algebra matricial - herzog.economia.unam.mxherzog.economia.unam.mx/avisos/ec005.pdf · 222 6...

OBJETIVO Introducir el concepto de matriz y considerar los tipos especiales de matrices.

ADVERTENCIA No utilice las barras verticales, 11, en lugar de corchetes o paréntesis, ya que tienen un significado diferente.

220

, ALGEBRA MATRICIAL

6.1 MATRICES

Buscando formas para describir situaciones en matemáticas y economía, llegam al estudio de arreglos rectangulares de números. Por ejemplo, considere el siste de ecuaciones lineales

{

3X + 4y + 3z = 0, 2x + Y - z = 0, 9x - 6y + 2z = O.

Lo que caracteriza a este sistema son los coeficientes numéricos en la ecuaciqn junto con sus posiciones relativas . Por esta razón, el sistema puede ser descrito el arreglo rectangular

[~ 4 1

-6

que es llamado matriz (plural: matrices). Consideraremos a tales arreglos rectang lares como objetos por sí mismos y, se acostumbra encerrarlos entre corchetes. T bién es común que se utilicen paréntesis ( ). En la representación simbólica de ma ces, usaremos letras mayúsculas en negritas como A, B, C, etcétera.

En economía con frecuencia es conveniente utilizar matrices en la formulaci6 de problemas y para exhibir datos. Por ejemplo, un fabricante de los productos A, y C, podría representar las unidades de mano de obra y material involucrados en u semana de producción de estos artículos como se muestra en la tabla 6.1. De mane más sencilla, estos datos puede ser representados por la matriz

12 9

16] 7 .

~ S~b{ndice del renglón aparece a la IZquIerda del subíndice de la columna. En general, a

j :t a ...

, l'

6. 1 Motrices 221

TABLA 6.1

Producto

A

Mano de obra 10 Material 5

B

12 9

e 16 7

Los renglones de una matriz están numerados de manera consecutiva de arriba hacia abajo, y las columnas están numeradas de manera consecutiva de izquierda a derecha. Para la matriz A anterior tenemos

columna 1 columna 2 columna 3

renglón 1 [ renglón 2

10 5

12 9

16 7 J = A.

Ya que A tiene dos renglones y tres columnas, decimos que A tiene orden, o tamaño, 2 x 3 (se lee "2 por 3"), donde el número de renglones se especifica primero. De manera semejante, las matrices

B = [ ~ ~ =~] -3 5 O r

1 21 -3 4 e = 5 6

7 -8

y

tienen órdenes 3 x 3 y 4 x 2, respectivamente. Los números en una matriz son llamados entradas o elementos. Para denotar

entradas arbitrarias de una matriz, digamos de una de orden 2 x 3, existen dos métodos comunes. Primero, podemos utilizar letras diferentes:

[a b e] d e f .

Segundo, una sola letra se puede usar, digamos, a, junto con doble subíndice apropiado para indicar su posición:

Para la entrada a12

se lee "a subíndice uno-dos", o sólo "a uno-dos", el primer subíndice, 1, especifica el renglón y el segundo, 2, la columna en la que aparece la entrada. De manera similar, la entradaa

23 (se lee "a dos-tres") es la que se encuentra

en el segundo renglón y la tercera columna. Generalizando, decimos que el símbolo a¡j denota la entrada en el renglón i y en la columna}.

Nuestra atención en este capítulo estará en la operación y aplicación de varios tipos de matrices. Para completar, ahora daremos una definición formal de una matriz.

222 6 ÁLGEBRA MATRICIAL

ADVERTENCIA No confunda la entrada general aij con la matriz [al

Definición

Un arreglo rectangular de números que consiste en m renglones y n columnas.

a" a,z a," az, azz aZIl

es llamado matriz de m X n o matriz de orden m x n . Para la entrada a. llama - '1

a i el subíndice del renglón y a j el subíndice de la columna.

El número de entradas en una matriz de m x n es mn. Por brevedad, una ma de m x n puede ser denotada por el símbolo [a;)m xlI o de manera más sencilla [a donde el orden se entiende que es el apropiado para el contexto dado. Esta notaci sólo indica qué tipos de símbolos son utilizados para denotar la entrada general.

Una matriz que tiene exactamente un renglón, tal como la matriz de l x 4

A = [1 7 12 3],

es llamada matriz renglón, o vector renglón. Una matriz que consiste en una sola columna tal como la matriz de 5 x 1

-2 15 9

16

es llamada matriz columna, o vector columna.

EJEMPLO 1 Orden (o tamaño) de una matriz

a. La matriz [1 2 O] tiene orden 1 x 3.

b. La ma"i, [i -!] tiene tamaño 3 x 2.

c. La matriz [7] tiene orden 1 x 1.

d. La ma"i, G 3 11

-2

7 5

-1 - ~ :] tiene o,den 3 x 5 y 3(5) = 15 en"ada>.

EJEMPLO 2 Construcción de matrices

a. Construir una matriz columna de tres entradas tal que a, = 6 Y a. = O en los otrOS _ 1 /1

casos.

6. 1 Matrices 223

Solución: Como all

= a31

= 0, la matriz es

b. Si A = [a] tiene orden 3 x 4 ya .. = i + j, encontrar A. lj lj

Solución: Aquí i = 1, 2,3 Y j = 1,2, 3,4 Y A tiene (3)(4) = 12 entradas. Ya que aij

= i + j, la entrada en el renglón i y columnaj se obtiene sumando los números i y j. De aquí a

ll = 1 + 1 = 2, a

l2 = 1 + 2 = 3, a

l 3 = 1 + 3 = 4, etc. Por tanto,

[

1 + 1 A = 2 + 1

3 + 1

1 + 2 1 + 3 1 + 4] [2 3 4 5] 2+22+32+4 = 3456 . 3+23+3 3+4 45 67

c. Construir la matriz 1 de 3 x 3 dado que all

= a22

= a33

= 1 Y aij = ° en cualquier

otro caso.

Solución: La matriz está dada por

•

Igualdad de matrices

Ahora definimos 10 que significa decir que dos matrices son iguales.

Definición

Las matrices A = [a .] y B = [b] son iguales si y sólo si tienen el mismo orden y a .. = u u lj

b .. para cada i y cadaj (esto es, entradas correspondientes son iguales). u .

Por tanto

pero

y [1 1] '* [1 1 1] (diferentes tamaños) .

Una ecuación matricial puede definir un sistema de ecuaciones. Por ejemplo, suponga que

[X y + 1] 2z 5w


TECNOLOGíA

[A]

[A] T

[[2 0] [ 15] [7 3]]

[[2 1 7] [0 5 3]]

FIGURA 6.1 Ay AT.

Igualando las entradas correspondientes, debemos tener

{

X = 2 Y + 1 = 7:

2z = 4, 5w = 2.

Resolviendo se obtiene x = 2, Y = 6, z = 2 Y w = t· Es un hecho significativo que ecuación matricial pueda definir un sistema de ecuaciones lineales como se m anteriormente.

Transpuesta de una matriz

Si A es una matriz, la matriz formada a partir de A intercambiando sus renglones, sus columnas es llamada la transpuesta de A.

Definición

La transpuesta de una matriz A de m x n, denotada AT, es la matriz de n X m q i-ésimo renglón es la i-ésima columna de A.

EJEMPLO 3 Transpuesta de una matriz

SiA = [! ~ ~l encontrarAT.

Solución: La matriz A es de 2 x 3, de modo que ATes de 3 x 2. La columna I de se convierte en el renglón 1 de AT, la columna 2 se convierte en el renglón 2 y columna 3 se convierte en el renglón 3. Por tanto,

A'~U n Observe que las columnas de AT son los renglones de A. Debe darse cuenta de que tomamos la transpuesta de nuestra respuesta, obtendremos la matriz original A. es, la operación transpuesta tiene la propiedad de que

Las calculadoras gráficas tienen la capacidad de manipular matrices. Por ejemplo, figura 6.1 muestra el resultado de aplicar la operación de transposición a la matriz

Matrices especiales

Cierto tipo de matrices juegan papeles importantes en la teoría de matrices, A consideraremos algunos de estos tipos especiales.

~

Una matriz de m x n cuyas entradas son todas iguales a cero, es llamada triz cero de m x n y es denotada por 0",,<>, o, de manera más sencilla, por O s~ sobreentiende su tamaño. ASÍ, la matriz cero de 2 x 3 es

[O ° 0] 0= ° ° O'

¡:VERTENCIA No confunda la matriz O con el lIÓlIIero real O.

Una matriz diagonal es considerada ~tO .triangular superior como triangular inferior.

yen general

O O

0=

O

O O

O

O O

O

6.1 Matrices 225

Una matriz que tiene el mismo número de columnas que de renglones , por ejemplo n renglones y n columnas, es llamada matriz cuadrada de orden n. Esto es, una matriz m x n es cuadrada si y sólo si m = n. Por ejemplo, las matrices

y [3]

son cuadradas con órdenes 3 y 1, respectivamente. En una matriz cuadrada de orden n, las entradas au' a22 , a

33, • • • , all/

l las cuaJes

están sobre la diagonal "principal" que va desde la esquina superior izquierda hasta la esquina inferior derecha, son llamadas entradas de la diagonal principal, o de forma más sencilla la diagonal principal. Así, en la matriz

[

1 2 4 5 7 8

la diagonal principal (véase la región sombreada) consiste en a u = 1, a22 = 5 ya" = 9. Una matriz cuadrada A es llamada matriz diagonal si todas las entradas que

se encuentran fuera de la diagonal principal son cero; esto es, a .. = O para i ,¡. j . IJ

Ejemplos de matrices diagonales son

y

U na matriz cuadrada A se dice que es una matriz triangular superior si todas las entradas abajo de la diagonal principal son cero; esto es, a = O para i > j. De manera análoga, una matriz A se dice que es una matriz triangular inferior si todas las entradas por arriba de la diagonal principal son cero; esto es, aij = O para i < j. Cuando una matriz es triangular superior o triangular inferior, es llamada una matriz triangular. Así, las matrices

y iH J ~l II 6 O 1

son matrices triangular superior y triangular inferior, respectivamente, y por tanto son matrices triangulares.


EJERCICIOS 6.1

1. Sean

A = [ l -6 ~l B ~ [~ 2 3]

5 6 , - 4 2 8 9

e ~ [l n D = U ~l [' 2

3

n o l 6 E = o o 2

F = [6 2],

o o 6

G~m H ~ [~ 6 n o o

J = [4].

3. Establecer el orden de cada matriz.

b. ¿Cuáles matrices son cuadradas?

c. ¿Cuáles·matrices son triangulares superiores? ¿Triangulares inferiores?

d. ¿Cuáles son vectores renglón?

e. ¿Cuáles son vectores columna?

En los problemas 2-9 sea

- 2 14 2 3 4 O 2

2. ¿ Cuál es el orden de A?

Determine las entradas siguientes.

3. a4l ·

8. ass·

-~J O . O

9. ¿Cuáles son las entradas de la diagonal principal?

10. Escriba la matriz triangular inferior de orden 5 en la que todas las entradas que no se requiere que sean cero, son iguales a uno.

