PROF. GILBERTO SANTOS JR
MATRIZES, DETERMINANTES E SISTEMAS LINEARES
I-MATRIZES
1 . INTRODUÇÃO
Muitas vezes, para designar com clareza certas situações é necessário um grupo ordenado de números que se apresentam dispostos em li-nhas e colunas, formando o que se chama ma-triz.
Observe por exemplo a seguinte situação: As vendas de uma editora em relação aos livros de Matemática, Física e Química, no primeiro tri-mestre de um ano, podem ser expressas pela tabela a seguir.
Janeiro Fevereiro Março Matemática 20000 32000 45000
Física 15000 18000 25000
Química 16000 17000 23000
Se quisermos saber:
Quantos livros de Matemática foram vendidos em Fevereiro, basta olharmos o número que es-tá na primeira linha e na segunda coluna; Quantos livros de Física foram vendidos em
Ja-neiro, basta olharmos o número que está na segunda linha e na primeira coluna;
Quantos livros de Química foram vendidos nos 3 meses, basta somarmos os números da ter-ceira linha. E assim por diante.
Nessa tabela os números estão dispostos em 3 linhas e 3 colunas, é chamada matriz do tipo ou ordem 3 × 3 (lê-se três por três), pode ser representada por:
23000 17000 16000 25000 18000 15000 45000 32000 20000 ou 23000 17000 16000 25000 18000 15000 45000 32000 20000 2 . DEFINIÇÃO
Denomina-se matriz m × n (lê-se m por n) qualquer tabela retangular formada por m li-nhas e n colunas, sendo m e n números inteiro maior que zero.
Dizemos que a matriz é do tipo m × n ou de ordem m × n.
Exemplo:
A2 × 3 = 0 1 5 4 3 2é uma matriz de or-dem dois por três.
EXERCÍCIOS BÁSICOS
1)
Os estudantes de um colégio responderam a seguinte pergunta: “Você prefere Matemática ou Português?” Cada estudante escolheu uma única matéria. Os resultados seguem na tabela:Sexo
Matéria masculino feminino
Matemática 137 98
Português 105 117
a) Quantos estudantes escolheram a Matemática?
b) Quantos estudantes do sexo feminino respon-deram à pergunta?
c) Quantos estudantes, ao todo, responderam à pergunta?
2)
Observe a matriz seguinte e responda: 25 8 11 4 2 12 6 17 9 7 3 1 5 1 0 10
a) De que tipo ou ordem é a matriz dada? b) Quais são os números da 1ª linha? c) E os da 3ª coluna?
d) Qual é o número que está na 2ª linha e na 2ª coluna?
e) E na 1ª linha e na 4ª coluna? f) E na 4ª linha e na 2ª coluna?
g) Qual o resultado da soma dos números da 2ª coluna?
EXERCÍCIO DE VESTIBULAR
3)
(Enem-2012) Uma pesquisa realizada por estudantes da Faculdade de Estatística mostra, em horas por dia, como os jovens entre 12 e 18 anos gastam seu tempo, tanto durante a semana (de segunda-feira a sexta-feira), como no fim de semana (sábado e domingo). A seguinte tabela ilustra os resultadosDe acordo com esta pesquisa, quantas horas de seu tempo gasta um jovem entre 12 e 18 anos, na semana inteira (de segunda-feira a domingo), nas atividades escolares?
(a) 20 (b) 21 (c) 24 (d) 25 (e) 27 3 . MATRIZES ESPECIAIS
3.1 MATRIZ QUADRADA
É toda matriz cujo número de linhas é igual ao número de colunas.
Exemplo:
A matriz A = 2 3 5 1 é de ordem dois por dois ou simplesmente ordem 2, simbolica-mente A2 × 2 = 2 3 5 1 ou simplesmente, A2 = 1 5 3 2 .Observação:
Em toda matriz quadrada temos a diagonal principal e a diagonal secundária, veja 33 32 31 23 22 21 13 12 11 a a a a a a a a a diagonal principal diagonal secundária
Observe que na diagonal principal os índi-ces (i e j) são iguais.
3.2 MATRIZ IDENTIDADE
É uma matriz quadrada em que todos os elemento da diagonal principal são iguais a 1 e os outros elementos são iguais a zero, seu símbolo é In.
