Lista de Exercícios – 06 Introdução O crescente uso dos computadores tem feito com que a teoria das matrizes seja cada vez mais aplicada em áreas como Economia, Engenharia, Matemática, Física, dentre outras. Vejamos um exemplo. A tabela a seguir representa as notas de três alunos em uma etapa: Química Inglês Literatura Espanhol A 8 7 9 8 B 6 6 7 6 C 4 8 5 9 Exemplo: Vamos agora considerar uma tabela de números dispostos em linhas e colunas, como no exemplo acima, mas colocados entre parênteses ou colchetes: Em tabelas assim dispostas, os números são os elementos. As linhas são enumeradas de cima para baixo e as colunas, da esquerda para direita: Tabelas com m linhas e n colunas ( m e n números naturais diferentes de 0) são denominadas matrizes m x n. Na tabela anterior temos, portanto, uma matriz 3 x 3. Exemplos: 2 1 2 3 −1 é uma matriz do tipo 2 x 3 é uma matriz do tipo 2 x 2 √2 30 −3 17 De forma geral uma matriz de ordem m x n é qualquer conjunto de m . n elementos dispostos em m linhas e n colunas. Representação = ⋮ ⋮ ⋯ ⋯ ⋱ ⋯ ⋮ Cada elemento de uma matriz é localizado por dois índices: aij . O primeiro indica a linha, e o segundo, a coluna. A matriz A pode ser representada abreviadamente por uma sentença matemática que indica a lei de formação para seus elementos. A = (aij)mxn | lei de formação. Ex.: Seja A = (aij)2x3 | aij = i . j = = 1 2 3 2 4 6 Exercícios: 1) Obter a matriz A = (aij)2x2 definida por aij = 3 i - j. Denominações especiais Algumas matrizes, por suas características, recebem denominações especiais. Por exemplo: Matriz linha: matriz do tipo 1xn, uma única linha. Por exemplo, a matriz A =[2 7 -3], do tipo 1x3. 1 Matriz coluna: matriz do tipo mx1, ou seja, com uma única coluna. Por exemplo, = 2 , do tipo 3 x −1 Matriz quadrada: matriz do tipo nxn, ou seja, com o mesmo número de linhas e colunas; dizemos que a 2 7 matriz é de ordem n. Por exemplo, a matriz = é do tipo 2 x 2, isto é, quadrada de ordem 2. 4 1 Numa matriz quadrada definimos a diagonal principal e a diagonal secundária. A principal é formada pelos elementos aij tais que i = j. Na secundária, temos i + j = n + 1. Veja: Observe a matriz a seguir: a11 = -1 é elemento da diagonal principal, pois i = j = 1 a31= 5 é elemento da diagonal secundária, pois i + j = n + 1 ( 3 + 1 = 3 + 1) Matriz nula: matriz em que todos os elementos são nulos; é representada por 0 m x n. 0 0 0 Por exemplo: 0 = . 0 0 0 Matriz diagonal: matriz quadrada em que todos os elementos que NÃO estão na diagonal principal são nulos. Por exemplo: = 2 0 0 1 3 0 = 0 7 0 0 0 0 −2 Matriz identidade: matriz quadrada em que todos os elementos da diagonal principal são iguais a 1 e os demais são nulos; é representada por In, sendo n a ordem da matriz. Por exemplo: 1 0 0 1 0 = = 0 1 0 0 1 0 0 1 Assim, formalizando, para uma matriz identidade = , = 1,se = . 0,se ≠ Matriz transposta: matriz At obtida a partir da matriz A trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas. Por exemplo: Desse modo, se a matriz A é do tipo m x n, At é do tipo n x m. Note que a 1ª linha de A corresponde à 1ª coluna de At e a 2ª linha de A corresponde à 2ª coluna de At. Matriz simétrica: matriz quadrada de ordem n tal que A = At . Por exemplo, 3 5 6 = 5 2 4 é simétrica, pois a12 = a21 = 5, a13 = a31 = 6, a23 = a32 = 4, ou seja, temos sempre aij = aij. 6 4 8 Igualdade de matrizes Duas matrizes, A e B, do mesmo tipo m x n, são iguais se, e somente se, todos os elementos que ocupam a mesma posição são iguais: A = B aij = bij, para todo 1 ≤ i ≤ m e todo 1 ≤ j ≤ n 2 0 2 Se = , = a A = B, então c = 0 e b = 3. −1 −1 3 Exercícios: 2) Se A é uma matriz quadrada de ordem 2 e At sua transposta, determine A, tal que A = 2 . At. 3) 04. Se uma matriz quadrada A é tal que At = -A, ela é chamada matriz anti-simétrica. Sabe-se que M é anti-simétrica e: 4+ = +2 2 −8 Os termos a12, a13 e a23 de M, valem respectivamente: a) -4, -2 e 4 b) 4, 2 e -4 c) 4, -2 e -4 d) 2, -4 e 2 e) 2, 2 e 4 Operações envolvendo matrizes Adição Dadas as matrizes A = (aij)mxn e B = (bij)mxn , chamamos de soma dessas matrizes a matriz C = (cij)mxn , tal que cij = aij + bij , para todo 1 ≤ i ≤ m e todo 1 ≤ j ≤ n: A + B = C Exemplos: Observação: A + B existe se, e somente se, A e B forem do mesmo tipo. Propriedades Sendo A, B e C matrizes do mesmo tipo ( m x n), temos as seguintes propriedades para a adição: a) comutativa: A + B = B + A b) associativa: ( A + B) + C = A + ( B + C) c) elemento neutro: A + 0 = 0 + A = A, sendo 0 a matriz nula m x n d) elemento oposto: A + ( - A) = (-A) + A = 0 Subtração Dadas as matrizes A = (aij)mxn e B = (bij)mxn, chamamos de diferença entre essas matrizes a soma de A com a matriz oposta de B: A - B = A + ( - B) Multiplicação