11. Construya una matriz A = [aij] si A es de 3 x 4 y aij = 2i + 3).

12. Construya la matriz B = [bij] si B es de 2 x 2 Y h;J = (-1 y+J(jl.¡.

13. Si A = [a ij] es 12 x 10, ¿cuántas entradas tiene A? Si a para i = j, y a j . = O para i 7= j, encuentre a ll, a S2 ' a y ~

J 10.10 ,

14. Liste la diagonal principal de

-2 4

-5 7

-~J 1 '

2

b. [~ y ~]. y O z

15. Escriba la matriz cero de orden (a) 4; (b) 6.

16. Si A es una matriz de 4 x 5, ¿cuál es el orden de AT?

En los problemas 17-20 encuentre AT.

17. A [6

- 3J 2 4 · 18. A [2 4 6

U 3 2 3] 19. A 2 -2 O .

2 O 1

H -1 n 20. A 5

21. Sean

A = [~ ~l B ~ [~ O

~l 2 10 -3

e ~ [: O n [~

O -'] O D= 4 O . O O 6

3. ¿Cuáles son matrices diagonales?

b. ¿Cuáles son matrices triangulares?

8:

22. Una matriz es simétrica si AT = A. ¿La matriz del problema 20 es simétrica?

23. Si

[1 2 3]

A = 4 5 6 , 7 8 9

verifique la propiedad general de que (A T)1 = A encontrando A T Y después (AT)!.

6.2 Suma de matrices y multiplicación por un escalar 227

$11 los problemas 24-27 resuelva la ecuación matricial.

Jt [~ /w ] = [~ ~]. 25. [ ~ 3y

~] = [~ ~]. 2z 2 7

; 3J[H n [~ ~].

,s. Acciones Un agente de bolsa vendió a un cliente 200 acciones de tipo A, 300 de tipo B, 500 de tipo C y 300 de tipo D. Escriba un vector renglón que dé el número de acciones vendidas de cada tipo. Si las acciones se venden en $20, $30, $45 y $100 por acción, respectivamente, escriba esta información como un vector columna.

29. La compañía Widget tiene sus reportes de ventas mensuales dados por medio de matrices cuyos renglones, en orden, representan el número de modelos regular, de lujo y de extra lujo vendidos, mientras que las columnas dan el número de unidades rojas, blancas, azules y púrpuras vendidas. Las matrices para enero (E) y febrero (F) son

[2 6 1 2]

E= O 1 3 5 , 2 7 6 O [

O 2 4 4] F=2332.

4 O 2 6

(a) En enero, ¿cuántas unidades de los modelos de extra lujo blancas se vendieron? (b) En febrero, ¿cuántos modelos de lujo azules se vendieron? (c) ¿En qué mes se vendieron más modelos regulares púrpuras? (d) ¿De qué modelo y color se vendió el mismo número de unidades en ambos meses? (e) ¿En qué mes se vendieron más modelos de lujo? (f) ¿En qué mes se vendieron más artículos rojos? (g) ¿Cuántos artículos se vendieron en enero?

I

presentada a continuación. Los sectores consumidores son los mismos que los productores -industriales, gobierno, acero, agricultura, doméstico, etc. Cada renglón muestra cómo el producto de un sector dado es consumido por los cuatro sectores. Por ejemplo, del total de la producción de la industria A, 50 unidades fueron para la industria A misma, 70 para la B, 200 para la C y 360 para todos los demás consumidores. La suma de las entradas en el renglón 1, es decir, 680, da la producción total de A para un periodo. Cada columna da la producción de cada sector que es consumida por un sector dado. Por ejemplo, en la producción de 680 unidades, la industria A consume 50 unidades de A, 90 de B, 120 de C y 420 de todos los demás productores. Para cada columna, encuentre la suma de las entradas. Haga lo mismo con cada renglón. ¿Qué observa al comparar esos totales? Suponga que el sector A aumenta su producción en u~ 20%, es decir, en 136 unidades. Suponiendo que esto tiene como consecuencia un aumento uniforme del 20% en todos sus insumos, ¿en cuántas unidades el sector B aumentará su producción? Responda la misma pregunta para C y para todos los demás productores.

CONSUMIDORES A

( \

Industria Industria Industria Otros PRODUCTORES A B C consumidores

Industria A

rso 70 200 3@j Industria B 90 30 270 320 M Industria C 120 240 lOO 1,050

Otros 420 370 940 4,960 productores

31. Encuentre todos los valores de x para los cuales

[x 2 + 1993x v?] [ 1994

X2 In(e") = 1994 - 1993x

En los problemas 32 y 33, encuentre AT.

32. A = [-; -4 ~]. 4

30. Matriz de insumo-producto Las matrices de insumo-producto, desarrolladas por W. W. Leontief, indican las interrelaciones que existen entre los diferentes sectores de una economía durante algún periodo. Un ejemplo hipotético para una economía simplificada est~ dado por la matriz M

1 33.

A [1 n 7 3 4

OBJETIVO Definir la suma de matrices y la

. multiplicación por escalar y considerar las propiedades relacionadas con estas Operaciones.

6.2 SUMA DE MATRICES Y MULTIPLICACiÓN POR UN ESCALAR

Suma de matrices

Considere un comerciante de vehículos para nieve quien vende dos modelos, Deluxe y Super. Cada uno está disponible en uno de dos colores, rojo y azul. Suponga que las ventas para enero y febrero están representadas por las matrices de ventas


Estas propiedades de la suma de matrices son similares a las propiedades correspondientes de los números reales.

Deluxe

E = rojo [ 1 azul 3

Super

~l Cada renglón de E y F proporciona el número vendido de cada modelo para Un do dado. Cada columna proporciona el número vendido de cada color para un modelo Una matriz que represente las ventas totales para cada modelo y color durant~ dos meses, puede ser obtenida sumando las correspondientes entradas en E y :F:

Esta situación nos motiva a introducir la operación de suma de matrices para matrices del mismo orden.

Definición

Si A = [ay] y B = [b¡) ambas son matrices de m x n, entonces la suma A + B es la matriz de m x n obtenida sumando las correspondientes entradas de A y Bj esto el , A + B = [aij + b;) .

Por ejemplo, sean

A = [; o

-1 y B = [i -3

2

Como A Y B son del mismo tamaño (2 x 3), su suma está definida. Tenemos

A+B=[3+5 0+(-3) -2+6] [8 2 + 1 - 1 + 2 4 + (- 5) = 3

-3 1

EJEMPLO 1 Suma de matrices

a. [~ ;] + [- ~ -;] = [~ ~ ~ ; ~ ;] = [- ~ ~] . 56 3 O 5+36+0 86

b. [~; ] + [ i ] no está definida ya que las matrices no son del mismo tamaño . •

Si A, B, e y O tienen el mismo orden, entonces las propiedades siguientes se cumplen para la suma de matrices:

Propiec;Jades para la suma de matrices

Á+B=B+A

A + (B + C) ::: (A + B) + e A+O=O+A=A

(propiedad conmutativa),

(propiedad asociativa),

(propiedad del neutro aditivo).

6.2 Suma de matrices y multip lic ación por un escalor 229

La propiedad 1 establece que las matrices pueden ser sumadas en cualquier orden, y la propiedad 2 permite que las matrices sean agrupadas para la operación de suma. La propiedad 3 establece que la matriz cero juega el mismo papel en la suma de matrices que el número cero en la suma de números reales. Estas propiedades son ilustradas en el ejemplo siguiente.

EJEMPLO 2 Propiedades de la suma de matrices

Sean

A = [ 1 2 -2 O

C= [- 2

O 1

- 2

a. Demostrar que A + B = B + A.

Solución:

A+B=[ 1 -1

Por tanto, A + B = B + A.

3 -3

-1] 1 '

B = [~ 1 -3

b. Demostrar que A + (B + C) = (A + B) + C.

Solución:

A+ (B+C)=A+ [ -~ 2 1]=[-1 -5 2 -1

(A + B) +C = [ _! 3 3] [ -1 -3 2 +C= -1

c. Demostrar que A + O = A.

Solución:

[ 1 2

A + O = -2 O 1] [O O O] [ 1 2 1 + O O O = -2 O

EJEMPLO 3 Vectores de demanda para una economía

3 - 3

4 -5

4 -5

~l ~J.

!] = A. •

Considere una economía hipotética simplificada que tiene tres industrias, carbón, electricidad y acero, y tres consumidores 1,2 Y 3. Además, suponga que cada consumidor puede utilizar parte de la producción de cada industria y cada industria utiliza parte de la producción de cada una de las otras industrias . Las necesidades de cada consumidor y de cada industria pueden ser representadas por un vector (renglón) de demanda cuyas entradas, en orden, dan la cantidad de carbón, electricidad y acero necesarios para el consumidor o industria en algunas unidades convenientes. Por ejemplo, los vectores de demanda para los consumidores podrían ser

D I = [3 2 5], D2 = [O 17 1], DJ = [4 6 12],


y para las industrias,

De = [O 4], DE = [20 O 8], DA = [30 5 O],

donde los subíndices e, E y A son para carbón, electricidad y acero, respectiv te. La demanda total, de los consumidores, para estos bienes está dada por la s

DI+D2 +D3 =[3 25]+[0171]+[4612]=[725

La demanda industrial total está dada por la suma

4] + [20 O 8] + [30 5 O] [50 6 12],

Por tanto, la demanda globa¡"total está dada por

[7 25 18] + [50 6 12] = [57 31 30].

Así, la industria del carbón vende un total de 57 unidades, el total de unidades electricidad vendidas es 31 y el total de unidades de acero que fueron vendidllS 30. 1

Multiplicación por escalar

Regresando al vendedor de vehículos para nieve, recuerde que en febrero las ven estaban dadas por la matriz

F=[!~J. Si en marzo el vendedor duplica las ventas de febrero de cada modelo y color vehículos para nieve, la matriz de ventas M para marzo podrían ser obtenidas mul tiplicando cada entrada de F por 2:

M = [2(3) 2(4)

2(1)] 2(2) . Parece razonable escribir esta operación como:

M = 2F = 2[! 1] = [2'3 2 2·4

2· 1] = [6 2] 2·2 8 4 '

que se considera como la multiplicación de una matriz por un número real. En rea lidad, tenemos la definición siguiente.

Definición

Si A es una matriz m x n y k es un número real (también llamado escalar), entonce con kA denotamos a la matriz m x n obtenida multiplicando cada entrada de A po k. La operación es llamada multiplicación por un escalar, y kA es llamada múltipld. escalar de A.

1 Este ejemplo, así como algunos otros en este capítulo, son de John G. Kemeny, J. Laurie SneIl ~ Gerald L. Thompson, Introduction 10 Finite Mathematics, tercera edición. © 1974. Reimpreso ca permiso de Prentice-HalJ, Inc., Englewood Cliffs, Nueva Jersey.

6.2 Suma de matrices y multiplicación por un escalar 231

Por ejemplo,

_3[1 O -2] = [ -3(1) -3(0) 2 - 1 4 - 3(2) - 3( - 1)

- 3( - 2) ] = [- 3 O 6] - 3(4) -6 3 -12'

EJEMPLO 4 Multiplicación por un escalar

Sea

B = [~ -4] 1 ' O = [~ ~J.