Exemplos
: I2 = 1 00 1 ,I3 = 1 0 0 0 1 0 0 0 1 . 3.3 MATRIZ NULAÉ qualquer matriz que possui todos os elementos iguais à zero. Simboliza-se a matriz nula de ordem m n por 0m n e a de ordem n
por 0n.
Exemplos
: 03 2 = 0 0 0 0 0 0 , 02 = 0 0 0 0 , 03 = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 , 01 4 = 0 0 0 0 4 . IGUALDADE DE MATRIZESDuas matrizes A e B são iguais se, e somente se, tem a mesma ordem e seus elementos cor-respondentes (que estão na mesma linha e na mesma coluna) são iguais.
EXERCÍCIOS BÁSICOS
4)
Calcule os termos desconhecidos:a) d c b a = 8 5 3 6 b) 2y 5 3 x = 8 5 3 6 c) q p n m = I2 d) 1 n 0 0 m = 5 0 0 3 e) y x 0 0 y = I2 f) b -a y b y x = 8 1 3 5 g)
17 2b 3d b a = 5 9 6 17 h)
1 -y 0 6 5x -x2 z = I2 5 . ADIÇÃO DE MATRIZESDada duas matrizes A e B do mesmo tipo m × n denomina-se soma da matriz A com a matriz B, que representamos por A + B, a ma-triz C do tipo m × n na qual cada elemento é obtido adicionando os elementos corresponden-tes de A e B.
EXERCÍCIOS BÁSICOS
5)
Dadas as matrizes A = 1 0 4 2 , B = 0 7 1 4 e C = 2 -5 0 3 , calcule: a) A + B = c) B + C = b) A + C = d) A + B + C =6)
Determine x, y, z e t, sabendo que: a) x y z + 5 1 3 = 5 4 10 b) z y x + 4 z y = 9 15 20 c) 2z 3 y x + z t 3 x = 18 4 1 10 d) t 3x y x + 2 y -z y = 0 14 7 6 6 . SUBTRAÇÃO DE MATRIZESSejam as matrizes A e B de mesma ordem, de-nomina-se diferença entre A e B (representada por A – B) a soma de A com a matriz oposta de B, simbolicamente A – B = A + (-B)
EXERCÍCIOS BÁSICOS
7)
Calcule: a) 2 7 8 - 3 6 3 = c) 10 3 6 4 2 1 - 1 5 6 2 1 0 = b) 4 1 3 2 - 5 1 2 0 =8)
Dadas as matrizes A = 3 6 2 , B = 2 6 1 eC = 2 -4 0 , calcule: a) A + B – C b) A - B + C c) A - B – C
9)
Determine x, y e z sabendo que:a) z y x - 8 5 3 = 6 4 10 b) 0 z y z y x = 8 2 15 c) z 3 -4 x 2z 1 6 x = 1 4 y 12 d) 2 2 z y 1 x - 1 -5 -3 -2 = 10 8 4 1
-7 . MULTIPLICAÇÃO DE N° REAL POR MATRIZ
Se A é uma matriz de elementos aij, e é um número real, então A é uma matriz cujos ele-mentos são aij.
EXERCÍCIOS BÁSICOS
10)
Sendo A = 3 1 4 1 0 2 e B = 6 0 5 2 1 -0 , de-termine: a) 5A = c) A 2 1 = e) 5A – 02 x 3 = b) -2B = d) 2A + B =11)
Se A = 0 2 3 1 , B = 2 -1 3 1 e C = 3 4 2 1 , calcule 3A + 2B - 4C. 8 . MULTIPLICAÇÃO DE MATRIZESDada uma matriz A = (aij) do tipo m x n e uma matriz B = (bij) do tipo n x p, o produto da ma-triz A pela mama-triz B é a mama-triz C = (cij) do tipo m x p tal que o elemento cij é calculado multi-plicando-se ordenadamente os elementos da linha i, da matriz A, pelos elementos da colu-na j, da matriz B, e somando-se os produtos obtidos.
A matriz C é o produto de A por B, vamos indi-cá-la por AB.
