ··· na forma matricial: b1 b2 = .. , . xn bm amn ou ainda, AX = B, (2) com X = x1 x2 .. . xn , A = a11 a21 .. . a12 a22 .. . ··· ··· .. . a1n a2n .. . am1 am2 ··· amn e B= b1 b2 .. . bm . Exemplo Matrizes e Sistemas Lineares Exemplos: Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares x1 + 2x2 = 1 2x1 + x2 = 0 x1 − x2 = −1 Forma matricial: X = x1 x2 1 2 1 , A = 2 1 e B = 0 . 1 −1 −1 Interpretação Geométrica Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Considere o seguinte sistema: ( a11 x + a12 y = b1 a21 x + a22 y = b2 Geometricamente temos as seguintes possibilidades: Combinação Linear de Vetores Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares O sistema: ( x + 2y = 5 3x + y = 5 pode ser escrito da forma 1 2 5 x +y = 3 1 5 Posto e Nulidade de uma Matriz Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Definição Dada uma matriz A de ordem m × n, o posto da matriz, p(A), é dado pela ordem da maior submatriz não singular da matriz dada. Exemplo: 1 2 A= 2 4 , temos que p(A) = 1 1 2 3×2 Definição Dada uma matriz A de ordem m × n, a nulidade da matriz, nul(A), é dada pela diferença entre o número de colunas e o seu posto (nul(A) = n − p(A)). Posto e Nulidade de uma Matriz Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Definição As linhas linearmente independentes (L.I.) de uma matriz A são as linhas não nulas de sua forma escada. Exemplo: Seja 1 ∗ 0 0 Ã = 0 0 0 0 A tal que sua forma escada é ∗ ∗ ∗ 2 ∗ ∗ números de linhas L.I. de A?? 0 0 −1 0 0 0 4×5 Matrizes e Sistemas Lineares Propriedades: (a) Se A é m × n, então p(A) = (núm. de linhas L.I.) Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares (b) p(A) ≤ min{m, n} Conclusão: Achar p(A) basta achar o posto de sua forma escada! Assim, se A é tal que sua forma escada 1 ∗ ∗ ∗ 0 0 −3 ∗ Ã = 0 0 0 0 0 0 0 0 é ∗ ∗ 2 0 Então, posto de A é 3 e sua nulidade é 2. Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Mais exemplos: 2 ∗ ∗ 0 0 0 Ã = 0 0 0 0 0 0 2 ∗ ∗ 0 0 3 Ã = 0 0 0 0 0 0 ∗ 3 0 0 ∗ ∗ 1 0 ∗ ∗ p(A) =?? nul(A) = ?? 0 0 4×5 ∗ ∗ p(A) =?? nul(A) = ?? 1 −2 4×5 Exercı́cio 1 2 −1 0 2 −1 1 1 Encontre o posto e nulidade de A = 1 −3 2 1 0 −5 3 1 Matrizes Equivalentes e Sistemas Equivalentes Matrizes e Sistemas Lineares Definição Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares e são ditas matrizes equivalentes se uma Duas matrizes A e A delas e obtida ao fazermos operações elementares na outra. Exemplo: 1 2 1 4 0 2 1 é equivalente a A= 0 −1 −2 −1 −4 1 2 1 4 Ã = 0 0 1 1/2 0 0 0 0 Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Propriedade. Matrizes equivalentes possuem o mesmo posto. Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Definição Dado um sistema AX = B, com A m × n, definimos a matriz aumentada/ampliada do sistema por Au = [A : B] (de ordem m × (n + 1)) Matrizes e Sistemas Lineares Definição Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares e = B, e são ditos equivalentes se as Dois sistemas, AX = B e AX matrizes aumentadas dos mesmos, Au = [A : B] e e u = [A e : B], e são matrizes equivalentes. A Exemplo: Os sistemas x + 2y + z − t = 1 2z − 2t = 2 −x − 2y − z + 2t = −1 são equivalentes. x + 2y + z − t = 1 e z −t =1 t=0 Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Propriedades: Sistemas equivalentes possuem o mesmo conjunto solução. Ideia para resolver sistemas lineares: Aplicar operações elementares em [A : B] e obter [Ã : B̃] na forma escada, e então resolver ÃX = B̃ (mais simples) Caracterização dos Sistemas Lineares Matrizes e Sistemas Lineares Seja o sistema linear de m equações com n incógnitas Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares da forma: AX = B. O sistema linear pode ser: a) Possı́vel, se possui solução. Neste caso, p(Au ) = p(A). Determinado: quando a solução é única. Neste caso, p(A) = n; Indeterminado: quando há infinitas soluções. Neste caso, p(A) < n. b) Impossı́vel, se não possui solução (p(Au ) > p(A)). Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Exemplo: Considere o sistema AX = B onde 1 0 A= 0 0 ∗ 0 0 0 ∗ 1 0 0 ∗ ∗ 0 0 ∗ ∗ ∗ ∗ , B= ∗ 1 0 4×5 z 4×1 Qual valor de z para que o sistema seja possı́vel? e impossı́vel? Pode ser determinado? Graus de Liberdade Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Definição Considere um sistema indeterminado AX = B, com A m × n. O número de graus de liberdade do sistema é g = n − p(A) > 0 (que é o número de variáveis livres). Exemplo: 1 2 −1 3 0 −1 0 0 1 2 −1 0 A= ,B = eX = 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 então, g =?? e as variáveis livres são ?? x1 x2 x3 x4 x5 Método de Gauss Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares O Método de Gauss para sistemas lineares: escolher variáveis livres e, a partir delas, encontramos as outras variáveis usando o sistema equivalente na forma escada. Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Exemplo Encontre o grau de liberdade, as variáveis livres e o conjunto de soluções para o sistema, indicando o posto e a nulidade da matriz do sistema : x + 2y − 3z − 2s + 4t = 1 2x + 5y − 8z − s + 6t = 4 x + 4y − 7z + 5s + 2t = 8 Escreva as soluções como combinação linear de vetores. Sistemas Homogêneos Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Definição Quando B = 0 dizemos que o sistema é homogêneo. Neste caso, AX = 0. Notação: SLh . Observação Ao aplicar operações elementares no sistema aumentado [A : 0] a última coluna vai ser sempre 0, ou seja, teremos [Ã : 0]. Propriedades: Em um sistema AX = B, a solucão geral é X = Xp + Xh , onde Xp é uma solução particular do sistema e Xh é a solução geral do sistema homogêneo Ax = 0. Matrizes e Sistemas Lineares Capı́tulo 1 Matrizes Capı́tulo 2 Sistemas Lineares Exemplo Encontre o conjunto de soluções para o sistema homogêneo: x + 2y − 3z − 2s + 4t = 0 2x + 5y − 8z − s + 6t = 0 x + 4y − 7z + 5s + 2t = 0