Apêndice B

Matrizes e Sistemas Lineares

Este apêndice reúne os resultados de Álgebra Linear elementar usados ao longo do livro: operações com matrizes, transposta, determinantes, inversas e resolução de sistemas lineares. Destina-se à consulta, com ênfase nos métodos utilizados no estudo de coordenadas e mudanças de base.

B.1 Matrizes

Definição B.1
Uma matriz real \(m\times n\) é uma disposição retangular de números reais com \(m\) linhas e \(n\) colunas:
\[ A=(a_{ij})= \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn} \end{pmatrix}. \]
A entrada \(a_{ij}\) ocupa a linha \(i\) e a coluna \(j\).

Uma matriz é quadrada quando possui o mesmo número de linhas e colunas. Uma matriz \(1\times n\) é uma matriz linha; uma matriz \(m\times 1\) é uma matriz coluna. A matriz identidade de ordem \(n\) é

\[ I_n= \begin{pmatrix} 1 & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & 1 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 1 \end{pmatrix}. \]

B.1.1 Soma e multiplicação por escalar

Se \(A=(a_{ij})\) e \(B=(b_{ij})\) têm o mesmo tamanho e \(\lambda \in \mathbb {R}\), definimos

\[ A+B=(a_{ij}+b_{ij}), \qquad \lambda A=(\lambda a_{ij}). \]

Exemplo B.2
Se
\[ A=\begin{pmatrix} 1 & 2 & 4 \\ 3 & 5 & -1 \end{pmatrix}, \qquad B=\begin{pmatrix} 4 & 0 & 2 \\ 4 & 2 & 3 \end{pmatrix}, \]
então
\[ A+B=\begin{pmatrix} 5 & 2 & 6 \\ 7 & 7 & 2 \end{pmatrix} \]
e
\[ 2A=\begin{pmatrix} 2 & 4 & 8 \\ 6 & 10 & -2 \end{pmatrix}. \]

B.1.2 Produto de matrizes

Definição B.3
Se \(A=(a_{ij})\) é \(m\times p\) e \(B=(b_{ij})\) é \(p\times n\), o produto \(AB\) é a matriz \(m\times n\) dada por
\[ (AB)_{ij}=\sum _{k=1}^{p}a_{ik}b_{kj}. \]

O número de colunas de \(A\) deve coincidir com o número de linhas de \(B\). Em geral,

\[ AB\neq BA, \]

e um dos produtos pode até estar definido sem que o outro esteja.

Exemplo B.4
Para
\[ A=\begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 3 & 2 & -1 \end{pmatrix}, \qquad B=\begin{pmatrix} 2 & 3 \\ 1 & 4 \\ -1 & 5 \end{pmatrix}, \]
temos
\[ AB= \begin{pmatrix} 2\cdot 2+1\cdot 1+0(-1) & 2\cdot 3+1\cdot 4+0\cdot 5 \\ 3\cdot 2+2\cdot 1+(-1)(-1) & 3\cdot 3+2\cdot 4+(-1)5 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 5 & 10 \\ 9 & 12 \end{pmatrix}. \]

B.1.3 Transposta

Definição B.5
A transposta de uma matriz \(A=(a_{ij})\), denotada \(A^T\), é obtida trocando linhas por colunas:
\[ (A^T)_{ij}=a_{ji}. \]

Valem as identidades

\[ (A+B)^T=A^T+B^T, \qquad (\lambda A)^T=\lambda A^T, \qquad (AB)^T=B^TA^T. \]

Uma matriz quadrada é simétrica quando \(A^T=A\).

B.2 Determinantes

O determinante associa um número real a cada matriz quadrada. Para ordens pequenas,

\[ \det (a)=a \]

e

\[ \det \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}=ad-bc. \]

Para uma matriz quadrada \(A\), seja \(A_{ij}\) a matriz obtida removendo a linha \(i\) e a coluna \(j\). O número

\[ C_{ij}=(-1)^{i+j}\det (A_{ij}) \]

é chamado cofator da entrada \(a_{ij}\).

Teorema B.6 (Expansão por cofatores)
Fixada uma linha \(i\),
\[ \boxed {\det A=\sum _{j=1}^{n}a_{ij}C_{ij}.} \]
Fixada uma coluna \(j\),
\[ \boxed {\det A=\sum _{i=1}^{n}a_{ij}C_{ij}.} \]

Por exemplo,

\[ \det \begin{pmatrix} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \end{pmatrix} = a\det \begin{pmatrix} e & f \\ h & i \end{pmatrix} -b\det \begin{pmatrix} d & f \\ g & i \end{pmatrix} +c\det \begin{pmatrix} d & e \\ g & h \end{pmatrix}. \]

As propriedades mais usadas são:

  • \(\det (A^T)=\det A\);

  • trocar duas linhas ou duas colunas muda o sinal do determinante;

  • multiplicar uma linha ou coluna por \(\lambda \) multiplica o determinante por \(\lambda \);

  • adicionar a uma linha um múltiplo de outra não altera o determinante;

  • se duas linhas ou colunas são iguais, o determinante é zero;

  • \(\det (AB)=\det A\, \det B\).