EXERCÍCIOS BÁSICOS
12)
Determine os produtos: a) 6 5 2 4 1 0 1 3 = d) 3 -4 1 -2 6 1 5 0 2 3 1 5 = b) 2 0 4 7 1 2 4 5 = e) 2 1 -5 3 3 4 1 2 -6 1 = c) 0 2 3 4 .I2 =13)
O quadro abaixo registra os resultados obti-dos por quatro times em um torneio em que toobti-dos se enfrentam uma vez:Vitórias Empates Derrotas
América 0 1 2
Botafogo 2 1 0
Nacional 0 2 1
Comercial 1 2 0
a) Represente em forma de matriz a tabela. b) Qual é a ordem da matriz?
c) Sendo A a indicação da matriz, o que repre-senta o elemento a32 da matriz?
d) Qual o elemento da matriz A que indica a vitó-ria do Comercial?
e) Considerando que um time ganha três pontos na vitória e um ponto no empate, usando plicação de matrizes, calcule, fazendo uma multi-plicação de matrizes, quantos pontos fez cada time.
f) Qual foi a classificação final do torneio?
14)
Para a fabricação de caminhões, uma in-dústria montadora precisa de eixos e rodas para seus três modelos de caminhões, com a seguinte especificação:Componentes/modelos A B C
Eixos 2 3 4
Rodas 4 6 8
Para os primeiros meses do ano, a produção da fábrica deverá seguir a tabela abaixo:
Modelo/Meses Janeiro Fevereiro
A 30 20
B 25 18
C 20 15
Usando a multiplicação de matrizes, responda: nessas condições, quantos eixos e quantas rodas são necessários em cada um dos meses para que a montadora atinja a produção planejada?
EXERCÍCIOS DE VESTIBULARES
15)
(Enem-2012) Um aluno registrou as notas bimestrais de algumas de suas disciplinas numa tabela. Ele observou que as entradas numéricas da tabela formavam uma matriz 4x4, e que pode-ria calcular as médias anuais dessas disciplinas usando produto de matrizes. Todas as provas possuíam o mesmo peso, e a tabela que ele con-seguiu é mostrada a seguir.Para obter essas médias, ele multiplicou a matriz obtida a partir da tabela por:
1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 1 4 4 4 4 1 1 1 1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 4 1 4 1 4 1 4
16)
(UFRS) A matriz C fornece, em reais, o cus-to das porções de arroz, carne e salada usados num restaurante. A matriz P fornece o número de porções de arroz, carne e salada usados na com-posição dos pratos tipo P1, P2, P3 desserestau-rante. C = arroz carne salada 1 3 2 P =
arroz carne salada prato prato prato 2 1 1 1 2 1 2 2 0 P1 P2 P3
A matriz que fornece o custo de produção, em reais, dos pratos P1, P2, P3 é:
(a) 8 9 7 (b) 44 4 (c) 9 11 4 (d) 26 8 (e) 2 2 4
II-DETERMINANTES
1 . INTRODUÇÃOToda matriz quadrada tem, associado a ela, um número chamado de determinante da matriz, obtido a partir de operações que envol-vem todos os elementos da matriz.
Os determinantes são usados, por exem-plo, para resolver sistemas como o seguinte, chamado de sistema linear 3 × 3 (de três equa-ções, com três incógnitas):
x 2y z 4 3x - 5y z 1 4x y - 2z 0
Muito utilizado também em geometria
ana-lítica, por exemplo, para cálculo de área de
triân-gulo, encontrar equação da reta e verificar se três pontos são colineares.
2 . DETERMINANTE DE MATRIZ QUA-DRADA DE ORDEM 1
Sejam as matrizes A = [4] e B = [-2], o determinante da matriz A é igual a 4, simbolica-mente det A = 4, e o det B = -2.
3 . DETERMINANTE DE MATRIZ QUA-DRADA DE ORDEM 2
Se A é uma matriz quadrada de ordem 2, cal-culamos o seu determinante fazendo o produto dos elementos da diagonal principal menos o produto dos elementos da diagonal secundária.
