Matrizes e Sistemas de equações lineares. D.I.C. Mendes 1

Transcrição

1 Mtrizes e Sistems de equções lieres D.I.C. Medes

2 s mtrizes são um ferrmet básic formulção de problems de mtemátic e de outrs áres. Podem ser usds: resolução de sistems de equções lieres; resolução de sistems de equções difereciis; resolução de problems de otimizção; teori d computção gráfic, são usds pr represetr trslção, rotção e escl de objectos; s egehris, pr resolver problems de circuitos elétricos e de lihs de trsmissão de eergi elétric; - etc. D.I.C. Medes

3 Sejm e úmeros turis. Um mtriz do tipo m ( m por ) com elemetos reis (complexos) é um tbel de úmeros reis (complexos) dispostos em lihs e colus: m m m m m m m ou, brevidmete, ij, ode i,..., m é o ídice de lih e j,..., é o ídice de colu. Se m., diz-se que é um mtriz qudrd de ordem D.I.C. Medes 3

4 ij ij Diz-se que ou é o elemeto ou etrd de posição (i, j) d mtriz. i é o ídice de lih e j é o ídice de colu. i-ésim lih de é i i... i j-ésim colu de é pr i =,,m e j =,,. j j mj, D.I.C. Medes 4

5 Exemplos () 4 3 é um mtriz do tipo. (b) B 3 9 é um mtriz do tipo 3. (c) C 4 é um mtriz do tipo 3. (d) (e) D 4 é um mtriz do tipo é um mtriz do tipo E D.I.C. Medes

6 Um mtriz que só possui um lih diz-se um mtriz lih. Um mtriz que só possui um colu diz-se um mtriz colu. Mtrizes lih e mtrizes colu tmbém se dizem vectores e, este cso, s sus etrds dizem-se coordeds. Dus mtrizes ij e m B b ij p q dizem-se iguis se e só se m=p, =q e e j=,,. ij b ij pr cd i=,,m D.I.C. Medes 6

7 Sej i um mtriz qudrd de ordem. i ii i i Os elemetos digois (ou elemetos pricipis) de são os elemetos que têm ídices de lih e colu iguis, ou sej, o seu cojuto dá-se o ome de digol pricipl de. su som costitui o trço de ; deot-se por tr(). tr )....,,..., (. D.I.C. Medes 7

8 Um mtriz ij diz-se trigulr superior se ij pr todo i, j,..., com i j. i ii i D.I.C. Medes 8

9 Um mtriz pr todo ij i, j,..., diz-se trigulr iferior se com i j. ij i ii i diz-se trigulr se for trigulr superior ou trigulr iferior. D.I.C. Medes 9

10 Um mtriz ij diz-se digol se i pr todo o i, j,..., com. (tods s etrds ão digois são uls). j ij ii D.I.C. Medes

11 Um mtriz ij diz-se esclr se, pr i, j,...,, ij qudo i j e ii c (c costte). c c. c D.I.C. Medes

12 Um mtriz esclr com todos os elemetos digois iguis, chm-se mtriz idetidde de ordem e deot-se por mtriz, chm-se mtriz ul m, m.. I D.I.C. Medes

13 trspost de um mtriz B b ij m é defiid pel mtriz que se obtém de pel troc ds lihs com s colus; ou sej, bij ji pr cd i,..., m e j,...,. Escreve-se B t. ij m m m m t m m m D.I.C. Medes 3

14 Sej ij um mtriz qudrd e. ij é simétric se t ; ou sej, pr cd ji ij i, j,...,. é ti-simétric se t ; ou sej, pr cd i, j,...,. ji ij Um mtriz ti-simétric tem elemetos digois ulos. D.I.C. Medes 4

15 Sej ij m um mtriz complex. mtriz cojugd de, deotd por é mtriz complex do tipo m cujos elemetos são os complexos cojugdos dos elemetos de :,. ij m * mtriz trscojugd de,, é trspost d mtriz cojugd de, que é o mesmo que cojugd d trspost de : t. * t D.I.C. Medes

16 Sej ij um mtriz complex qudrd. diz-se hermític se * ; isto é, se, pr cd i, j,..., ji ij. Um mtriz hermític tem elemetos digois reis e etrd (j,i) é o cojugdo d etrd (i,j), pr cd i, j,..., e i j. diz-se ti-hermític se ji ij. * ; ou sej, se, pr todo i, j,..., Um mtriz ti-hermític tem elemetos digois ulos e/ou imgiários puros e s etrds (i,j) e (j,i) têm prtes imgiáris iguis e prtes reis simétrics, pr cd i, j,..., e i j. D.I.C. Medes 6