Calcular lo siguiente.

a. 4A. Solución:

4A = 4[! _ ~] = [:~!~ 4(~(~~] = [1: -~J.

Solución:

1 c. 2" A + 3B.

Solución:

~ A + 3B = H! _ ~] + 3 [~ - ~]

= U -~] + [2~ -1~] = [~ -11] 2 .

d. OA.

Solución:

e. kO.

Solución:

•

232 6 ÁLGEBRA MATRIC IAL

Recuerde que O "# O, porque O es un escalar y O es una matriz cero.

Si A, B Y O son del mismo tamaño, entonces para cualesquier escalares y k

2 tenemos las propiedades siguientes de multiplicación por un escalar: •

Propiedades de la multiplicación por un escalar

k(A + B) = kA + kB.

(k¡ + kz)A = k¡A + kzA .

k/k2A) = (k¡k2)A.

OA=O.

kO=O.

Las propiedades 4 y 5 fueron ilustradas en los ejemplos 4(d) y (e); las otr<1& ilustradas en los ejercicios.

También tenemos las propiedades siguientes de la operación de transposici donde A y B son del mismo tamaño y k es cualquier escalar:

(A + B? = A T + BT•

(kA? = kAT.

La primera propiedad establece que la transpuesta de una suma es la suma de ' transpuestas.

Sustracción de matrices

Si A es cualquier matriz, entonces el múltiplo escalar (-l)A se escribe simplemen como -A y es llamado negativo de A:

,...A = (-l)A.

Así, si

entonces

Observe que -A es la matriz que se obtiene multiplicando cada entrada de A por-1 La resta (o sustracción) de matrices se define en términos de la suma de matrie

Definición

Si A Y B tienen el mismo tamaño, entonces por A - B queremos decir A + (-B).

De manera más sencilla, para encontrar 1\ - B podemos restar cada entrada de B de la correspondiente entrada de A.

6.2 Suma de matrices y multip licac ión por un escalar 233

EJEMPLO 5 Resta de matrices

a. [-~ !] -[~-n H n + (-l)[~ -n [ - ~ ~] + [= ~ -~]

3 2 0-3

~]. -1

b. Si A [ ~ - ~ ] y B = [i -; l entonces

EJEMPLO 6 Ecuación matricial

Resolver la ecuación 2 [~~] - [!] = 5 [ - ¡ J. Solución:

Estrategia: Primero simplificamos cada lado en una matriz. Después, por la igualdad de matrices, igualamos las entradas correspondientes.

2 [ ~~] [ !] = 5 [ - ¡ l [~~] [!] = [ -~~l

[~~ = !] - [ -~~ J.

•

Por la igualdad de matrices debemos tener 2x¡ - 3 = 25, que dax¡ = 14; a partir de 2x" -4 = -20 obtenemos x

2 = -8. •


TECNOLOGíA Las operaciones matriciales de suma, resta y multiplicación por un escalar realizadas en una calculadora gráfica. Por ejemplo, la figura 6.2 muestra 2.\ donde 2[A]-3[B]

[ [ -7 -6] [-10 3 ]]

FIGURA 6.2 Operaciones matriciales con una calculadora gráfica.

EJERCICIOS 6.2

En los problemas 1-12 realice las operaciones indicadas.

1 [-: o -3] [2 -3 4 O + -1 6

-6 5 9 JI ~].

-2

2. [ - ~ - ~ J + [ - ~ - ~ J + [~ n . 3. [-~ ~]-[;-n

4. {~ -i -H S. 3[1 -3 1] + 2[-6 1 4] - 0[-2 7 4] .

6. [7 7] + 66.

7. D ;J + [~J. 8. [2 -lJ [O 7 4 l' 3 O ~J. 9. [2 -6 7 IJ

-6 7 1 6 -2'

y B = [! i].

l~ -~l- l- ~ ~l 10. 3 -6 3 1 -2'

4 9 4 5

11. [ ~ -: -~] + ! [~ ~ ~] . -4 O 10 3 3 9 9

12. 2[ ~ ! ~] -3m -~ ~] -[ -~ -: -m En los problemas 13-24 calcule las matrices requeridas si

13. -B.

1S. 20.

A = n -~l C=[=~ -~l

17. 2(A - 2B).

19. 3(A - C) + 6.

B = [-~ =~l

O = [~ ~J. 14. -(A - B).

16. A + B - C.

18. O(A + B).

20. A + (C + 20).

2B - 3A + 2e.

1.4 - 2(B + 2C).

22. 3C - 2B.

24. 2A - 4(B - C).

/aS matrices A, B Y C anteriores, verifique:

~¡.. + B) = 3A + 3B.

(2 + 3)A = 2A + 3A.

k(k A) = (k¡k¡)A. • I 1

k'A+B+C)=kA+kB+ke.

A ~ [~ -n C = e ~l D = [1 2

1 O

Calcule, si es posible, las matrices indicadas.

-1] 2 .

29. 3AT + D.

31. 2BT - 3CT

". cr - D.

30. (B - C?

32. 2B + BT•

34. (D - 2AT?

35. Exprese la ecuación matricial

como un sistema de ecuaciones lineales y resuélvalo.

36. En forma inversa a la que utilizó en el problema 35, escriba el sistema

{3X + 5y = 16 2x - 6y = -4

como una ecuación matricial.

6.3 Multiplicación de matrices 235

En los problemas 37-40 resuelva las ecuaciones matriciales.

37. 3 [~] -3[ -;] = 4[ _ ~].

38. 3[~1- 4[ _~] = [ ~~].

39. m + { ;,] ~ [ = m 40. x[~] + 2[ -~] + y[ ~] = [ ! ].

3 6 -3 3x + 12 - 3y

41. Suponga que el precio de los productos A, 8 Y e está dado, en ese orden, por el vector de precios

Si los precios se incrementan en un 10%, el vector de los nuevos precios puede ser obtenido multiplicando P, ¿por qué escalar?

42. Demuestre que (A - B)T = AT - BT. Sugerencia: Utilice la definición de resta y las propiedades de la operación de transposición.

ti En los problemas 43-45 calcule las matrices dadas si

A = [ _ ; - ~ ~l B = [! ~ ~l

[-21 1 Y C = 6

43. 4A + 3B. 44. -2(A + B) - C.

45. 2(3C - A) + 2B.

6.3 MULTIPLICACiÓN DE MATRICES OBJETIVO ' Definir la multiplicación de matrices y considerar las propiedades asociadas. Expresar un sistema como una sola ecuación matricial utilizando la multiplicación de matrices.

Además de las operaciones de suma de matrices y multiplicación por un escalar, bajo ciertas circunstancias puede definirse el producto AB de las matrices A y B, esta circunstancia es que el número de columnas de A sea igual al número de renglones de B. Aunque la siguiente definición de multiplicación de matrices no parece ser muy natural (parecería más natural s6lo multiplicar las entradas correspondientes), un estudio más minucioso de la matrices lo convencerán de que nuestra definición es apropiada y extremadamente práctica para aplicaciones.


Definición

Sea A una matriz de m x n y B una matriz n X p. Entonces el producto AB el

matriz e de m X p cuya entrada cij en el renglón i y la columna j se obtiene e sigue: sume los productos formados al multiplicar; en orden, cada entrada (esto primera, segunda, etc.) del renglón i de A por la "correspondiente" entrada '(e es, primera, segunda, etc.) de la columnaj de B.

Tres puntos concernientes a la definición anterior de AB deben ser compl mente comprendidos. Primero, la condición de que A sea de m X n y B sea de n)(~ es equivalente a decir que el número de columnas de A debe ser igual al nÚl1l de renglones de B. Segundo, el producto será una matriz de orden m X p; tendrá tan renglones como A y tantas columnas como B.

A B e m X n n X p m X p

t'-------_~ deben

ser iguales tamaño del producto

Tercero, la definición se refiere al producto AB, en ese orden; A es el factor izqui do y B el factor derecho. Para AB decimos que B está premultiplicado por A, o bi n que A está posmultiplicado por B.

Para aplicar la definición, encontramos el producto

AB = [~ 1 -3

-6][ 1 O 2 O 4 -2 1

-3] 2 . 1

La matriz A tiene tamaño 2 X 3 (m X n) y la matriz B tiene tamaño 3 x 3 (n x p). número de columnas de A es igual al número de renglones de B (n = 3), de modo qpe el producto e está definido y será una matriz de 2 x 3 (m x p):

e = [CII C21

Cl2 cJ3]. C22 C23

La entrada cII es obtenida sumando los productos de cada entrada en el renglón 1 do A por la "correspondiente" entrada en la columna 1 de B. Así

entradas del renglón 1 de A / \ \

CII (2)(1) + (1)(0) + (-6)(-2) = 14.

'" '" / entradas de la columna 1 de B

La multiplicación de matrices no es cOnmutativa.


En este paso tenemos

[~ 1 -3

-6][ 1 O 2 O 4

-2 1

2 = 14 CI 2 C I3 -3] [ ] 1 C21 C22 C23 •

De manera similar, para C 12 usamos las entradas del renglón 1 de A y las de la columna 2 de B:

Ahora tenemos

entradas del renglón 1 de A / \ \

CI2 = (2)(0) + (1)(4) + (-6)(1) "'-! /

1 - 3

entradas de la columna 2 de B

-6] [ 1 O 2 O 4

-2 1 -;] = [14

1 C21

-2.

-2

Para las restantes entradas de AB obtenemos

Así

AB = [i

Cn = (2)( - 3) + (1)(2) + (- 6)(1) = - lO,

C21 = (1)(1) + (- 3)(0) + (2)( - 2) = - 3,

C22 = (1)(0) + (- 3)(4) + (2)(1) = -lO,

C23 = (1)( - 3) + (- 3)(2) + (2)(1) = -7.

1 -3

-6][ 1 O 2 O 4

-2 1

-2 -10 -10] -7 .

Observe que si invertimos el orden de los factores, entonces el producto

[

10 BA = O 4

-2 1

1 -3

no está definido ya que el número de columnas de B no es igual al número de renglones de A. Esto muestra que la multiplicación de matrices no es conmutativa. Esto es, para cualesquier matrices A y B en general AB '# BA (aun si ambos productos están definidos), de modo que el orden en el que las matrices estén escritas en un producto es extremadamente importante.

EJEMPLO 1 Tamaños de matrices y su producto

Sea A una matriz de 3 x 5 y B una matriz de 5 x 3. Entonces AB está definida y es una matriz de 3 x 3. Además, BA también está definida y es una matriz de 5 x 5.


Si C es una matriz de 3 x 5 y D es una matriz de 7 x 3, entonces eD definida, pero DC está definida y es una matriz de 7 x 5.

EJEMPLO 2 Producto de matrices

Calcular el producto de matrices

AB = [~ -4 1

Solución: Como A es de 2 x 3 y B es de 3 x 2, el producto AB está definido y orden de 2 x 2. Moviendo de manera simultánea el dedo índice de la mano izq a lo largo de los renglones de A, y el dedo índice de la mano derecha a lo largo columnas de B, no le debe ser difícil determinar mentalmente las entradas del dueto.

