Uma trilha completa sobre representação matricial, operações, determinantes, inversas, sistemas lineares, escalonamento, posto, Regra de Cramer e aplicações.
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A·X=B
Como estudar esta apostila
Registre sempre a ordem das matrizes, confira se as dimensões permitem cada operação e escreva as operações elementares usadas no escalonamento. Em sistemas, interprete a última matriz antes de anunciar a resposta: ela revela se há uma, nenhuma ou infinitas soluções.
01
CAPÍTULO 1
Matrizes: representação, ordem e tipos
Uma matriz organiza informações em linhas e colunas. Mais do que uma tabela, ela é uma linguagem para registrar relações, transformações e sistemas de equações.
SÍNTESE DO CAPÍTULO
A=[aij]m×n
Matriz de m linhas e n colunas.
aij=f(i,j)
Elemento determinado por uma lei de formação.
A=B⟺aij=bij para todo i,j
Critério de igualdade de matrizes da mesma ordem.
Ordem, elementos e lei de formação
Uma matriz A de ordem m×n possui m linhas e n colunas. O símbolo aiⱼ identifica o elemento localizado na linha i e na coluna j; por isso, a ordem dos índices não pode ser trocada.
Uma lei de formação permite construir a matriz sem listar seus elementos antecipadamente. Para obter aiⱼ, substituímos i e j na regra e respeitamos os intervalos 1≤i≤m e 1≤j≤n.
A=[aij]m×nMatriz de m linhas e n colunas.
aij=f(i,j)Elemento determinado por uma lei de formação.
Matrizes especiais e igualdade
Matrizes linha e coluna possuem uma única linha ou coluna. Matrizes quadradas têm o mesmo número de linhas e colunas e apresentam diagonais principal e secundária.
As matrizes nula, diagonal, escalar, identidade e triangular possuem estruturas que simplificam cálculos. Duas matrizes são iguais somente quando têm a mesma ordem e elementos correspondentes iguais.
Matriz identidade: diagonal principal formada por 1 e demais elementos nulos.
Matriz diagonal: todos os elementos fora da diagonal principal são nulos.
Matriz triangular: todos os elementos acima ou abaixo da diagonal principal são nulos.
A=B⟺aij=bij para todo i,jCritério de igualdade de matrizes da mesma ordem.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Matriz quadrada
Matriz de ordem n×n, na qual linhas e colunas têm a mesma quantidade.
Diagonal principal
Conjunto dos elementos aii de uma matriz quadrada.
Matriz identidade
Matriz quadrada I com 1 na diagonal principal e 0 nas demais posições.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Igualdade elemento a elemento
Duas matrizes A e B são iguais se, e somente se, possuem a mesma ordem e aiⱼ=biⱼ em toda posição.
1
EXEMPLO RESOLVIDO
Construção pela posição
Construa a matriz A de ordem 2×3 sabendo que aiⱼ=3i−2j.
Para i=1, calcule a11=1,a12=−1 e a13=−3.
Para i=2, calcule a21=4,a22=2 e a23=0.
Organize os valores preservando linhas e colunas.
2
EXEMPLO RESOLVIDO
Parâmetros em matrizes iguais
Se [[x+1,4],[2,y−3]]=[[7,4],[2,5]], determine x e y.
As operações com matrizes obedecem a regras de compatibilidade. Somar combina posições correspondentes; multiplicar combina linhas com colunas e representa composição de transformações.
SÍNTESE DO CAPÍTULO
(A+B)ij=aij+bij
Adição de elementos correspondentes.
(kA)ij=kaij
Produto por escalar.
(AB)ij=k=1∑paikbkj
Produto da linha i de A pela coluna j de B.
Adição, subtração e produto por escalar
Somente matrizes de mesma ordem podem ser somadas ou subtraídas. O cálculo é feito elemento a elemento, de modo semelhante à soma de vetores.
Multiplicar A por um número k significa multiplicar cada elemento por k. Essa operação preserva a ordem da matriz e distribui-se sobre a adição.
(A+B)ij=aij+bijAdição de elementos correspondentes.
(kA)ij=kaijProduto por escalar.
Produto, transposta e propriedades
O produto AB existe quando o número de colunas de A coincide com o número de linhas de B. Se A é m×p e B é p×n, então AB é m×n.
Em geral, AB=BA; às vezes um dos produtos nem sequer existe. A transposta Aᵀ troca linhas por colunas e inverte a ordem no produto: (AB)ᵀ=BᵀAᵀ.