Essas propriedades permitem calcular determinantes por escalonamento e explicam o critério de independência linear usado no Capítulo 3.

B.3 Matrizes Invertíveis

Definição B.7
Uma matriz quadrada \(A\) é invertível se existe uma matriz \(A^{-1}\) tal que
\[ AA^{-1}=A^{-1}A=I. \]

Teorema B.8
Uma matriz quadrada \(A\) é invertível se e somente se
\[ \det A\neq 0. \]

Para uma matriz \(2\times 2\),

\[ A=\begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}, \qquad ad-bc\neq 0, \]

temos a fórmula

\[ \boxed { A^{-1}=\frac{1}{ad-bc} \begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}.} \]

Em dimensão geral, se \(\operatorname {cof}(A)=(C_{ij})\) é a matriz dos cofatores e

\[ \operatorname {adj}(A)=\operatorname {cof}(A)^T, \]

então

\[ \boxed {A^{-1}=\frac{1}{\det A}\operatorname {adj}(A).} \]

Exemplo B.9
Considere
\[ A= \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 1 \end{pmatrix}. \]
Como \(\det A=2\), a matriz é invertível. Uma conta por cofatores ou por eliminação de Gauss fornece
\[ A^{-1}=\frac12 \begin{pmatrix} 1 & -1 & 1 \\ 1 & 1 & -1 \\ -1 & 1 & 1 \end{pmatrix}. \]
A identidade \(AA^{-1}=I\) fornece uma verificação imediata do resultado.

B.3.1 Matrizes ortogonais

Definição B.10
Uma matriz quadrada real \(Q\) é ortogonal quando
\[ Q^TQ=I. \]

Nesse caso,

\[ \boxed {Q^{-1}=Q^T.} \]

Equivalentemente, as colunas de \(Q\) formam uma base ortonormal de \(\mathbb {R}^n\). É essa propriedade que aparece nas mudanças entre sistemas cartesianos estudadas nos Capítulos 1112.

B.4 Sistemas Lineares

Um sistema de \(m\) equações lineares em \(n\) incógnitas pode ser escrito na forma matricial

\[ AX=b, \]

onde \(A\) é a matriz dos coeficientes,

\[ X=\begin{pmatrix} x_1 \\ \vdots \\ x_n \end{pmatrix} \]

é a coluna das incógnitas e \(b\) é a coluna dos termos independentes.

Quando \(A\) é quadrada e invertível, a solução é única e vale

\[ \boxed {X=A^{-1}b.} \]

B.5 Regra de Cramer

A regra de Cramer fornece uma expressão explícita para a solução de um sistema quadrado com determinante não nulo.

Teorema B.11 (Regra de Cramer)
Considere
\[ AX=b, \]
com \(A=(A_1\ A_2\ \cdots \ A_n)\) e \(\det A\neq 0\). Seja \(A_i(b)\) a matriz obtida substituindo a coluna \(A_i\) por \(b\). Então
\[ \boxed {x_i=\frac{\det A_i(b)}{\det A},\qquad i=1,\ldots ,n.} \]

Demonstração

Como

\[ b=AX=x_1A_1+\cdots +x_nA_n, \]

pela linearidade do determinante na coluna \(i\),

\[ \det A_i(b) = \sum _{j=1}^{n}x_j\det (A_1,\ldots ,A_{i-1},A_j,A_{i+1},\ldots ,A_n). \]

Todos os termos com \(j\neq i\) possuem duas colunas iguais e, portanto, determinante zero. Resta

\[ \det A_i(b)=x_i\det A, \]

e a fórmula segue porque \(\det A\neq 0\).

Exemplo B.12
Resolva
\[ \begin{cases} 2x-y+5z=1,\\ -x+2y-2z=2,\\ -3x+y-7z=-1. \end{cases} \]

Solução
A matriz de coeficientes é
\[ A=\begin{pmatrix} 2 & -1 & 5 \\ -1 & 2 & -2 \\ -3 & 1 & -7 \end{pmatrix}, \qquad \det A=2. \]
Substituindo sucessivamente as colunas por \(b=(1,2,-1)^T\), obtemos
\[ \det A_1(b)=-8, \qquad \det A_2(b)=2, \qquad \det A_3(b)=4. \]
Logo
\[ \boxed {x=-4,\qquad y=1,\qquad z=2.} \]

A regra de Cramer fornece uma expressão explícita para a solução. Para cálculos com sistemas maiores, a eliminação de Gauss é mais eficiente.