[~ -4 1


Solución: El producto tiene orden 1 x l :

-10] -2 .

[123m [32].

b. Caleulm U} 6J

Solución: El producto tiene orden 3 x 2:

U} 6J ~ [¡ l~l 18

H 3

~m~ O 2] [16 -3 "] c. 2 -1 3 = 10 -1 O .

O -2 -7 -4 10

d. [all

a21 a12] [bll a22 b21

b l2 ] bn

= [a"bl' + al2b21 a21b ll + a22b21

a llb l2 + al2bn ] a21bl2 + anb22 .

e eJIlplo 4 muestra que aun cuando productos de matrices AB y BA

definidos, no necesanamente son

es.

[ [-5 -2] [-5 7 ]]

FIGURA 6.3 Solución por medio de una calculadora del producto de matriz del ejemplo 4.

6.3 Multip licación de matrices 239


Calcular AB Y BA si

A = [~ -n y [-2 1] B = 1 4 .

Solución: Tenemos

AB = [~ -~][ -~ !] BA = [ - ~ ! ] [ ~ - ~ ]

[-5 -5

[-1 14

-2J 7 '

3] 3 .

Observe que aunque ambos productos AB y BA están definidos, AB =1- BA. •

La figura 6.3 muestra los resultados utilizando una calculadora gráfica para determinar el producto AB del ejemplo 4.

EJEMPLO 5 Vector de costos

Suponga que los precios en dólares por unidad para los productos A, B Y e están representados por el vector de precios

Precio de A B e

P = [2 3 4].

Si las cantidades (en unidades) de A, B Y e que son compradas están dadas por el vector columna

unidades de A unidades de B unidades de e,

entonces, el costo total en dólares de las compras está dado por la entrada en el vector de costos PQ:

PQ ~ [2 3 4{n ~ [(2-7) + (3-5) + (4-¡¡)1 ~ [731 _ •

EJEMPLO 6 Utilidad para una economía

En el ejemplo 3 de la sección 6.2, suponga que en la economía hipotética el precio del carbón es de $10,000 por unidad, el de la electricidad $20,000 por unidad y el


del acero $40.000 por unidad. Estos precios pueden ser representados por el v (columna) de precios

. [10.000] P = 20.000 .

40.000

Considere la industria del acero. En total vende 30 unidades de acero en $40.000 unidad Y. por tanto. su ingreso total es de $1.200.000. Sus costos por los diferen bienes están dados por el producto de matriz '

[10.000]

DAP = [30 5 O] 20.000 = [400.000]. 40.000

De aquí que la ganancia para la industria del acero es $1.200.000 - $400.000:::; $800 ..

La multiplicación de matrices satisface las propiedades siguientes siemp cuando todas las sumas y productos estén definidos:

Propiedades de la multiplicación de matrices

A(BC) :::; (AB)C . (propiedad asociativa),

A(B + C) = AB + AC, (propiedad distributiva). (A + B)C:::; AC + BC

EJEMPLO 7 Propiedad asociativa

Si

A = [ 1 -3

-2] 4 ' B = [i ~ -1]

2 '

calcular ABC de dos maneras.

Solución: Agrupando BC se obtiene

y

A(BC) ~ [ -; - ¡ J( [ ; O - ; 1 [ ~ m = [ 1 -2] [2 -1] = [-4 -9]

- 3 4 3 4 6 19'


De manera alterna, agrupando AB se obtiene

(AB)C = ([ _~

Observe que A(BC) = (AB)C.

-2 4

-9] 19 .

EJEMPLO 8 Propiedad distributiva

Verificar que A(B + C) = AB + AC si

A = U ~J. Solución: En el lado izquierdo tenemos

-m[~ ~]

n

A(B + C) = [; ~ ] ([ - i ~] + [ - ~ ; ])

= [; ~][ -~ ~J [-4 1J -5 17 .

En el lado derecho,

0J [ -2 1 J [ -4 1 J 9 + -4 8 = -5 17 .

Por tanto, A(B + C) = AB + AC.

EJEMPLO 9 Materia prima y costos

•

•

Suponga que un contratista ha aceptado pedidos para cinco casas estilo rústico, siete estilo moderno y 12 estilo colonial. Entonces, sus pedidos pueden estar representados por el vector renglón

Q = [5 7 12].

Además, suponga que las "materias primas" que se utilizan en cada tipo son acero, madera, vidrio, pintura y mano de obra. Las entradas de la matriz R que sigue dan el


número de unidades de cada materia prima que se usará en cada tipo de cas entradas no necesariamente son realistas, pero se eligieron así por convenie:'

Acero Madera Vidrio Pintura Mano de obra

Rústico [ 5 20 16 7 17

]. Moderno 7 18 12 9 21 Colonial 6 25 8 5 13

Cada renglón indica la cantidad de materia prima necesaria para una clase dada casa; cada columna indica la cantidad de una materia prima dada necesaria cada tipo de casa. Ahora suponga que el contratista desea calcular la cantidad de materia prima necesaria para satisfacer todos sus pedidos. Entonces, tal infonnae' está dada por QR:

QR = [5 7 [

5 20 12] 7 18

6 25

16 7 17] 12 9 21 8 5 13

= [146 526 260 158 388].

Así, el contratista debe ordenar 146 unidades de acero, 526 de madera, 260 de vidn etcétera.

El contratista también está interesado en conocer los costos que tendrá q pagar por estas materias primas. Suponga que el acero cuesta $1500 por unidad, madera $800 por unidad, y vidrio, pintura y mano de obra cuestan $500, $100 $1000 por unidad, respectivamente. Estos datos pueden ser escritos como el vec columna de costo

1500 800

C = 500 100

1000

Entonces RC da el costo de cada tipo de casa:

[

5 20 RC = 7 18

6 25

16 7 17] 12 9 21 8 5 13

1500 800 500 100

1000

[

49,200] = 52,800 .

46,500

Por tanto, el costo de los materiales para la casa rústica es de $49,200, para la casa estilo moderno $52,800 y para la estilo colonial, $46,500.

El costo total de la materia prima para todas las casas está dado por

[

49,200] QRC = Q(RC) = [5 7 12] 52,800 = [1,173,600].

46,500

El costo total es $1,173,600.

Aquí usamos el hecho de que (A T)T :: A.


Otra propiedad de las matrices involucra las multiplicaciones por un escalar y la multiplicación de matrices. Si k es un escalar y el producto AB está definido, entonces

k(AB) = (kA)B = A(kB).

El producto k(AB) puede ser escrito simplemente como kAB. Así

kAB = k(AB) = (kA)B = A(kB).

Por ejemplo,

Existe una propiedad interesante que concierne a la transpuesta de un producto de matrices:

La transpuesta de un producto de matrices es igual al producto, en el orden inverso, de sus. transpuestas.

Esta propiedad puede ser extendida al caso de más de dos factores. Por ejemplo,

(ATBC? = CTBT(AT? = CTBTA.

EJEMPLO 10 Transpuesta de un producto

Sea '

A = U ~] y B = U ~J.

Demostrar que (AB? = BT A T.

Solución: Tenemos

AB = D ;]. de modo que (AB? = U ;J. Ahora,

y

Así

BTAT = U ¿][¿ ;J = [; ;] = (AB)T,

de modo que (AB? = BT A T. •


Al igual que la matriz cero juega un papel importante como identidad suma de matrices, existe una matriz especial, llamada matriz identidad, que juega papel correspondiente en la multiplicación de matrices.

La matriz identidad de n X n, denotada In' es la matriz diagonal cuyas de la diagonal principal son números uno . .

Por ejemplo, las matrices identidad 13 e 14 son

[~ O

~] r~ O O

n 1 O 13 = 1 e 14 = O 1

O O O

Cuando el tamaño de una matriz identidad se entienda que debe ser el apropi para que una operación esté definida, omitiremos el subíndice y sólo la denotarem por l. Debe ser claro que

JI = l.

La matriz identidad juega el mismo papel en la multiplicación de matrices cu el número 1 en la multiplicación de números reales. Esto es, igual que el producto , un número real por 1 es igual al mismo número, el producto de una matriz ·y a

1 matriz identidad es la misma matriz. Por ejemplo,

y

En general, si I es de n x n y A tiene n columnas, entonces Al = A. Si B tiene renglones, entonces lB = B. Además, si A es de n x n, entonces

EJEMPLO 11 Operaciones con matrices que involucran a I y a O

Si

A = U ~J. 1=[6 ~J. y

calcular cada una de las siguientes matrices.

-~] 3 '

10

O = [~ ~J.


a. 1- A. Solución:

I-A=[~ ~] - [i 2] = [ -2 4 -1

-2] - 3 .

b. 3(A - 21). Solución:

3(A - 21) = 3([i ~] - 2[ ~ ~])

= 3([i ~] - [~ ~])

=3C ~] = [; ~J. c. AO.

Solución:

AO = [i ~][~ ~] = [~ ~] = O.

En general, si AO y OA están definidos, entonces

AO = OA = O. d. AB.

Solución:

AB = [i 2] [ ~ 4 -fa ~] = [~ ~] = l.

Si A es una matriz cuadrada, podemos hablar de una potencia de A:

Si A es una matriz cuadrada y p es un entero positivo, entonces la p-ésima potencia de A, escrita AP, es el producto de p factores de A:

Ap= A·A·· ·A. ~

pfactores

Si A es de n x n, definimos AO = I . n

Hacemos notar que Ip = 1.

•


TECNOLOGíA

[A] [[2 -3]

[1 4 ]] [A]A4

[[-107 -252] [84 61 ] ] •

FIGURA 6.4 Potencia de una matriz.

EJEMPLO 12 Potencia de una matriz

Si A = [~ ~ J, calcular A3.

Solución: Como A3 = (A2)A Y

tenemos

Uso de la calculadora gráfica para calcular A4, donde A

en la figura 6.4.

Ecuaciones matriciales

U -¡l esmos

Los sistemas de ecuaciones lineales pueden ser representados utilizando la multi~l cación de matrices. Por ejemplo, considere la ecuación matricial

4 - 3

El producto del lado izquierdo tiene orden de 2 x 1 así que es una matriz columna:

[XI + 4X2 - 2x3J [4J

2xI - 3X2 + X3 = - 3 .

Por la igualdad de matrices, las entradas correspondientes deben ser iguales, de mo que obtenemos el sistema

{

XI + 4X2 - 2x3 : 4

2x1 - 3X2 + X3 - - 3.

De aquí que este sistema de ecuaciones lineales pueda ser definido por la ecuación matricial (1). En general describimos la ecuación (1) diciendo que tiene la forma

AX = B,

dondt A es la matriz obtenida de los coeficientes de las variables, X es una matri columna constituida por las variables y B es una matriz columna obtenida de las constantes. La matriz A es llamada matriz de coeficientes del sistema.


EJEMPLO 13 Forma matricial de un sistema utilizando la multiplicación de matrices

Escribir el sistema

en forma matricial utilizando multiplicación de matrices.

Solución: Si

y

entonces el sistema dado es equivalente a la ecuación matricial

o

EJERCICIOS 6.3

tIA ~ H : =:]. B ~ H AH = C, encuentre cada uno de lo siguiente.

