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
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
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
B.1.2 Produto de matrizes
O número de colunas de \(A\) deve coincidir com o número de linhas de \(B\). Em geral,
e um dos produtos pode até estar definido sem que o outro esteja.
B.1.3 Transposta
Valem as identidades
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,
e
Para uma matriz quadrada \(A\), seja \(A_{ij}\) a matriz obtida removendo a linha \(i\) e a coluna \(j\). O número
é chamado cofator da entrada \(a_{ij}\).
Por exemplo,
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
Para uma matriz \(2\times 2\),
temos a fórmula
Em dimensão geral, se \(\operatorname {cof}(A)=(C_{ij})\) é a matriz dos cofatores e
então
B.3.1 Matrizes ortogonais
Nesse caso,
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 11 e 12.
B.4 Sistemas Lineares
Um sistema de \(m\) equações lineares em \(n\) incógnitas pode ser escrito na forma matricial
onde \(A\) é a matriz dos coeficientes,
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
B.5 Regra de Cramer
A regra de Cramer fornece uma expressão explícita para a solução de um sistema quadrado com determinante não nulo.
Como
pela linearidade do determinante na coluna \(i\),
Todos os termos com \(j\neq i\) possuem duas colunas iguais e, portanto, determinante zero. Resta
e a fórmula segue porque \(\det A\neq 0\).
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:
trocar duas equações;
multiplicar uma equação por um escalar não nulo;
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.
B.6.1 Dependência das soluções em relação a um parâmetro
A matriz dos coeficientes é
com
Se \(m\neq \pm 1\), o determinante é não nulo e o sistema possui solução única.
Se \(m=1\), as duas equações coincidem:
e há infinitas soluções.
Se \(m=-1\), as equações são
Somando-as obtemos \(0=2\), portanto não há solução.
B.7 Exercícios
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. \(\displaystyle \det \begin{pmatrix} 2
& 3
\\ -1
& 4
\end{pmatrix}\); \(\displaystyle \det \begin{pmatrix} 1
& 2
& 0
\\ 0
& 1
& 3
\\ 2
& 0
& 1
\end{pmatrix}\). Na ordem dos itens: \(2\cdot 4-3\cdot (-1)=8+3=11\). Expandindo pela primeira linha: \(\displaystyle \begin{pmatrix} 2
& 1
\\ 3
& 2
\end{pmatrix}\); \(\displaystyle \begin{pmatrix} 2
& 4
\\ 1
& 2
\end{pmatrix}\). Na ordem dos itens: \(\det =2\cdot 2-1\cdot 3=1\neq 0\): a matriz é invertível e \(\det =2\cdot 2-4\cdot 1=0\): a matriz não é invertível (a segunda linha é a primeira dividida por \(2\), isto é, as linhas são proporcionais). Calculando, 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. \(\displaystyle \begin{cases} x+5y=13,\\ 4x+3y=1;\end{cases}\) \(\displaystyle \begin{cases} x+2y-3z=0,\\ 5x-3y+z=-10,\\ -2x-y+z=1;\end{cases}\) \(\displaystyle \begin{cases} x+y+2z=6,\\ 2x-y+z=3,\\ x+3y-z=3.\end{cases}\) Na ordem dos itens: \(\boxed {(x,y)=(-2,3)}\). \(\boxed {(x,y,z)=(-1,2,1)}\). \(\boxed {(x,y,z)=\left(\dfrac 65,\dfrac 65,\dfrac 95\right)}\). A matriz dos coeficientes é Se \(m\neq 12\), \(\det A_m\neq 0\) e o sistema tem solução única 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. 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 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 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. (\(\Leftarrow \), 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, \(\det A=0\). Pela regra de Cramer, com \(A=\begin{pmatrix} 2
& -1
\\ 1
& 3
\end{pmatrix}\), \(\det A=6+1=7\), logo 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. Ver solução
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