B.6 Eliminação de Gauss

As seguintes operações sobre as equações de um sistema não alteram seu conjunto de soluções:

  1. trocar duas equações;

  2. multiplicar uma equação por um escalar não nulo;

  3. adicionar a uma equação um múltiplo de outra.

Na matriz aumentada, essas operações correspondem às operações elementares sobre linhas.

O objetivo do método de Gauss é transformar o sistema em outro equivalente, de forma escalonada, no qual as incógnitas possam ser determinadas por substituição retroativa.

Exemplo B.13 (Solução única)
Considere
\[ \begin{cases} 2x+8y+6z=30,\\ 2x-y=3,\\ 4x+y+z=12. \end{cases} \]

Solução
A matriz aumentada é
\[ \left( \begin{array}{ccc|c} 2& 8& 6& 30\\ 2& -1& 0& 3\\ 4& 1& 1& 12 \end{array} \right). \]
Uma sequência de operações elementares produz
\[ \left( \begin{array}{ccc|c} 1& 4& 3& 15\\ 0& 1& 2/3& 3\\ 0& 0& -1& -3 \end{array} \right). \]
Da última linha, \(z=3\). A segunda fornece \(y=1\) e a primeira fornece \(x=2\). Portanto
\[ \boxed {(x,y,z)=(2,1,3).} \]

Exemplo B.14 (Infinitas soluções)
Considere
\[ \begin{cases} 2x+6y+2z+4w=34,\\ 3x-2y=-2,\\ 2x+2y+z+2w=15. \end{cases} \]

Solução
O escalonamento leva a
\[ \left( \begin{array}{cccc|c} 1& 0& 0& 0& 2\\ 0& 1& 0& 0& 4\\ 0& 0& 1& 2& 3 \end{array} \right). \]
A variável \(w\) é livre. Escrevendo \(w=t\), temos
\[ x=2, \qquad y=4, \qquad z=3-2t. \]
Logo o conjunto de soluções é
\[ \boxed {(x,y,z,w)=(2,4,3-2t,t),\qquad t\in \mathbb {R}.} \]

Exemplo B.15 (Sistema impossível)
O sistema
\[ \begin{cases} x+y=1,\\ 2x+2y=3 \end{cases} \]
não possui solução.

Solução
Subtraindo duas vezes a primeira equação da segunda, obtemos
\[ 0=1, \]
uma contradição. Na matriz aumentada aparece uma linha do tipo
\[ (0\ \ 0\mid 1). \]

B.6.1 Dependência das soluções em relação a um parâmetro

Exemplo B.16
Discuta, em função de \(m\), o sistema
\[ \begin{cases} mx+y=1,\\ x+my=1. \end{cases} \]

Solução

A matriz dos coeficientes é

\[ A_m=\begin{pmatrix} m & 1 \\ 1 & m \end{pmatrix}, \]

com

\[ \det A_m=m^2-1. \]

Se \(m\neq \pm 1\), o determinante é não nulo e o sistema possui solução única.

Se \(m=1\), as duas equações coincidem:

\[ x+y=1, \]

e há infinitas soluções.

Se \(m=-1\), as equações são

\[ -x+y=1, \qquad x-y=1. \]

Somando-as obtemos \(0=2\), portanto não há solução.

B.7 Exercícios

Exercício 7.1
Calcule, quando os produtos estiverem definidos,
\[ AB\quad \text{e}\quad BA, \]
para
\[ A=\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}, \qquad B=\begin{pmatrix} 3 & 0 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}. \]
Explique por que os resultados não precisam coincidir.
Ver solução
\[ AB=\begin{pmatrix} 7 & 2 \\ -2 & -1 \end{pmatrix}, \qquad BA=\begin{pmatrix} 3 & 6 \\ 2 & 3 \end{pmatrix}. \]

Os resultados são diferentes: o produto de matrizes não é comutativo em geral, pois \((AB)_{ij}=\sum _k a_{ik}b_{kj}\) combina as linhas de \(A\) com as colunas de \(B\), enquanto \(BA\) combina as linhas de \(B\) com as colunas de \(A\) — não há razão para essas combinações coincidirem.