1. CII ' 2. Cn ·

3. Cll' 4. Cll '

5. Cll' 6. C ll ·

-2 4

Si A es de 2 x 3, B de 3 x 1, e de 2 x 5, D de 4 x 3, E de 3 x 2 y F de 2 x 3, encuentre el orden y número de entradas en cada uno de los siguientes incisos.

7. AE. 8. DE.

(9. EC. 10. DB.

11. FB. 12. BA.

13. EA. 14. E(AE).

15. E(FB). 16. (F + A)B.

Escriba la matriz identidad que tiene el orden siguiente.

17.4. 18. 6.

AX = B

En los problemas 19-36 realice las operaciones indicadas.

20l~ nD -2J 4 .

21. [-; ~ ;1[H n . [I O 6 2lm

23. [ ~ ~ - ~][-~ ~] . -2 1 1 2

U [~ l~ -m o g n -1

3 25. [- 1 2 31[ ~ 4 - 1 3

~] . -2

26. [I -4{ -~ n

•


27. r -H2 3 -2 3].

28. [~ ~ J ( [ ~ ~ ~ J + [~ ~ ~ ]) .

2 •. 3([-; -~ i]+2[-: ~ -m[¡ n 30. [=~ ~J[-~ O _~ -IJ -2 .

31. [: ¡]([i ~ -im -m ~J -4([~ ~J[ -~ ~]) .

[~ ! mn 33. aI2J[xIJ . a22 X2

34.

35. [~ 9 ;][::] 36. [~ -!][::l

En los problemas 37-44 calcule las matrices requeridas si

A = [~ -2J [-2 3 ~l 3 ' B= -4 1

[ -1 1] D ~ [~

O n C = ~!' 1 2

E ~ [~ O n F ~ r~

O

n 6 l (;

O O

1 ~ G O n 1 O

37. DI - 1 E. 38. DD.

39. 3A - 2BC. 40. B(D + E).

41. 21 - 4 EF. 42. E(2D - 31).

43. (DC)A. 44. A(BC)

En cada uno de los problemas 45-58 calcule la matriz req da, si existe, dado que

A = [~

45. A2•

47. B3•

49. (AC)Z.

51. (BA?

53. (21)2 - 212•

55. A(I - O).

57. (AB)(AB?

-1 0J 1 1 '

-n Hl

O - 1

O

O O] 1 O , O 1

46. ATA.

48. A(BT)2.

50. AT(2CT) .

52. (2B)T.

54. lAo.

56. ¡TO.

58. B2 - 3B + 21.

En los problemas 59-61 represente el sistema dado utilizando la multiplicación de matrices.

{3X + y = 6,

59. 7x - 2y = 5.

{

4r - s + 3t = 9, 61. 3r - t = 7,

3s + 2t = 15.

{

x + y + z=6, 60. x - y + z = 2,

2x - Y + 3z = 6.

62. Acciones Un agente de bolsa vendió a un cliente 200 acciones tipo A, 300 tipo B, 500 tipo C y 250 tipo D. Los precios por acción deA, B, e y D son $100, $150, $200 y $300, respectivamente. Escriba un vector renglón que represente el número de acciones compradas de cada tipo. Escriba un vector columna que represente el precio por acción de cada tipo. Utilizando la multiplicación de matrices, encuentre el costo total de las acciones.

63. Costo de construcción En el ejemplo 9 suponga que el contratista tiene que construir siete casas estilo rústico, tres estilo moderno y cinco estilo colonial. Utilizando multipr cación de matrices, calcule el costo total de materia prima.

Costos En el ejemplo 9 suponga que el contratista desea " mar en cuenta el costo de transportar la materia prima al

~o gar de la construcción así como el costo de compra. Su~nga que los costos están dados en la matriz que se da a

continuación.

Precio de compra Transporte

[1500 45] Acero

800 20 Madera

C= 500 30 Vidrio 100 5 Pintura

1000 O Mano de obra.

a. Calculando Re, encuentre una matriz cuyas entradas den los costos de compra y de transporte de los materiales para cada tipo de casa.

b. Encuentre la matriz QRC cuya primera entrada dé el precio de compra total y cuya segunda entrada dé el costo total de transporte.

c. Sea Z = DJ calcule QRCZ, que da el costo total de materia

les y transporte para todas las casas que serán construidas.

65. Realice los siguientes cálculos para el ejemplo 6:

a. Calcule la cantidad que cada industria y cada consumidor tienen que pagar por los bienes que reciben.

b. Calcule la utilidad recibida por cada industria.

c. Encuentre la cantidad total de dinero que es pagada por todas las industrias y todos los consumidores. .

d. Calcule la proporción de la cantidad total de dinero determinada en (c) pagada por las industrias . Encuentre la pro-

6.4 Método de reducción 249

porción de la cantidad total de dinero determinada en (c) que es pagada por los consumidores.

66. Si AB = BA, demuestre que (A + B)(A - B) = A 2 - B2

67. Si

A=[~ ~J y B = [ 2 -1

-3J ~ , 2

demuestre que AB = O. Observe que como ni A ni B son la matriz cero, la regla algebraica para los números reales "si ab = O, entonces alguno de a o b es cero" no se cumple para las matrices . También puede mostrarse que la ley de cancelación tampoco es cierta para las matrices. Esto es, si AB = AC, entonces no necesariamente es cierto que B = C.

68. Sean DI y D¡ dos matrices diagonales de 3 x 3. Calculando DP2 y Dp¡ demuestre que:

a. Dp¡ y Dp¡ son matrices diagonales.

b. D¡ Y D¡ conmutan.

l. En los problemas 69-72 calcule las matrices requeridas dado que

A = [ 3.2 -4.1 5.1 J [ L1 48] B = -2.3 3.2 ,

-2.6 1.2 6.8 ' 4.6 - 1.4

Y

c=[-1.2 2.4

1.5J 6.2 .

69. A(2B). 70. -2(BC).

71. (- C)(3A)B. 72. C3.

6.4 MÉTODO DE REDUCCiÓN OBJETIVO Mostrar cómo reducir una matriz y utilizar la reducción de matrices para resolver un sistema lineal.

En esta sección ilustraremos un método por el cual las matrices pueden ser utilizadas para resolver un sistema de ecuaciones lineales, el método de reducción. En el desarrollo del método primero resolveremos un sistema por medio del método usual de eliminación. Después obtendremos la misma solución utilizando matrices .

Consideremos el sistema

{3X - y = 1, x + 2y = 5

(1) (2)

que consiste en dos ecuaciones lineales con dos incógnitas, x y y. Aunque este siste

ma puede ser resuelto por varios métodos algebraicos, lo resolveremos por un método que es fácilmente adaptable a matrices.


Por razones que más adelante serán obvias, empezamos por reemplazar ecuación (1) por la ecuación (2) y la ecuación (2) por la (1), así se obtiene el siste equivalente2

{

X + 2y = 5, 3x - y = 1.

(3) (4)

Multiplicando ambos miembros de la ecuación (3) por - 3 se obtiene -3x - 6y::: _[ Sumando los miembros izquierdo y derecho de esta ecuación a los correspondien . de la ecuación (4) , se obtiene un sistema equivalente en el que x es eliminada de la segunda ecuación:

{X + 2y = 5,

Ox - 7y = -14.

Ahora eliminaremos y de la primera ecuación. Multiplicando ambos miembros de ecuación (6) por -t se obtiene el sistema equivalente

{

X + 2y = 5, Ox + y = 2.

De la ecuación (8), y = 2 Y de aquí -2y = -4. Sumando los miembros de -2y =-4 los correspondientes de la ecuación (7), obtenemos el sistema equivalente

{

X + Oy = 1, Ox + y = 2.

Por tanto, x = 1 Y Y = 2, de modo que el sistema original está resuelto. Observe que en la solución del sistema original se estuvo reemplazando a ést

por un sistema equivalente, que era obtenido realizando una de las siguientes tr operaciones (llamadas operaciones elementales) que dejan la solución sin cambios:

1. Intercambio de dos ecuaciones.

2. Suma de un múltiplo constante de los miembros de una ecuación a los corrp.t

pondientes miembros de otra ecuación.

3. Multiplicación de una ecuación por una constante diferente de cero.

Antes de mostrar un método matricial para resolver el sistema original,

{3X - y = 1,

x + 2y = 5,

primero necesitamos definir algunos términos. Recuerde de la sección 6.3 que la matri

2 Recuerde de la sección 4.4 que dos o más sistemas son equivalentes si tienen la misma solución

6.4 Método de reducc ión 251

es la matriz de coeficientes de este sistema. Las entradas en la primera co lumna corresponden a los coeficientes de las x en las ecuaciones. Por ejemplo, la entrada en el primer renglón y primera columna corresponde al coeficiente de x en la primera ecuación; la entrada en el segundo renglón y primera columna corresponde al coeficiente de x en la segunda ecuación. De forma análoga, las entradas en la segunda columna corresponden a los coeficientes de las y.

Otra matriz asociada con este sistema es la llamada matriz aumentada y está dada por

[i -1 \1] 2 5 .

La primera y segunda columnas son la primera y segunda columnas, respectivamente, de la matriz de coeficientes. Las entradas en la tercera columna corresponden a los términos constantes del sistema: la entrada en el primer renglón de esta columna es el término constante de la primera ecuación, mientras que la entrada en el segundo renglón es el término constante de la segunda ecuación. Aunque no es necesario incluir la línea vertical en la matriz aumentada, sirve para recordarnos que el 1 y el 5 son los términos constantes que aparecen en el lado derecho de las ecuaciones. La matriz aumentada describe por completo al sistema de ecuaciones.

El procedimiento que fue utilizado para resolver el sistema original involucra varios sistemas equivalentes. A cada uno de estos sistemas podemos asociar su matriz aumentada. A continuación se listan los sistemas involucrados, junto con su correspondiente matriz aumentada, los que hemos etiquetado con A, B, e, D y E.

ex - y = 1, x + 2y = 5. [~ - ~ I ~] = ~ .

{ x + 2y = 5, 3x - y = l. [ 1

:1 -~ I n = B.

{ x + 2y = 5, Ox - 7y = - 14. [~ -~ I 5]

- 14 =c.

{ x + 2y = 5, Ox + y = 2. [~ ~ I ~] = D.

{ x + Oy = 1, Ox + y = 2. [~ ~ I ~] = E.

Veamos ahora cómo están relacionadas estas matrices. B puede ser obtenida a partir de A intercambiando el primero y segundo ren

glones de A. Esta operación corresponde al intercambio de dos ecuaciones en el sistema original.

e puede ser obtenida a partir de B sumando a cada entrada del segundo renglón de B, - 3 veces la correspondiente entrada del primer renglón de B:


e = [3 + (~3)(1) - 1 + ~ - 3)(2) 11 + (~3)(5)]

= [~ -; I-l¡J. Esta operación se describe como la suma de -3 veces el primer renglón de B segundo renglón de B.

D puede ser obtenido a partir de e multiplicando cada entrada del segu renglón de e por -f. Esta operación se describe como la multiplicación del se do renglón de e por -+- '

E puede ser obtenido a partir de D sumando -2 veces el segundo renglón al primer renglón de D.