de um número real por uma matriz Dados um número real x e uma matriz A do tipo m x n, o produto de x por A é uma matriz B do tipo m x n obtida pela multiplicação de cada elemento de A por x, ou seja, bij = xaij: B = x A Observe o seguinte exemplo: Propriedades Sendo A e B matrizes do mesmo tipo ( m x n) e x e y números reais quaisquer, valem as seguintes propriedades: a) associativa: x . (yA) = (xy) . A b) distributiva de um número real em relação à adição de matrizes: x . (A + B) = xA + xB c) distributiva de uma matriz em relação à adição de dois números reais: (x + y) . A = xA + yA d) elemento neutro : xA = A, para x = 1, ou seja, A=A Multiplicação de matrizes O produto de uma matriz por outra NÃO é determinado por meio do produto dos seus respectivos elementos. Assim, o produto das matrizes A = ( aij) m x p e B = ( bij) p x n é a matriz C = (cij) m x n em que cada elemento cij é obtido por meio da soma dos produtos dos elementos correspondentes da i-ésima linha de A pelos elementos da j-ésima coluna B. 1 2 −1 3 Vamos multiplicar a matriz = e = para entender como se obtém cada cij: 3 4 4 2 1ª linha e 1ª coluna 1ª linha e 2ª coluna 2ª linha e 1ª coluna 2ª linha e 2ª coluna Assim, Observe que: . Portanto, A.B ≠ B.A, ou seja, para a multiplicação de matrizes não vale a propriedade comutativa. Vejamos outro exemplo com as matrizes : Da definição, temos que a matriz produto A . B só existe se o número de colunas de A for igual ao número de linhas de B: A matriz produto terá o número de linhas de A (m) e o número de colunas de B(n): Se A3 x 2 e B 2 x 5 , então ( A . B ) 3 x 5 Se A 4 x 1 e B 2 x 3, então não existe o produto Se A 4 x 2 e B 2 x 1, então ( A . B ) 4 x 1 Propriedades Verificadas as condições de existência para a multiplicação de matrizes, valem as seguintes propriedades: a) associativa: ( A . B) . C = A . ( B . C ) b) distributiva em relação à adição: A . ( B + C ) = A . B + A . C ou ( A + B ) . C = A . C + B . C c) elemento neutro: A . In = In . A = A, sendo In a matriz identidade de ordem n Vimos que a propriedade comutativa, geralmente, não vale para a multiplicação de matrizes. Não vale também o anulamento do produto, ou seja: sendo 0 m x n uma matriz nula, A .B =0 m x n não implica, necessariamente, que A = 0 m x n ou B = 0 m x n . Exercícios: 4) Determine os valores de x, y e z na igualdade a seguir, envolvendo matrizes reais 2×2: 5) Seja A=[aij] a matriz 2 x 2 real definida por aij = 1 se i ≤ j e aij = - 1 se i > j. Calcule A2 . 6) Considere a matriz A = [aij], de ordem 4x4, cujos elementos são mostrado a seguir. aij = 1, se i j e aij = 0, se i = j É correto afirmar que: a) Na matriz A, o elemento a23 é igual ao elemento a32. b) Os elementos da diagonal principal da matriz A são todos nulos. c) Se a matriz B é [1 -1 1 -1], então o produto B.A é a matriz – B. 7) Os números reais x, y e z que satisfazem a equação matricial mostradas a seguir, são tais que sua soma é igual a 8) 9) Considere as matrizes A, B e C na figura adiante: A adição da transposta de A com o produto de B por C é: a) impossível de se efetuar, pois não existe o produto de B por C. b) impossível de se efetuar, pois as matrizes são todas de tipos diferentes. c) impossível de se efetuar, pois não existe a soma da transposta de A com o produto de B por C. d) possível de se efetuar e o seu resultado é do tipo 2x3. e) possível de se efetuar e o seu resultado é do tipo 3x2. 10) Antônio, Bernardo e Cláudio saíram para tomar chope, de bar em bar, tanto no sábado quanto no domingo. As matrizes a seguir resumem quantos chopes cada um consumiu e como a despesa foi dividida: S refere-se às despesas de sábado e D às de domingo. Cada elemento aij nos dá o número de chopes que i pagou para j, sendo Antônio o número 1, Bernardo o número 2 e Cláudio o número 3 (aij representa o elemento da linha i, coluna j de cada matriz). Assim, no sábado Antônio pagou 4 chopes que ele próprio bebeu, 1 chope de Bernardo e 4 de Cláudio (primeira linha da matriz S). a) Quem bebeu mais chope no fim de semana? b) Quantos chopes Cláudio ficou devendo para Antônio? Referências: http://www.somatematica.com.br Respostas: 1) Se a matrix é 2x2 então os valores de i e j variam de 1 a 2. Calculando os valores, temos: A11 = 3 x 1 – 1 = 2 A12 = 3 x 1 – 2 = 1 2 1 A21 = 3 x 2 – 1 = 5 5 4 A22 = 3 x 2 – 2 = 4 2) = e 2AT = 2 2 2 2 Temos as equações: a = 2a; b = 2c; c = 2b e d = 2d. Nessas condições só existe solução se: a = b = c = d = 0. Logo A é a matriz nula. 3) b) 4) x = 2, y = 2, z = 4 5) 0 2 −2 0 6) a) Verdadeira b) Verdadeira c) Verdadeira 7) x = 4, y = -1, z = -2. Logo, x + y + z = 1 8) b) 9) d) 10) a) Cláudio b) Cláudio ficou devendo 2 chopes a Antônio. Profº Leandro Colombi Resendo