(AB)ij=k=1∑paikbkjProduto da linha i de A pela coluna j de B.
(AB)T=BTATTransposta de um produto.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Matrizes conformáveis
Matrizes cujas dimensões internas permitem o produto.
Matriz transposta
Matriz obtida ao transformar cada linha de A em uma coluna de Aᵀ.
Matriz simétrica
Matriz quadrada que satisfaz Aᵀ=A.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Associatividade do produto
Quando os produtos estão definidos, (AB)C=A(BC), embora a comutatividade geralmente não ocorra.
1
EXEMPLO RESOLVIDO
Produto linha por coluna
Calcule AB para A=[[1,2],[−1,3]] e B=[[4,0],[2,5]].
Primeira linha: 1⋅4+2⋅2=8 e 1⋅0+2⋅5=10.
Segunda linha: −1⋅4+3⋅2=2e−1⋅0+3⋅5=15.
Monte a matriz 2×2 com os quatro resultados.
2
EXEMPLO RESOLVIDO
Produto não comutativo
Com as mesmas matrizes, compare o elemento (1,1) de AB e BA.
Já foi obtido (AB)₁₁=8.
Calcule (BA)₁₁=4⋅1+0⋅(−1)=4.
Como uma posição correspondente difere, as matrizes não são iguais.
O determinante associa um número a cada matriz quadrada. Esse número detecta perda de dimensão, invertibilidade e unicidade de soluções.
SÍNTESE DO CAPÍTULO
det(acbd)=ad−bc
Determinante de ordem 2.
det(A)=j=1∑naijCij
Expansão por uma linha, com cofatores Cᵢⱼ.
det(AB)=det(A)det(B)
Determinante de um produto.
Ordens 2 e 3 e expansão de Laplace
Para uma matriz 2×2, multiplicamos os elementos da diagonal principal e subtraímos o produto da outra diagonal. Para ordens maiores, cofatores permitem reduzir o cálculo a determinantes menores.
Na expansão de Laplace, pode-se escolher qualquer linha ou coluna. A melhor escolha costuma ser aquela com mais zeros, pois os termos correspondentes desaparecem.
det(acbd)=ad−bcDeterminante de ordem 2.
det(A)=j=1∑naijCijExpansão por uma linha, com cofatores Cᵢⱼ.
Efeito das operações sobre linhas
Trocar duas linhas muda o sinal do determinante. Multiplicar uma linha por k multiplica o determinante por k. Somar a uma linha um múltiplo de outra não altera o determinante.
Matrizes triangulares têm determinante igual ao produto dos elementos da diagonal principal. Se duas linhas são proporcionais, o determinante é zero.
det(AB)=det(A)det(B)Determinante de um produto.
det(AT)=det(A)A transposição preserva o determinante.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Menor complementar
Determinante obtido ao remover a linha i e a coluna j associadas a um elemento.
Cofator
Número Ciⱼ=(−1)ⁱ⁺ʲMiⱼ usado na expansão de Laplace.
Matriz singular
Matriz quadrada com determinante igual a zero.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Critério de invertibilidade
Uma matriz quadrada A é inversível se, e somente se, det(A)=0.
1
EXEMPLO RESOLVIDO
Determinante 3×3 por cofatores
Calcule det(A) para A=[[2,0,1],[3,−1,2],[0,4,1]].
Expanda pela primeira linha: det(A)=2⋅det([[−1,2],[4,1]])+1⋅det([[3,−1],[0,4]]).
Calcule os menores: −1−8=−9 e 12−0=12.
Combine: 2·(−9)+12.
2
EXEMPLO RESOLVIDO
Triangularização
Qual é o determinante de [[3,2,−1],[0,5,4],[0,0,−2]]?
Um sistema linear procura valores que satisfaçam simultaneamente várias equações. Sua solução pode ser um ponto, uma família de pontos ou o conjunto vazio.
SÍNTESE DO CAPÍTULO
AX=b
Forma matricial de um sistema linear.
[A∣b]
Matriz aumentada do sistema.
AX=0
Sistema linear homogêneo.
Forma matricial e interpretação geométrica
Todo sistema linear pode ser escrito como AX=b, em que A reúne os coeficientes, X contém as incógnitas e b contém os termos independentes.
No plano, cada equação linear representa uma reta. Retas secantes dão uma solução; coincidentes, infinitas; paralelas distintas, nenhuma. Em três variáveis, a interpretação usa planos.