Observe que E, que en esencia proporciona la solución, fue obtenida a p de A al realizar de manera sucesiva una de las tres operaciones matriciales, llam operaciones elementales sobre renglones:

Operaciones elemental~ sobre renglones

, Intercambio de dos renglones de una matriz;

Suma de un múltiplo de un renglón de una matriz a un renglón esa matriz; ' .

Multiplicación de un renglón de una matriz por un escalar diferente de cer

Estas operaciones elementales sobre renglones corresponden a las tres operacion elementales utilizadas en el método algebraico de eliminación. Cuando una mat . pueda ser obtenida a partir de otra por una o más de las operaciones elemental sobre renglones, decimos que las matrices son equivalentes. Así A y E son equiv lentes. (También podríamos obtener A a partir de E realizando operaciones simil sobre renglones en el sentido opuesto, de modo que el término equivalentes es apr piado.) Cuando se describan operaciones elementales sobre renglones, por conveniencia usaremos la notación siguiente:

Notación

R.HR. I )

kR . I

Operactón sobre renglón correspondiente

Intercambiar los renglones R. y R. I )

Multiplicar el renglón R¡ por la constante k

Sumar k veces el renglón R¡ al renglón Rj (pero el renglón R¡ permanece igual)

Por ejemplo, escribiendo

[~ [~ o

-2 O

significa que la segunda matriz fue obtenida de la primera al sumar -4 veces el primer renglón al segundo. Observe que podemos escribir (-k)R¡ como -kR¡.


Ahora estamos preparados para describir un procedimiento matricial para resolver un sistema de ecuaciones lineales. Primero, formamos la matriz aumentada del sistema; después, por medio de operaciones elementales sobre renglones, determinamos una matriz equivalente que indique claramente la solución. Siendo más específicos en lo que queremos decir por una matriz que indique claramente la solución es una matriz, llamada matriz reducida que se define como sigue:

Matriz reducida

Una matriz se dice que es matriz reducida3 si se satisface lo siguiente:

1. Si un renglón no consiste solamente en ceros,. entonces la primera entrada diferente de cero en el renglón, llamada la entrada principal, es 1, mientras que todas las demás entrada~ en la columna en la que el 1 aparece son ceros.

2. En cada renglón, la primera entrada diferente de cero está a la derecha de la primera entrada diferente de cero de cada renglón arriba de él.

3. Todos los renglones que consistan únicamente en ceros están en la parte inferio~ 'de la matriz.

En otras palabras, para resolver el sistema debemos encontrar la matriz reducida equivalente a la matriz aumentada del sistema. En nuestro estudio anterior de operaciones elementales sobre renglón, la matriz:

es una matriz reducida.

EJEMPLO 1 Matrices reducidas

Para cada matriz que Se muestra a continuación, determine si es reducida o no.

[~ ~J. b. [~ O ~J. a.

[~ ~ J. d. [~ O ~J. c. O

[~ O n f. [~

1 O n e. O O 1 1 O O

Solución:

a. No es una matriz reducida porque la entrada principal en el segundo renglón no es 1.

b. Matriz reducida.

3 O en forma escalonada reducida .

r 254 6 ÁLGEBRA MATRICIAL

c. No es una matriz reducida, porque la entrada principal en el segundo rengl6 se encuentra a la derecha de la primera entrada diferente de cero en el pr~ renglón.

d. Matriz reducida.

e. No es una matriz reducida, porque el segundo renglón, que consiste solamente ceros, no está en la parte inferior de la matriz.

f. Matriz reducida.

EJEMPLO 2 Reducción de una matriz

Reducir la matriz

o -6

-12

1 -3

2 .~] .

11

Estrategia: Para reducir la matriz, debemos hacer que la entrada princiRal 1 en el primer renglón, un 1 en el segundo renglón y así sucesivamente, n llegar a renglones de ceros, si los hay. Además, debemos trabajar de izq¡sier derecha ya que el 1 inicial en cada renglón debe encontrarse a la izqui~tda los otros unos iniciales en los renglones de abajo.

Solución: Ya que no existen renglones de ceros para moverlos a la parte inferior, proc demos a encontrar la primera columna que tenga una entrada diferente de cero; es 1 columna l. Esto significa que en la matriz reducida, el 1 inicial en el primer rengl estará en la columna l . Para empezar, intercambiaremos los primeros dos renglones modo que la entrada diferente de cero esté en el primer renglón de la columna l.

[~ O 1

1~] -6 -3 -12 2

[~ -6 -3

~l RI H R, O 1 - )

-12 2 1 I

Ahora multiplicamos el renglón 1 por t de modo que la entrada principal sea un l.

~ R , [~ -2 -1

~l O I -12 2 II

Ahora, ya que debemos tener ceros abajo (y arriba) de cada I inicial , sumamoS veces el renglón 1 al renglón 3:

[~ -2 - 1

~l - 6R , + R'J O I O 8 11

La secuencia de pasos que se utiliza pIt8 reducir una matriz no es única; ala embargo, la forma reducida sí es

dalca.

TECNOLOGíA


Nos movemos a la derecha de la columna 1 para encontrar la primera columna que tenga una entrada diferente de cero en el renglón 2 o abajo de él; es la columna 3. Esto significa que en la matriz reducida, el 1 inicial en el segundo renglón debe estar en la columna 3. La matriz anterior ya tiene el 1 ahí. Así que todo lo que necesitamos para obtener ceros abajo y arriba del 1 es sumar una vez el renglón 2 al renglón 1, Y sumar -8 veces el renglón 2 al renglón 3:

- RR~ + R, [~ -2 O

O 1 O O

;]. -5

Otra vez nos movemos a la derecha para encontrar la primera columna que tenga una entrada diferente de cero en el renglón 3; es la columna 4. Para hacer la entrada principal igual al, multiplicamos el renglón 3 por -+:

[~ Por último, para hacer todas las demás entradas de la columna 4 iguales a cero, sumamos -2 veces el renglón 3 a los renglones 1 y 2:

- 2R,+R,) [00

1 -~O °01 ~1· ]· - 2R , + R,

La última matriz está en forma reducida. •

Aunque las operaciones elementales sobre renglones pueden ser realizadas en una

calculadora gráfica, el procedimiento es muy engorroso.

El método de reducción descrito para resolver nuestro sistema original puede ser generalizado a sistemas de m ecuaciones lineales con n incógnitas . Resolver un sistema tal como

implica

a"x, + a12x2 + a2'x, + a22 x2 +

+ a'nXn = c" + a2nX" = C2,

1. determinar la matriz aumentada del sistema:

256 6 Á LG EBRA MATRIC IAL

amn Cm

y

determinar una matriz reducida tal que la matriz aumentada sea equivalen ella.

Con frecuencia, el paso 2es llamado reducción de la matriz aumentada.

EJEMPLO 3 Solución de un sistema por reducción

Utilizando la reducción de matrices, resolver el sistema r + 3y ~ -1. 2x + Y = 5, x+ y= l.

Solución: Reduciendo la matriz aumentada del sistema, tenemos

D 3 -n RIH R¡

D 1

-i] 1 1 1 3

- 2R, + R,

G 1 j] I ~1

3

-2RI+ Rl [~ 1 j] ) -1 1

(-llR) [~ 1 -!] 1 -3

- R¡ + R, [~ O -~] 1

-3

-R) + R¡

G O -H 1 O


La última matriz está reducida y corresponde al sistema

{

X + Oy = 4, Ox + y = -3, Ox + Oy = O.

Ya que el sistema original es equivalente a este sistema, tiene una solución única, a saber

x = 4,

Y = -3.

EJEMPLO 4 Solución de un sistema por reducción

Utilizando la reducción de matrices, resolver

{

X + 2y + 4z - 6 = O, 2z + y - 3 = O,

x + y + 2z - 1 = O.

•

Solución: Reescribiendo el sistema de modo que las variables estén alineadas y los términos constantes aparezcan en los miembros derechos de las ecuaciones, tenemos

{

X + 2y + 4z = 6, Y + 2z = 3,

x+ y+2z=1. ·

Reduciendo la matriz aumentada, tenemos

[~ 2 4 1 2 1 2

[~ 2 4 1 2

-1 ..,..2

:] J]

- 2R~ + RI )

(1 )R~ + R, [~ O TtJ] 1 O

[~ O O

:] 1 2 O O

[i O O n 1 2. '~P~ .

O O

•


Cada vez que obtengamos un renglón sólo con ceros aliado izquierdo de la raya vertical y una entrada diferente de cero a la derecha, no existe solución.

•

La última matriz es reducida y corresponde a

{

X = O, Y + 2z = O,

0= l.

Como O '# 1, no existen valores de x, y y z para los cuales todas las ecuaciones -;atisfechas de manera simultánea. Por tanto, el sistema original no tiene solución.

EJEMPLO 5 Forma paramétrica de una solución

Utilizando la reduq:ión de matrices, resolver

Solución: Reduciendo la matriz aumentada, tenemos

-~Rl + R, - )

~R2 + RJ

2R, + R, )

- 2RJ + Rl

3 1 O

3 2

2 2

-3

1

1 2 0-3

3 2

O

1 O

O 1

O

O

1 O

2

-6

-2

2 3

-2 2

1

O

O

Esta matriz es reducida y corresponde al sistema

6 1 6

3

1 6

3

1 -3

3 2

3 2

3 2

1 2

~ 2

O I 2

l~]

~]

J ~]

n ~]

EJERCICIOS 6.4

Por tanto,


X I = -~X4 + 4,

X2 = O,

(9)

(10)

(11)

(12)

Si x4

es cualquier número real, r, entonces las ecuaciones (9), (10), (11) Y (12) , determinan una solución particular para el sistema original. Por ejemplo, si r = O (esto es, x

4 = O), entonces una solución particular es

XI = 4, X2 = O, X3 = 1, Y X4 = O.

Si r = 2, entonces

XI = - 1, X2 = O, X3 = O, Y

Recuerde [véase el ejemplo 3 de la sección 4.4] que la variable r, de la cual dependen XI' x

3 y x

4 es llamada parámetro. 'Existe un número infinito de soluciones para el

sistema -una correspondiente a cada valor del parámetro-o Decimos que la solución general del sistema original está dada por

X2 = O,

X3 = -4r + 1,

donde r es cualquier número real, y decimos que se tiene una familia de solucione~ con un parámetro. •

Los ejemplos del 3 al5 ilustran el hecho de que un sistema de ecuaciones lineales puede tener una solución única, ninguna solución o un número infinito de soluciones.

En cada uno de los problemas 1- 6 determine si la matriz es re- En cada problema 7-12 reduzca la matriz dada. ducida o no.

1. [~ ~]. 2. [ ~ ;]. 7. [! ~ ]. 8. [~ -2 O !]. O O 2 O O 1

3. [¡ O n 4. [~ n [2 4 6] 10. [1 -!] 1 9. 1 2 3 . 8 .

O 123 7

5. [¡ O O

n •. [~ O

n ll·[-l O 3

H 12. [¡ O

n 1 O O 4 2 O O 1 1 3 1 - 1 O O O 2 4


Por el método de reducción, resuelva los sistemas de los problemas 13-26.