Dada a matriz A = 11 12 21 22 a a a a , indicamos seu determinante assim:
det A = a11.a22 – a12.a21 ou 11 12 21 22 a a a a = a11.a22 – a12.a21
EXERCÍCIOS BÁSICOS
17)
Calcule os determinantes: a) 6 2 4 3 = c) -5 -2 3 2 = b) 6 10 3 5 = d) -3 -8 1 2 =18)
Se a = 1 3 -2 5 , b = 2 6 3 10 e c = 2 8 0 1 , calcule o valor de a2 + 3b – 2c. 4 . REGRA DE SARRUSPodemos obter o determinante de uma matriz quadrada de 3ª ordem utilizando uma re-gra prática muito simples denominada rere-gra de Sarrus. Seja a matriz A = 33 32 31 23 22 21 13 12 11 a a a a a a a a a
Vamos repetir a 1ª e a 2ª coluna à direita da ma-triz, conforme o esquema abaixo:
3 2 2 2 1 2 3 1 2 1 1 1 3 3 3 2 3 1 2 3 2 2 2 1 1 3 1 2 1 1 a a a a a a a a a a a a a a a
Em seguida faz-se a diferença entre o pro-duto dos elementos da diagonal principal somado as suas paralelas pelos elementos da diagonal segundaria e somado as suas paralelas suas para-lelas, simbolicamente:
[(a11.a22.a33)+(a12.a23a31)+(a13.a21a32 )]-[(a11.a22.a33)+(a12.a23.a31)+(a13.a21a32)]
Os produtos assim obtidos na direção da dia-gonal principal permanecem com o mesmo si-nal;
Os produtos obtidos na direção da diagonal secundária mudam de sinal;
O determinante é a soma dos valores assim obtidos.
Exemplo:
Seja A a matriz abaixo, A = 3 1 5 2 0 -2 -1 4 -3 , calculando o determinante da matriz, segue, 3 1 5 3 1 2 0 -2 2 0 -1 4 -3 1 4 Logo [0 +2 + 40] - [0 – 24 - 6] = 42 – [-30] = 42 + 30 = 72. O det A = 72.
EXERCÍCIOS BÁSICOS
19)
Aplicando a regra de Sarrus, calcule os de-terminantes: a) 3 2 1 5 0 4 2 3 1 = d) 3 0 8 0 7 7 4 9 0 = b) 1 2 0 1 4 4 1 8 0 = e) 3 5 -1 0 4 2 0 0 -2 = c) 2 2 0 1 1 1 4 3 0 = f) 2 1 - 2 3 -1 0 4 1 -3 =20)
Sabendo que x = 1 3 2 2 e y = 1 3 1 2 2 1 3 1 3 , determine x2 - 2y.21)
Se a = 2 1 -2 3 -1 0 4 1 -3 e b = -1 0 2 2 -1 0 3 4 1 , cal-cule a2 – ab + 3b.22)
Resolva a equação 2 3 -2 0 1 x 2 x -3 = 2.(Veja a resolução dessa questão )
III-SISTEMAS LINEARES
1 . EQUAÇÕES LINEARES Dizemos que:
3x + 2y = 7 é uma equação linear nas
incógni-tas x e y;
2x + 3y – 2z = 10 é uma equação linear nas
incógnitas x , y e z;
x - 5y + z – 4t = 0 é uma equação linear nas
incógnitas x , y, z e t;
De modo geral, denomina-se equação linear toda equação que pode ser escrita na forma:
a1x1 + a2x2 + a3x3 + ... + anxn = b na qual:
a1, a2, a3, ... , an são números reais chamados coeficientes das incógnitas;
x1, x2, x3 ,..., xn são as incógnitas; b é o termo independente.
Pela definição, não são equações lineares: xy = 10
x2 + y = 6
x2 – xy – yz + z2 = 1
Observe, agora, as seguintes equações li-neares:
1ª) 3x + 2y = 18 Dizemos que:
O par (4, 3) é uma solução da equação, pois 3.4 + 2.3 = 18;
O par (6, 0) é uma solução da equação, pois 3.6 + 2.0 = 18;
O par (5, 1) não é solução da equação, pois 3.5 + 2.1 ≠ 18.