17 Operções com mtrizes 7

18 som de dus mtrizes do mesmo tipo ij e B b m ij m é mtriz m, C B ode c b pr i,..., m e j,...,. ij ij ij m m m b b bm b b b m b b b m m b b b m b b b b b b m D.I.C. Medes 8 m m m

19 multiplicção de um mtriz por um esclr (úmero) é mtriz ode pr i=,,m e j=,,. Diz-se que mtriz B é múltiplo esclr d mtriz. m ij B ij ij b m m m m m m D.I.C. Medes 9

20 O produto de dus mtrizes p ij e m B b ij p é mtriz C B, ode c ij b b... i j i j ip b pj pr i=,,m e j=,,. D.I.C. Medes

21 Proprieddes d álgebr mtricil Teorem. Sejm, B e C mtrizes reis (complexs) com tmhos propridos, e esclres. São válids s seguites proprieddes pr s operções mtriciis: () (comuttividde) B B ; (b) (ssocitividde) B C B C; (c) (elemeto eutro) mtriz ul, m é tl que ; pr cd mtriz, m ; (d) (elemeto oposto) Pr cd mtriz, m, existe um úic mtriz, m, defiid por ij tl que ;, D.I.C. Medes

22 (e) (f) (g) (h) (ssocitividde) ( BC) ( B) C; (i) (elemeto eutro) s mtrizes idetidde e são tis que I pr tod mtriz Im, ij. m (j) (distributividde à esquerd) ( B C) B C; (distributividde à direit) ; ; B B; B ( ) B B; (k) (l) ( t ) t ; t t (m) ( B) t t () ( ) ; t t t (o) B B. B t ; ( B C) B C; I I m D.I.C. Medes

23 difereç de dus mtrizes do mesmo tmho, ij m e B b ij m, é mtriz B B ; ou sej, é som d mtriz com mtriz opost de B. D.I.C. Medes 3

24 Sejm um mtriz e p um iteiro positivo. Defie-se potêci p de, por p.... p vezes Pr p, defie-se I. D.I.C. Medes 4

25 Sistems de equções lieres D.I.C. Medes

26 Um sistem (lier) de m equções icógits m x x x m x x x m x x x b b b m x,..., x : ode m, são iteiros positivos e, ( i,..., m; j,..., ) ij b i são úmeros reis (ou complexos) e chmm-se, respectivmete, os coeficietes e os termos idepedetes do sistem. D.I.C. Medes 6

27 O sistem pode escrever-se como um equção mtricil: ode é mtriz dos coeficietes do sistem, é mtriz dos termos idepedetes, é mtriz ds icógits. m m m x x x X b m b b B X B D.I.C. Medes 7

28 Um solução de um sistem lier é um mtriz colu (vetor) s s S s tl que s equções do sistem são simultemete stisfeits qudo substituimos x s O cojuto de tods s soluções de um sistem lier tmbém se diz solução gerl do sistem. Dois sistems lieres dizem-se equivletes se dmitem o mesmo cojuto de soluções., x s,..., x s. D.I.C. Medes 8

29 Clssificção dos sistems lieres Um sistem diz-se: impossível se ão tem solução possível se tem pelo meos um solução determido se tem um úic solução idetermido se tem mis do que um solução D.I.C. Medes 9

30 Um form de resolver um sistem lier cosiste em trsformr o sistem iicil um sistem equivlete de resolução mis simples. O outro sistem pode obter-se trvés d plicção de operções sobre s equções do sistem. Ests operções, que se chmm operções elemetres, são: (E) trocr dus equções do sistem etre si; (E) multiplicr um equção por um esclr diferete de zero; (E3) somr um equção, outr multiplicd por um esclr. D.I.C. Medes 3

31 Qudo se plicm operções elemetres sobre s equções de um sistem lier, somete os coeficietes e os termos idepedetes do sistem são lterdos. Deste modo, s operções podem plicr-se sobre seguite mtriz, que se chm mtriz complet ou mtriz mplid do sistem. B m m m b b b m D.I.C. Medes 3

32 Chmm-se operções elemetres sobre s lihs de um mtriz: (E) trocr etre si dus lihs d mtriz; (E) multiplicr um lih d mtriz por um esclr diferete de zero; (E3) somr um lih d mtriz, outr multiplicd por um esclr qulquer. Teorem. Sej X B um sistem de m equções icógits. Sej ' B' um mtriz obtid prtir d mtriz mplid do sistem, B, trvés d plicção de um sequêci fiit de operções elemetres sobre s lihs. Etão o sistem ' X B' é equivlete o sistem X B. D.I.C. Medes 3

33 Método de Guss-Jord Pretede-se trsformr mtriz mplid do sistem form de Guss- Jord, cujo sistem ssocido é fácil de resolver. D.I.C. Medes 33

34 Um mtriz está form de Guss-Jord qudo stisfz s seguites codições: () s lihs uls (cso existm) ocorrem depois ds lihs ão uls; (b) o pivô (primeiro elemeto ão ulo) em cd lih é ; (c) o pivô em cd lih ão ul ocorre um colu à direit do pivô d lih precedete; (d) o pivô em cd lih é o úico elemeto ão ulo respetiv colu. Se um mtriz stisfz s proprieddes () e (c), ms ão D.I.C. Medes 34 ecessárimete (b) e (d), diz-se que mtriz está form de Guss.