{2.x + 3y = 5,

13. x - 2y = - l.

{ 3x + y = 4,

15. 12.x + 4y = 2.

{

X + 2y + z - 4 = 0, 17. 3x + 2z - 5 = O.

{X + 2y + 5z - 1 = 0,

18. x + y + 3z - 2 = O.

{

XI - 3X2 = 0, 19. 2.x1 + 2.x2 : 3,

5xI - X2 - 1.

{

XI + 3X2 = 5, 20. 2xI + X2 = 5,

XI + X2 = 3.

21.

22.

23.

24.

25.

{

X - Y - 3z = - 4, 2.x - Y - 4z = -7,

X + Y - z = -2.

{; ~ 3~ = 2~: ~: X - Y - 5z = 18.

{

2.x - 4z =

X - 2y - 2z = x+ y-2z=

3x + y + Z =

{

X + 3z = 3x + 2y + Ilz =

x + y + 4z =

2.x - 3y + 3z =

8, 14,

-1, O.

-1 , 1, 1,

-8.

{

XI + X2 - XJ + X4 + Xj : 0, XI + X2 + XJ - X4 + x) - 0, XI - X2 - Xl + X4 - X s = 0,

XI + X2 - X l - X4 - X) = O.

{

X - 3y = -11, 14. 4x + 3y = 9.

{

X + 2y - 3z = 0, 16. _ 2.x - 4y + 6z = l.

Resuelva los problemas 27-33 utilizando la reducción de matrices.

27. Impue~tos Una compañía tiene ingresos gravables por $312,000. El impuesto federal es un 25% de la parte que queda después que el impuesto estatal ha sido pagado. El impuesto

estatal es el 10% de la parte que queda después que el t puesto federal ha sido pagado. Encuentre el monto de impuestos federal y estatal.

28. Toma de decisiones Un fabricante produce dos produ A y B. Por cada unidad que vende de A la ganancia es de y por cada unidad que vende de B la ganancia es de $1\. la experiencia se ha encontrado que puede ser vendido ~ más de A que de B. Para el año siguiente el fabricante una ganancia total de $42,000. ¿Cuántas unidades de producto debe vender?

29. Planeación de producción Un fabricante produce trea tículos A, B Y C. La utilidad por cada unidad vendida de By C es uno, dos y tres dólares, respectivamente. Los co fijos son de $17,000 por año y los costos de producción cada unidad son $4, $5 y $7, respectivamente. El afio guiente serán producidas y vendidas un total de 11 ,000 dades entre los tres productos y se obtendrá una utilidad tal de $25,000. Si el costo total será de $80,000, ¿cu unidades de cada producto deberán producirse el afio guiente?

30. Asignación de producción Escritorios Nacionales ti plantas para la producción de escritorios en la costa Este y en Oeste. En la planta de la costa Este, los costos fijos son $16, por año y el costo de producción de cada escritorio es de·S En la planta Oeste, los costos fijos son de $20,000 por ailo y costo de producción de cada escritorio es de $80. El año guiente la compañía quiere producir un total de 800 escrit rios. Determine la producción de cada planta para el año pro mo si el costo total de cada una debe ser el mismo.

31. Vitaminas A una persona le prescribió el doctor tom8ll1 unidades de vitamina A, 9 unidades de vitamina D y 19 un dades de vitamina E diariamente. La persona puede ele entre tres marcas de píldoras vitamínicas. La marca X e

· ne 2 unidades de vitamina A, 3 de vitamina D y 5 de vita\I~na E; la marca y tiene 1,3 Y 4 unidades, respectivamente; ~8 marca Z tiene 1 unidad de vitamina A, ninguna de vita~n8 D Y I unidad de vitamina E.

Encuentre todas las combinaciones posibles de píldoras que ,. proporcionen de manera exacta las cantidades requeridas.

b. Si la marca X cuesta 1 centavo cada píldora, la marca Y 6 centavos Y la marca Z 3 centavos, ¿existe alguna combinación de la parte :(a) que cueste exactamente 15 centa

vos por día?

c. ¿Cuál es la combinación menos cara de la parte (a)? ¿La

más cara?

3Z, Producción Una compañía produce tres artículos, A, B Y e, que requiere se procesen en tres máquinas, 1, II Y lII. El tiempo en horas requerido para el procesamiento de una, unidad de cada producto por las tres máquinas está dado por

1 II III

A 3 I 2

B 1 2 I

C 2 4 1

6.5 Método de reducción (continuac ión) 261

La máquina 1 está disponible 850 horas, la 11 durante 1200 horas y la III durante 550 horas. Encuentre cuántas unidades de cada artículo deben ser producidas para utilizar todo el tiempo disponible de las máquinas .

33. Inversiones Una compañía de inversiones vende tres tipos de fondos de inversión, estándar (E), de lujo (D) y Gold Star (G).

Cada unidad de E tiene 12 accioI;les tipo A, 16 tipo B y 8 tipo C.

Cada unidad de D tiene 20 acciones tipo A, 12 B Y 28 C.

Cada unidad de G tiene 32 acciones tipo A, 28 B Y 36 C.

Suponga que un inversionista óesea comprar exactamente 220 acciones tipo A, 176 tipo B y 264 tipo C comprando unidades de los tres fondos .

a . Determine las combinaciones de unidades E, Dy G que satisfagan los requerimientos del inversionista.

b. Suponga que cada unidad de E (respectivamente de D. G) cuesta al inversionista $300 (respectiva~ente, $400 y $600) . ¿Cuáles de las combinaciones de la parte (a) minimizarán el costo total del inversionista?

6.5 MÉTODO DE REDUCCiÓN (CONTlNUACIÓN)4 OBJETIVO Centrar la atención en los sistemas no hotnogéneos que involucran más de un parámetro en su solución general. Resolver y considerar la teoría de sIstemas homogéneos.

Como vimos en la sección 6.4, un sistema de ecuaciones lineales puede tener solución única, ninguna solución o un número infinito de soluciones. Cuando existe un número infinito de soluciones, la solución general está expresada en términos de al menos un parámetl,"o. Por ejemplo, la solución general en el ejemplo 4 se dio en términos del parámetro r.

XI = -~r + 4,

X2 = O,

X J = -tr + 1,

En ocasiones, es necesario más de un parámetro,5 como lo muestra el ejemplo siguiente.

EJEMPLO 1 Familia de soluciones con dos parámetros

Utilizando la reducción de matrices, resolver

{

XI + 2x2 + 5xJ + 5X4 = -3, XI + X2 + 3xJ + 4X4 = - 1, XI - X2 - XJ + 2X4 .= 3.

4 Esta sección puede ser omitida. s Véase el ejemplo 7 de la sección 4.4.


Solución: La matriz aumentada es

[¡ 2 5 5 -3] 3 4 - 1 ,

-1 - ] 2 3

cuya forma reducida es

[~ O 3

-H 1 2 ]

O O O

De aquí

{x¡ + x ) + 3X4 = 1, X2 + 2x) + X4 = -2,

a partir de 10 cual

Ya que no hay restricción sobre x) ni sobre x4

' pueden ser cualesquier números les , dándonos una familia paramétrica de soluciones. Haciendo x) = r y x4 = S , P mos obtener la solución del sistema dado como

x¡ = ] - r - 3s,

X2 = - 2 - 2r - s,

donde los parámetros r y s pueden ser cualquier número real. Asignando valores es cíficos a r y s, obtenemos soluciones particulares. Por ejemplo, si r = 1 Y s = 2, ento ces la correspondiente solución particular es x¡ = -6, x2 = -6, x ) = 1 Y x4 = 2.

Es costumbre clasificar a un sistema lineal de ecuaciones como homogéneo o como no homogéneo, dependiendo de si todos los términos constantes son o no iguales a cero.

Definición

El sistema

a ¡¡x¡ + a¡2x2 + a2¡x¡ + a22 x) +

+ a¡"x"

+ a2" x"

el ,

e2,

es llamado sistema homogéneo si e¡ = e, = ... = e = O. El sistema es un sistema no _ m

homogéneo si al menos una de las e no es igual a eero.

6.5 Método de reducción (continuación) 263

EJEMPLO 2 Sistemas no homogéneos y homogéneos

El sistema

{2X + 3y = 4,

3x - 4y = ° es no homogéneo a causa del 4 en la primera ecuación. El sistema

es homogéneo.

Si el sistema homogéneo

{2X + 3y = 0,

3x - 4y = °

{2X + 3y = 0,

3x - 4y = °

•

fuera resuelto por el método de reducción, primero la matriz aumentada sería escrita como

Observe que la última columna es solamente de ceros. Esto es común en la matri z aumentada de cualquier sistema homogéneo. Entonces reduciríamos esta matriz utilizando las operaciones elementales sobre renglones:

La última columna de la matriz reducida también tiene ceros solamente. Esto no ocurre por casualidad. Cuando cualquiera de las operaciones elementales sobre renglón es realizada sobre una matriz que tiene una columna que consiste solamente en ceros, la columna correspondiente de la matriz resultante también tiene ceros solamente. Cuando resolvamos un sistema homogéneo por reducción de matrices, por conveniencia acostumbraremos eliminar la última columna de la matriz involucrada. Esto es, reduciremos sólo la matriz de coeficientes del sistema. Para el sistema anterior tendríamos

Aquí la matriz reducida, llamada matriz coeficiente reducida, corresponde al sistema

{

X + Oy = O, Ox + y = 0,

de modo que la solución es x = ° y y = O.


Ahora consideraremos el número de soluciones del sistema homogéneo

al l xl + al2x 2 + a 21X I + a 22 X2 +

+ al" x" = O, + a 2" x " = O,

+ amnX" = O.

Una solución siempre ocurre cuando Xl = O, X2 = O, ... , Y X" = O ya que cada ecuac¡j se satisface para estos valores. Esta solución, llamada solución trivial, es una S

ción de todo sistema homogéneo. Existe un teorema que nos permite determinar si un sistema homogéneo tie

una solución única (la solución trivial) o un número infinito de soluciones. El teo ma está basado en el número de renglones diferentes de cero que aparecen en matriz reducida del sistema. Un renglón diferente de cero es un renglón que consiste solamente en ceros.

Sea A la matriz reducida. de un sistema homogéneo en m ecuaciones lin¡j con n incógnitas. Si A tiene exactamente k renglones diferentes de cero, enices k ::; n. Además,

a. si k < n, el sistema tiene un número infinito de soluciones;

y

b. si k = n, el 'Sistema tiene una única solución (la solución trivial) ,

Si un sistema homogéneo consiste en m ecuaciones con n incógnitas, entone la matriz de coeficientes del sistema tiene orden m x n. Por tanto, si m < n y k es ~ número de renglones diferentes de cero en la matriz reducida, entonces k ::; m y as! < n. Por el teorema, el sistema debe tener un número infinito de soluciones. En consecuencia tenemos lo ·siguiente.

Un sisteIha homogéneo de eéuacion~s lineales con menos ecuadones que ' cógnitas tiene un númerO infinito de soluciones.