Exercício 7.2
Calcule os determinantes:
  1. \(\displaystyle \det \begin{pmatrix} 2 & 3 \\ -1 & 4 \end{pmatrix}\);

  2. \(\displaystyle \det \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 0 & 1 & 3 \\ 2 & 0 & 1 \end{pmatrix}\).

Ver solução

Na ordem dos itens:

  1. \(2\cdot 4-3\cdot (-1)=8+3=11\).

  2. Expandindo pela primeira linha:

    \[ 1\det \begin{pmatrix} 1 & 3 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}-2\det \begin{pmatrix} 0 & 3 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}+0=1(1)-2(-6)=1+12=13. \]
Exercício 7.3
Determine quais matrizes são invertíveis e calcule as inversas quando existirem:
  1. \(\displaystyle \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 3 & 2 \end{pmatrix}\);

  2. \(\displaystyle \begin{pmatrix} 2 & 4 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}\).

Ver solução

Na ordem dos itens:

  1. \(\det =2\cdot 2-1\cdot 3=1\neq 0\): a matriz é invertível e

    \[ \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 3 & 2 \end{pmatrix}^{-1}=\begin{pmatrix} 2 & -1 \\ -3 & 2 \end{pmatrix}. \]
  2. \(\det =2\cdot 2-4\cdot 1=0\): a matriz não é invertível (a segunda linha é a primeira dividida por \(2\), isto é, as linhas são proporcionais).

Exercício 7.4
Verifique diretamente que
\[ Q=\frac{1}{5}\begin{pmatrix} 3 & -4 \\ 4 & 3 \end{pmatrix} \]
é ortogonal. Qual transformação geométrica essa matriz representa?
Ver solução

Calculando,

\[ Q^TQ=\frac{1}{25}\begin{pmatrix} 3 & 4 \\ -4 & 3 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 3 & -4 \\ 4 & 3 \end{pmatrix} =\frac{1}{25}\begin{pmatrix} 9+16 & -12+12 \\ -12+12 & 16+9 \end{pmatrix} =\frac{1}{25}\begin{pmatrix} 25 & 0 \\ 0 & 25 \end{pmatrix}=I, \]

logo \(Q\) é ortogonal. Como \(Q\) tem a forma \(\begin{pmatrix} \cos \theta & -\operatorname {sen}\theta \\ \operatorname {sen}\theta & \cos \theta \end{pmatrix}\) com \(\cos \theta =3/5\) e \(\operatorname {sen}\theta =4/5\) (isto é, \(\theta =\operatorname {arcsen}(4/5)\approx 53{,}13^\circ \)), \(Q\) representa a rotação de ângulo \(\theta \) em torno da origem.

Exercício 7.5
Resolva por eliminação de Gauss:
  1. \(\displaystyle \begin{cases} x+5y=13,\\ 4x+3y=1;\end{cases}\)

  2. \(\displaystyle \begin{cases} x+2y-3z=0,\\ 5x-3y+z=-10,\\ -2x-y+z=1;\end{cases}\)

  3. \(\displaystyle \begin{cases} x+y+2z=6,\\ 2x-y+z=3,\\ x+3y-z=3.\end{cases}\)

Ver solução

Na ordem dos itens:

  1. \(\boxed {(x,y)=(-2,3)}\).

  2. \(\boxed {(x,y,z)=(-1,2,1)}\).

  3. \(\boxed {(x,y,z)=\left(\dfrac 65,\dfrac 65,\dfrac 95\right)}\).

Exercício 7.6
Classifique, em função de \(m\), o sistema
\[ \begin{cases} mx+3y=12,\\ 2x+\frac12y=5. \end{cases} \]
Determine para quais valores de \(m\) ele possui solução única, nenhuma solução ou infinitas soluções.
Ver solução

A matriz dos coeficientes é

\[ A_m=\begin{pmatrix} m & 3 \\ 2 & 1/2 \end{pmatrix}, \qquad \det A_m=\frac m2-6. \]

Se \(m\neq 12\), \(\det A_m\neq 0\) e o sistema tem solução única

\[ x=\frac{18}{12-m}, \qquad y=\frac{2(24-5m)}{12-m}. \]

Se \(m=12\), as equações tornam-se \(4x+y=4\) e \(4x+y=10\): os dois primeiros membros são idênticos mas os termos independentes diferem, logo o sistema é impossível (nenhuma solução). Não há valor de \(m\) para o qual as duas equações se tornem múltiplas uma da outra também nos termos independentes, de modo que este sistema nunca tem infinitas soluções.