AX=bForma matricial de um sistema linear.
[A∣b]Matriz aumentada do sistema.
SPD, SPI e SI
Um sistema possível determinado (SPD) tem solução única. Um sistema possível indeterminado (SPI) tem infinitas soluções. Um sistema impossível (SI) produz uma contradição.
Sistemas homogêneos têm b=0 e sempre possuem a solução trivial X=0. Eles têm solução única quando não existem variáveis livres e infinitas soluções quando existe ao menos uma.
Linha [0 … 0 | c], com c=0: sistema impossível.
Pivô em toda coluna de variável: nenhuma variável livre.
Ao menos uma variável livre e nenhuma contradição: infinitas soluções.
AX=0Sistema linear homogêneo.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Solução
Tupla ordenada que torna verdadeiras todas as equações do sistema.
Solução trivial
Solução nula X=0 de um sistema homogêneo.
Variável livre
Incógnita que não corresponde a uma coluna de pivô e pode atuar como parâmetro.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Alternativa para sistemas lineares
Um sistema linear possui exatamente uma das três situações: uma solução, nenhuma solução ou infinitas soluções.
1
EXEMPLO RESOLVIDO
Sistema determinado
Resolva 2x+y=11 e x−y=1.
Some a segunda equação à primeira: 3x=12.
Obtenha x=4.
Substitua em x−y=1 e encontre y.
2
EXEMPLO RESOLVIDO
Sistema impossível
Classifique x+2y=5 e 2x+4y=13.
Multiplicar a primeira equação por 2 produz 2x+4y=10.
A segunda exige 2x+4y=13.
A mesma expressão não pode valer 10 e 13 ao mesmo tempo.
Escalonar significa substituir uma matriz por outra equivalente e mais simples. O método de eliminação de Gauss organiza essa redução de forma sistemática.
SÍNTESE DO CAPÍTULO
Li↔Lj
Troca de duas linhas.
Li←Li+kLj
Substituição por uma combinação de linhas.
posto(A)=nuˊmero de pivoˆs
Cálculo do posto por escalonamento.
Operações elementares e forma escalonada
Podemos trocar duas linhas, multiplicar uma linha por um número não nulo ou somar a uma linha um múltiplo de outra. Essas operações preservam o conjunto solução do sistema associado.
Em uma matriz escalonada, os pivôs avançam para a direita à medida que descemos as linhas e as linhas nulas ficam abaixo das não nulas.
Li↔LjTroca de duas linhas.
Li←Li+kLjSubstituição por uma combinação de linhas.
Posto, nulidade e número de soluções
O posto é a quantidade de pivôs de uma forma escalonada. Ele mede quantas equações ou linhas trazem informação independente.
Se posto(A)=posto([A∣b]), o sistema é possível. Se esse valor também é igual ao número de incógnitas, a solução é única; se é menor, há variáveis livres.
posto(A)=nuˊmero de pivoˆsCálculo do posto por escalonamento.
posto(A)=posto([A∣b])Condição de compatibilidade.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Pivô
Primeiro elemento não nulo de uma linha na forma escalonada.
Posto
Número de pivôs, equivalente ao máximo número de linhas linearmente independentes.
Forma reduzida
Forma escalonada em que cada pivô é 1 e é o único elemento não nulo de sua coluna.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Critério de Rouché-Capelli
AX=b é compatível se, e somente se, posto(A)=posto([A∣b]).
1
EXEMPLO RESOLVIDO
Eliminação de Gauss
Resolva x+y+z=6,2x−y+z=3 e x+2y−z=2.
Use L2←L2−2L1 e L3←L3−L1 para eliminar x.
O sistema reduzido fornece −3y−z=−9 e y−2z=−4.
Resolva as duas últimas equações e substitua na primeira.
2
EXEMPLO RESOLVIDO
Variável livre
Classifique a forma escalonada x+2y−z=4 e z=1 em três incógnitas.
Quando o sistema é quadrado e sua matriz de coeficientes tem determinante não nulo, os determinantes também fornecem cada incógnita diretamente.
SÍNTESE DO CAPÍTULO
xi=DDi
Regra de Cramer, válida quando D≠0.
D=det(A)
Determinante principal do sistema.
Determinantes auxiliares
Na Regra de Cramer, D=det(A). Para obter Dₓ, substitui-se a coluna dos coeficientes de x pela coluna dos termos independentes; o mesmo vale para as demais incógnitas.