2ª) 3x + y – 2z = 8 Dizemos que:
O terno (2, 4, 1) é uma solução da equação, pois 3.2 + 4 – 2.1 = 8;
O terno (0, 6, -1) é uma solução da equação, pois 3.0 + 6 – 2.(-1) = 8;
O terno (5, -2, 3) não é solução da equação, pois 3.5 + (-2) -2.(3) ≠ 8.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
23)
Verifique se o par:a)(6, 2) é uma solução da equação linear 4x – 3y = 18
b)(3, -5) é uma solução da equação linear 2x + 3y = 21
2. EQUAÇÃO DO TIPO ax = b
Observe a equação do tipo ax = b, com va-riável real x, a ∈ ℝ e b ∈ ℝ, nos exemplos abaixo: 1º) Em 2x = 6, temos x =
2 6
= 3 como o único valor real possível para x.
2º) Em 0x = 7, não temos valor real para x, pois não existe número real que multiplicado por 0 dê 7.
3º) Em 0x = 0, x pode assumir qualquer valor real, pois todo número real multiplicado por 0 dá 0. De modo geral: ax = b, com a ≠ 0 x = a b é o único valor de x;
ax = b, com a = 0 e b ≠ 0 não existe valor real para x;
ax = b, com a = 0 e b = 0 x pode assumir qualquer valor real.
3. SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES Denomina-se sistema linear m x n o con-junto S de m equações lineares em n incógnitas, que pode ser representado assim:
S = m n 3 m3 2 m2 1 m1 2 n 3 23 2 22 1 21 1 n 1n 3 13 2 12 1 11 b x a ... x a x a x a .. ... ... ... ... ... b x a ... x a x a x a b x a ... x a x a x a mn 2n
Exemplos:
1º) 10 3y x 6 2y -3xé um sistema linear 2 x 2 nas in-cógnitas x e y. 2º) y 12 y 2x 2x -3 y -x
é um sistema linear 2 x 2 nas incógnitas x e y. 3º) 6 Z Y -X 1 -z -y -2x 0 z -2y -x
é um sistema linear 3 x 3 nas
4. SISTEMAS LINEARES 2 × 2
4.1 Resolução pelo método da adição Resolver um sistema linear significa desco-brir o seu conjunto solução S, formados por todas as soluções do sistema.
A resolução dos sistemas lineares 2 x 2, já foi vista no Ensino Fundamental, por meio de al-guns métodos como adição, substituição, com-paração e outros.
Vamos retomar, com exemplos, a resolu-ção pelo método da adiresolu-ção:
1 5y 2x .(5) 10 y 3x 1 5y 2x 50 5y -15x 17x = 51 x = 3 (valor único de x).
Substituindo o valor de x = 3 em qualquer uma das equações do sistema, por exemplo em 2x + 5y = 1, segue,
2.3 + 5y = 1 6 + 5y = 1 5y = 1 – 6 5y = -5 y = -1 (valor único de y).
Então, (3, -1) é o único par que é solução do sistema.
Dizemos então que o sistema tem S = {(3, -1)}, e que tem uma única solução.
2º) 2 4y 2x .(-2) 5 2y x 8 -0y 2 4y 2x 10 -4y 2x -
Se 0y = -8 não existe valor real para y, lo-go não existe par de números reais que seja solu-ção do sistema.
Dizemos que o sistema tem S = e que é sistema impossível ou sistema sem solução. 3º) (2) . 12 -9y 3x -24 18y 6x 0 0y 24 -18y 6x -24 18y -6x
Se 0y = 0, a incógnita y pode assumir qualquer valor real. Fazendo y = 1, e substituindo em uma das equações do sistema, temos:
6x – 18.1 = 24 6x - 18 = 24 6x = 24 + 18 6x = 42 x = 6 42 x = 7. Logo o par (7, 1) é solução do sistema.
Fazendo para y = 2, fazendo todos os cál-culos semelhantes ao de cima, encontraremos x = 10. E assim por diante.
Portanto para cada valor de y, temos uma solução para o sistema, logo S = {(7, 1), (10, 2), (4, 0), (1, -1)...}. Dizemos que o sistema tem infinitas soluções.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
24)
Resolva os sistemas lineares abaixo usando o método da adição: a) 1 -2y -3x 4 y 2x b) 28 -3y -2x 14 y 4x c) 9 3y x 1 4y -3x d) 19 2y -3x 20 -5y 2x25)
Observe a figura abaixo:Quanto pesa cada animal?