35 Exemplos. Form de Guss-Jord: Form de Guss:, I 3 3 9, 4 3 C B D.I.C. Medes 3

36 Um mtriz ij diz-se equivlete por lihs um mtriz m B b ij m se B se pode obter de por plicção de um sequêci fiit de operções elemetres sobre s lihs. Teorem. Tod mtriz é equivlete por lihs um úic mtriz form de Guss-Jord. D.I.C. Medes 36

37 Crcterístic de um mtriz crcterístic de um mtriz form de Guss é igul o úmero de pivôs ess mtriz. crcterístic de um mtriz qulquer, que se deot por c(), é igul à crcterístic d mtriz form de Guss que se obtém de utilizdo operções elemetres sobre lihs. mtriz ul tem crcterístic. D.I.C. Medes 37

38 Clssificção dos sistems lieres Um sistem lier X B, ode é do tipo m, è: impossível sse c( ) c([ B]) ; possível e determido sse c( ) c([ B]) ; possível e idetermido sse c( ) c([ B]). Observção. Se o sistem lier é possível, o úmero iteiro ão egtivo -c() chm-se gru de idetermição do sistem e idic o úmero de vriáveis livres (vriáveis que podem tomr vlores rbitrários). D.I.C. Medes 38

39 Um sistem lier diz-se homogéeo se são ulos todos os seus termos idepedetes m x x x m x x x m x x x isto é, se su equção mtricil é d form X. D.I.C. Medes 39

40 Um sistem homogéeo é sempre possível pois dmite sempre solução ul. Se é determido, ess é su úic solução. Se é idetermido, pr lém d solução ul, dmite soluções ão uls. Teorem. Se ij m é tl que m< (º de equções < º de icógits), etão o sistem homogéeo X tem solução ão ul.. Teorem. Sej ij m () Se X e X são soluções do sistem homogéeo X, etão tmbém o é X. X X (b) Se é solução do sistem homogéeo, X, etão tmbém o é, pr qulquer esclr D.I.C. Medes. 4 X 4

41 todo o sistem de equções lieres sistem homogéeo X. X B está ssocido o Relção etre s soluções de um sistem e s soluções do sistem homogéeo ssocido solução gerl do sistem X B pode obter-se somdo um solução prticulr s deste sistem com cd solução s do sistem homogéeo X ssocido. D.I.C. Medes 4

42 Ivers de um mtriz qudrd D.I.C. Medes 4

43 b ij Um mtriz qudrd ij diz-se ivertível ou ão sigulr, se existe um mtriz B tl que B B. I mtriz B chm-se ivers de. Se ão possui ivers, diz-se que mtriz é ão ivertível ou sigulr. Teorem. Se um mtriz ij possui ivers, etão ivers é úic. ivers de um mtriz, qudo existe, deot-se por. D.I.C. Medes 43

44 Teorem. Sejm e B mtrizes. Se B I, etão B I. ssim, pr verigur se um mtriz é ivertível, qudo se tem um mtriz B que é cdidt ivers de, bst fzer um dos produtos B ou B e ver se é igul I. D.I.C. Medes 44

45 Teorem. Sej um mtriz. s seguites codições são equivletes: () é ivertível; (b) c( ) ; (c) é equivlete por lihs à mtriz idetidde I. Dd um mtriz,, tl que c( ), (logo ivertível), ivers de é solução d equção mtricil X I. Etão, pr clculr, bst trsformr mtriz I um mtriz I B trvés d plicção de um úmero fiito de operções elemetres sobre s lihs. Etão B. D.I.C. Medes 4

46 Proprieddes d ivers Teorem. Sejm e B mtrizes ivertíveis do tipo, um esclr ão ulo e m um iteiro positivo. Tem-se: () é ivertível e ; t (b) é ivertível e t t ; (c) é ivertível e ; (d) (e) B é ivertível e m m. B B ; Not. Se positivo m, é ivertível, etão defie-se, pr qulquer iteiro m m. D.I.C. Medes 46

47 . Teorem. Sej ij () O sistem X B possui um úic solução sse é ivertível. Neste cso, solução é X B. (b) O sistem homogéeo X tem solução ão trivil sse é sigulr (ão ivertível). D.I.C. Medes 47