O método é elegante para sistemas pequenos e simbólicos. Para sistemas grandes, o escalonamento costuma exigir menos cálculos.
xi=DDiRegra de Cramer, válida quando D≠0.
D=det(A)Determinante principal do sistema.
Limites e escolha do método
Se D=0, o sistema quadrado tem solução única e Cramer é aplicável. Se D=0, a regra não decide sozinha entre nenhuma e infinitas soluções.
A estratégia deve considerar o objetivo: Cramer evidencia fórmulas, a inversa resolve vários vetores b com a mesma A, e Gauss é versátil para qualquer dimensão.
Use Cramer para poucos cálculos e D=0.
Use A−1 quando a mesma matriz A atua sobre vários termos independentes.
Use Gauss para classificar e parametrizar sistemas gerais.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Sistema quadrado
Sistema com o mesmo número de equações e incógnitas.
Determinante principal
Determinante D da matriz de coeficientes.
Determinante auxiliar
Determinante Di obtido ao substituir uma coluna de A por b.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Regra de Cramer
Se det(A)=0, a única solução de AX=b satisfaz xi=Di/D para cada incógnita.
1
EXEMPLO RESOLVIDO
Cramer em duas incógnitas
Resolva 3x+2y=16 e x−y=2 pela Regra de Cramer.
D=det([[3,2],[1,−1]])=−5.
Dₓ=det([[16,2],[2,−1]])=−20 e Dᵧ=det([[3,16],[1,2]])=−10.
Calcule x=DDx e y=Dγ/D.
2
EXEMPLO RESOLVIDO
Parâmetro e unicidade
Para qual valor de k o sistema kx+y=1 e 2x+4y=3 deixa de ter solução única?
Matrizes condensam dados e relações de muitas áreas: produção, redes, custos, imagens, probabilidades e transformações geométricas.
SÍNTESE DO CAPÍTULO
c=Aq
Consumo total c a partir da matriz de recursos A e quantidades q.
(Ak)ij=nuˊmero de percursos de comprimento k
Interpretação em uma rede simples.
r=b−AX^
Vetor resíduo de uma solução aproximada.
Modelos de produção e redes
Uma matriz pode registrar consumo de recursos por produto; multiplicá-la por um vetor de quantidades calcula o consumo total. A posição de cada linha e coluna precisa ser documentada para preservar o significado.
Matrizes de adjacência registram conexões de uma rede. Potências dessa matriz ajudam a contar percursos de determinado comprimento.
c=AqConsumo total c a partir da matriz de recursos A e quantidades q.
(Ak)ij=nuˊmero de percursos de comprimento kInterpretação em uma rede simples.
Checagem, arredondamento e tecnologia
Uma resposta deve ser verificada substituindo-a no sistema original ou calculando o resíduo b−AX. Resultado numericamente pequeno pode decorrer de arredondamento, mas um resíduo grande sinaliza erro.
Planilhas e calculadoras aceleram contas, porém não identificam automaticamente uma modelagem inadequada. Ordem das unidades, compatibilidade dimensional e interpretação continuam sendo responsabilidade de quem resolve.
Nomeie linhas, colunas e unidades.
Verifique dimensões antes de multiplicar.
Substitua a solução no modelo original.
Arredonde somente no final quando possível.
r=b−AX^Vetor resíduo de uma solução aproximada.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Vetor de dados
Matriz coluna que organiza valores de uma mesma variável ou situação.
Matriz de adjacência
Matriz que registra se pares de vértices de uma rede estão conectados.
Resíduo
Diferença entre o vetor observado b e o vetor previsto AX.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Compatibilidade dimensional
Se A é m×n e q é n×1, então Aq é m×1 e combina cada linha de A com todas as entradas de q.
1
EXEMPLO RESOLVIDO
Plano de produção
Cada unidade de P usa 2 kg de material A e 1 kg de B; cada unidade de Q usa 3 kg de A e 4 kg de B. Quanto se usa ao produzir 10 P e 5 Q?
Organize A=[[2,3],[1,4]] e q=[[10],[5]].
Calcule Aq.
Na primeira linha: 2·10+3·5; na segunda: 1·10+4·5.
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EXEMPLO RESOLVIDO
Verificação por resíduo
Verifique se X=[[2],[1]] resolve [[3,1],[2,−1]]X=[[7],[3]].