Exercício 7.7
Classifique, em função de \(k\), o sistema
\[ \begin{cases} x+2y+kz=1,\\ 2x+ky+8z=3. \end{cases} \]
Mostre que ele nunca possui solução única e determine quando não possui solução e quando possui infinitas soluções. Relacione o resultado ao fato de haver mais incógnitas do que equações.
Ver solução

Com \(2\) equações e \(3\) incógnitas, o posto da matriz dos coeficientes é no máximo \(2\lt 3\); uma solução única exigiria posto \(3\), o que é impossível para qualquer \(k\) — daí o sistema nunca ter solução única.

Subtraindo \(2\) vezes a primeira equação da segunda obtemos

\[ (k-4)y+(8-2k)z=1, \qquad \text{isto é}\qquad (k-4)y-2(k-4)z=1, \qquad \text{ou}\qquad (k-4)(y-2z)=1. \]

Se \(k=4\), o primeiro membro se anula e a igualdade fica \(0=1\): o sistema é impossível.

Se \(k\neq 4\), podemos tomar \(z=t\) livre e obter \(y=2t+\dfrac 1{k-4}\); substituindo na primeira equação, \(x=1-2y-kz=-(k+4)t+\dfrac {k-6}{k-4}\). Logo, para \(k\neq 4\), há infinitas soluções

\[ (x,y,z)=\left(-(k+4)t+\frac{k-6}{k-4},\ 2t+\frac1{k-4},\ t\right),\qquad t\in \mathbb {R}. \]

Isso ilustra o fato geral: um sistema linear com mais incógnitas do que equações nunca tem solução única — ou é impossível, ou tem infinitas soluções, dependendo de sua consistência.

Exercício 7.8
Mostre que o sistema homogêneo quadrado
\[ AX=0 \]
possui uma solução não nula se e somente se \(\det A=0\).
Ver solução

(\(\Leftarrow \), contrapositiva) Se \(\det A\neq 0\), então \(A\) é invertível. De \(AX=0\) segue \(X=A^{-1}(AX)=A^{-1}0=0\): a única solução é a trivial, ou seja, não há solução não nula.

(\(\Rightarrow \)) Suponha \(\det A=0\). Aplicando eliminação de Gauss a \(A\), chegamos a uma forma escalonada \(U\) usando apenas as operações elementares descritas no texto; nenhuma delas transforma um determinante nulo em não nulo (trocar linhas apenas muda o sinal, multiplicar uma linha por escalar não nulo multiplica o determinante por esse escalar, e somar a uma linha um múltiplo de outra não o altera). Logo \(\det U=0\) também. Como \(U\) é triangular, \(\det U\) é o produto dos elementos da diagonal (expansão sucessiva por cofatores na primeira coluna), e esse produto só se anula se algum elemento da diagonal for \(0\) — ou seja, alguma das \(n\) linhas de \(U\) ficou inteiramente nula após o escalonamento. Essa linha nula corresponde a uma equação \(0=0\), de modo que restam no máximo \(n-1\) equações independentes para as \(n\) incógnitas, sobrando ao menos uma variável livre. Atribuindo um valor não nulo a essa variável livre obtemos uma solução \(X\neq 0\) de \(AX=0\) (o sistema é homogêneo, logo qualquer escolha da variável livre fornece uma solução).

Portanto \(AX=0\) tem solução não nula se, e somente se, \(\det A=0\).

Exercício 7.9
Use a regra de Cramer para resolver
\[ \begin{cases} 2x-y=1,\\ x+3y=8. \end{cases} \]
Depois resolva o mesmo sistema por eliminação de Gauss e compare os dois métodos.
Ver solução

Pela regra de Cramer, com \(A=\begin{pmatrix} 2 & -1 \\ 1 & 3 \end{pmatrix}\), \(\det A=6+1=7\),

\[ \det A_1(b)=\det \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ 8 & 3 \end{pmatrix}=3+8=11, \qquad \det A_2(b)=\det \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 8 \end{pmatrix}=16-1=15, \]

logo

\[ \boxed {x=\frac{11}7,\qquad y=\frac{15}7.} \]

Por eliminação de Gauss: da primeira equação, \(y=2x-1\); substituindo na segunda, \(x+3(2x-1)=8\Rightarrow 7x=11\Rightarrow x=11/7\), e então \(y=2(11/7)-1=15/7\) — o mesmo resultado.

Os dois métodos coincidem, como esperado. Para um sistema \(2\times 2\) o esforço é comparável, mas a regra de Cramer exige calcular \(n+1\) determinantes de ordem \(n\), o que a torna computacionalmente cara para \(n\) grande; a eliminação de Gauss, por outro lado, permanece eficiente e é o método preferido na prática para sistemas maiores.