26)
Usando sistemas lineares, calcule a quanti-dade de cada objeto, na figura abaixo:27)
Classifique os seguintes sistemas lineares em única solução, infinitas soluções ou im-possível, utilizando o método da adição:a) 8 y -x 6 y x b) 3 y -2x 4 2y x c) 20 2y 2x 10 y x d) 3 9y -6x 3 6y -4x
EXERCÍCIOS DE VESTIBULARES
28)
(Enem-2014) Uma pessoa compra semanalmente, numa mesma loja, sempre a mesma quantidade de um produto que custa R$ 10,00 a unidade. Como já sabe quanto deve gastar, leva sempre R$ 6,00 a mais do que a quantia necessária para comprar tal quantidade, para o caso de eventuais despesas extras. Entretanto, um dia, ao chegar à loja, foi
informada de que o preço daquele produto havia aumentado 20%. Devido a esse reajuste, concluiu que o dinheiro levado era a quantia exata para comprar duas unidades a menos em relação à quantidade habitualmente comprada.
A quantia que essa pessoa levava semanalmente para fazer a compra era
(a) R$ 166,00. (d) R$ 46,00.
(b) R$ 156,00. (e) R$ 24,00.
(c) R$ 84,00.
29)
(UFRA-2004) Uma função de custo linear é da forma C(x) = Ax + B, onde B representa a parte fixa desse custo total. Suponha que uma indústria ao produzir 150 unidades de um produ-to, gasta R$ 525,00 e quando produz 400 uni-dades seus gastos são de R$ 700,00, então po-demos afirmar que os custos fixos dessa indústria são, em reais, (Veja a resolução dessa questão )(a) 175 (c) 375 (e) 475
(b) 225 (d) 420
30)
(UEPA-2012) Em um Shopping Center, uma pessoa verificou o valor por unidade de CD de diferentes gêneros musicais (samba e forró) nas lojas A e B, conforme indicado na tabela abaixo:Samba Forró
Loja A R$ 18,00 R$ 21,00
Loja B R$ 17,00 R$ 20,00
Se essa pessoa decidisse comprar x unidades de CD do gênero samba e y unidades de CD do gê-nero forró, na loja A, ela gastaria R$ 138,00. Mas, se ela comprasse as mesmas quantidades de CDs x e y na loja B ela gastaria R$ 131,00. En-tão a soma x+y é igual a:
(a) 8 (b) 7 (c) 6 (d) 5 (e) 4
31)
(UEPA-2011) Em uma empresa na qual foi implantado um projeto de coleta seletiva será necessário compra coletores para pilhas e lâmpa-das. Ao se fazer o orçamento desses coletores foram recebidas propostas de duas lojas que apresentam o mesmo preço para cada coletor, conforme indicado na tabela abaixo. Se a decisão for de comprar 3 coletores de pilha e 2 coletores de lâmpadas, será gasto o valor de:Orçamento Lâmpada Coletor Coletor Pilhas Total
Loja 1 2 unidades 2 unidades R$ 1.060,00
Loja 2 3 unidades 1 unidades R$ 1.130,00
(a) R$ 1.005,00 (d) R$ 2.233,00 (b) R$ 1.236,00 (e) R$ 2.370,00 (c) R$ 1.290,00
32)
(UEPA-2010) Um empresário do ramo da informática comprou para sua loja 40 memóriasdos tipos: DDR2/2GB/800MHz/PC e DDR2/1GB/667MHz/PC. Sabendo-se que as memórias custaram, cada uma, respectivamente, R$ 80,00 e R$ 50,00, e que o valor total gasto com elas foi de R$ 2.750,00, a quantidade de memórias do tipo DDR2/2GB/800MHz/PC é igual a:
(a) 10 (b) 12 (c) 18 (d) 20 (e) 25
Uma esfera ou um pneu são objetos simétricos. Objetos desse tipo são classificados como grupos de Lie. Uma das mais complicadas estrutu-ras desse tipo já estudadas é o Excepcional Grupo de Lie E8. Ele é um objeto de 57 dimensões e para descrevê-lo é necessária uma matriz de
453.060 linhas e colunas.
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DANTE, L.R. Matemática: Contexto & Aplicações. 1. Ed. São Paulo: Ática, 2000, v.3.