ADVERTENCIA

El teorema anterior y el corolario sólo se aplican a sistemas homogéneos de ecuaciones lineales, considere el sistema

{

X + y - 2z = 3, 2x + 2y - 4z = 4,

que consiste en dos ecuaciones lineales con tres incógnitas. No podemos concluir que este sistema tiene un número infinito de soluciones ya que no es homogéneo. En realidad, debemos verificar que este sistema no tiene solución.

6.5 Método de reducción (continuación) 265

EJEMPLO 3 Número de soluciones de un sistema homogéneo

Determinar si el sistema

{

X + y - 2z = O, . 2x + 2y - 4z = O

tiene solución única o un número infinito de soluciones .

Solución: Hay dos ecuaciones en este sistema homogéneo y este número es menor que el número de incógnitas (tres). Por tanto, por el corolario anterior, el sistema tiene un número infinito de soluciones. •

EJEMPLO 4 Solución de sistemas homogéneos

Determinar si los sistemas homogéneos siguientes tienen solución única o un número infinito de soluciones; después resolver los sistemas.

{

X - 2y + z = O, a. 2x - y + 5z = O,

x + y + 4z = O.

Solución: Reduciendo la matriz de coeficientes, tenemos

[~ - 2 -1 1] [1 O 5 ~ ... ~ O 1

4 O O

El número de renglones diferentes de cero (2) en la matriz reducida es menor que el número de incógnitas (3) en el sistema. Por el teorema anterior, existe un número infinito de soluciones.

Ya que la matriz reducida corresponde a

{X + 3z = O, Y + z = O,

la solución puede ser dada en forma paramétrica por

donde r es cualquier número real.

{

3X + 4y = O, x - 2y = O,

h. O 2x+ y= , 2x + 3y = O.

x = -3r,

y = -r,

z = r,


EJERCICIOS 6.5

Solución: Reduciendo la matriz de coeficientes, tenemos

f3 41 fl 01 1 -2 O 1 ; ;~ ... ~~~.

El número de renglones diferentes de cero (2) en la matriz reducida es igual . número de incógnitas en el sistema. Por el teorema, el sistema debe tener solu. ción única, a saber, la solución trivial x = O, Y = O.

En los problemas 1-8 resuelva los sistemas utilizando la reducción de matrices.

{

Xl + 2x3 + X4 + 4Xj = X2 + X3 - 3X4 =

8. 4xI - 3X2 + 5X3 + 13x4 + 16xj = XI + 2x2 + 4X3 - 5X4 + 4xj =

1, -2, 10,

- 3.

{

W - x - y + 4z = 5, 1. 2w - 3x - 4y + 9z = 13,

2w + x + 4y + 5z = l.

{

3W - x + 12y + 18z = -4, 2. W - 2x + 4y + Ilz = - 13,

w + x + 4y + 2z = 8.

{

3W - x - 3y - z = - 2, 2w - 2x - 6y - 6z = -4,

3. 2w - x - 3y - 2z = - 2, 3w + x + 3y + 7z = 2.

{

w + x + 5z = 1,

w + y + 2z = 1, 4. w - 3x + 4y - 7z = 1,

x - y + 3z = O.

{2:: ~: ~~ = 2~: ~:

5. 2w - x + 3y - 2z = - 8, 3w + 2x + 8y - 3z = 2,

w + 2y - z = -2.

{

w + x + y + 2z = 4, 2w + x + 2y + 2z = 7,

6. w + 2x + y + 4z = 5, 3w - 2x + 3y - 4z = 7, 4w - 3x + 4y - 6z = 9.

7. {4X I - 3X2 + 5X3 - IOx4 + Ilxj = -8, 2x1 + X2 + 5X3 + 3xj = 6.

Para cada uno de los problemas 9-14 determine si el sistema ¡ tiene un número infinito de soluciones o sólo la solución trivia( ' No resuelva los sistemas.

9. {o~~~~ = ~:!~ : ~:~~~ : ~: {

3W + 5x - 4y + 2z = O, 10. 7w - 2x + 9y + 3z = O.

{

3X - 4y = O, 11. x + 5y = O,

4x - y = o.

{

X + y + Z = O, 13. x - z = O,

x - 2y - 5z = O.

{

2x + 3y + 12z = 0, 12. 3x - 2y + 5z = 0,

4x + y + 14z = O.

{

2x + 5y = O, 14. x + 4y = O,

3x - 2y = O.

Resuelva cada uno de los siguientes sistemas.

15. { x + y = O,

3x - 4y = O. 16 {2x - 5y = O,

• 8x - 20y = O.

17. { x + 6y - 2z = O,

2x - 3y + 4z = O. 18. {4X + 7y = O,

2x + 3y = o. r + y = 0, rx -3y + 2," 0, 19. 3x - 4y = O, 20. x + 2y + 3z = 0,

5x - 8y = O. x + y + z = O.

{

X + y + 2 = 0,

5x - 2y - 92 : 0, ji. 3x + v - 2 - 0,

3x - 2y - 7z = O.

¡X + Y + 7z = 0, X - Y - z = 0,

J3. 2x - 3y - 6z = 0,

3x + Y + 13z = O.

s OiJETIVO f)eterminar la inversa de una matriz invertible Y utilizar las inversas para resolver sistemas.

6,6 Inversas 267

6.6 INVERSAS

22. {

IV + X + V + 4~ = 0, w + x + 5z = 0,

2w + x + 3y + 42 = 0, W - 3x + 2y - 9z = O.

24. w 2x y + z - 0,

{

w ~ x ~ 2y + 7z : 0,

w + 2x + 3y + 9z = 0, 2w - 3x - y + 4z = O.

Hemos visto cuán útil es el método de reducción para resolv0r sistemas de ecuaciones lineales. Pero eso no significa que sea el único método que utiliza matrices. En esta sección estudiaremos un método diferente que se aplica a ciertos sistemas de 11

ecuaciones lineales con n incógnitas . En la sección 6.3 mostramos cómo un sistema de ecuaciones lineales puede

ser escrito en forma matricial como una sola ecuación matricial AX = B, donde A es la matriz de coeficientes. Por ejemplo, el sistema

{XI + 2x, : 3, XI - X, - 1

puede ser escrito en la forma matricial AX = B, donde

A = [: 2] X = [XI] -1 ' X2 '

y B = [~]. Si podemos determinar los valores de las entradas de la matriz de incógnitas X, tendremos una solución para el sistema. Así, nos gustaría encontrar un método para resolver la ecuación matricial AX = B, para X. Una motivación es proporcionada examinando el procedimiento de solución de la ecuación algebraica ax = b. La última ecuación se resuelve simplemente multiplicando ambos miembros por el inverso multiplicativo de a. [Recuerde que el inverso multiplicativo de un número a diferente de cero está denotado por a-1 (que es l/a) y tiene la propiedad de que a- I a = l .] Por ejemplo, si 3x = 11, entonces

11 X = -.

3 así que

Si podemos aplicar un procedimiento semejante a la ecuación matricial

AX = B, (1)

entonces necesitamos un inverso multiplicativo de A, esto es, una matriz C tal que CA = I. Entonces basta con multiplicar ambos miembros de la ecuación (1) por C:

C(AX) = CB,

(CA)X = CB,

IX = CB,

X = CB. (2)


Por lo tanto la solución es x = eB. Por supuesto, este método está basadQ existencia de una matriz e tal que eA = 1. Cuando tal matriz existe, decimos q una matriz inversa (o simplemente inversa) de A.

Definición

Si A es una matriz cuadrada y existe una matriz e tal que eA = 1, entonces .' llamada inversa de A, y A se dice que es in vertible (o no singular).

EJEMPLO 1 Inversa de una matriz

[ 7 -2] r 1 2] [1 0] eA = _ 3 1 3 7 = . ° 1 = 1,

la matriz e es la inversa de A.

Puede demostrarse que una matriz invertible tiene una, y sólo una, inve: esto es, la inversa es única. Así en el ejemplo 1, la matriz e es la única matriz tal eA = l. Por esta razón podemos hablar de la inversa de una matriz in vertible· que denotamos por el símbolo A-l. Así, A-lA = l . Además, aunque la multiplicac' matricial generalmente no es conmutativa, es un hecho que A-l conmuta con A: ~

A- lA = AA- l = l.

Regresando a la ecuación matricial AX = B, de la ecuación (2) podemos es blecer lo siguiente:

Si A es una matriz invertible, entonces la ecuación matricial AX = B tiene s~: ción única X = A-lB.

EJEMPLO 2 Uso de la inversa para resolver un sistema

Resolver el sistema

{

XI + 2x2 = 5, 3x, + 7X2 = 18.

Solución: En forma matricial tenemos AX = B, donde

En el ejemplo 1 mostramos que

A - 1 = [ 7 -2] -3 l '

6.6 Inversas 269

Así

x = A-lB = [ 7 -2J[ 5J [- IJ - 3 l 18 3 '

de modo que X I = -1 Y x2 = 3. • •

Con el fin de aplicar el método del ejemplo 2 a un sistema, se deben cumplir dos condiciones:

El sistema debe tener el mismo número de ecuaciones que de incógnitas.

La matriz de coeficientes debe ser invertible.

Por lo que concierne a la condición 2, le advertimos que no todas las matrices cuadradas son invertibles. Por ejemplo, si

A = [~ ~l entonces

De aquÍ que no exista matriz que posmultiplicada por A produzca la matriz identidad. Por tanto, A no es invertible.

Antes de estudiar un procedimiento para encontrar la inversa de una matriz invertible, introducimos el concepto de matrices elementales. Una matriz elemental de n x n es una matriz obtenida a partir de la matriz identidad 1 de n x n por medio de una operación elemental sobre renglón. Así existen tres tipos básicos de matri ces elementales:

1. Una obtenida por medio de intercambio de dos renglones de 1;

2. Una obtenida por medio de la multiplicación de cualquier renglón de 1 por un escalar diferente de cero;

3. Una obtenida por medio de la suma de un múltiplo constante de un renglón de 1 a cualquier otro renglón.

EJEMPLO 3 Matrices elementales

Las matrices

[1 O O]

El = O O 1 , O 1 O

son matrices elementales. El es obtenida a partir de la matriz identidad de 3 x 3 intercambiando el segundo y el tercer renglones . E

2 es obtenida a partir de la matri z

identidad de 2 x 2 multiplicando el primer renglón por -4. E3 es obtenida a partir de la matriz identidad de 2 x 2 sumando 3 veces el primer renglón al segundo. •


Suponga que E es una matriz elemental de n x n obtenida a partir de 1 cierta operación elemental sobre renglón, y A es una matriz de n x n. Enton puede demostrarse que el producto EA es igual a la matriz obtenida a partir de aplicando la misma operación elemental sobre renglón a A. Por ejemplo, sea

[1 -2] E3 = O l'

Observe que El' E2 Y EJ son matrices elementales, El es obtenida intercambiando primero y el segundo renglones de 1. Del mismo modo, el producto

es la matriz obtenida de A intercambiando el primero y segundo renglones de A. matriz E

2 se obtiene multiplicando el segundo renglón de 1 por 2. En consecuenci

el producto

es la matriz obtenida al multiplicar el segundo renglón de A por 2. La matriz El obtenida sumando -2 veces el segundo renglón de 1 al primer renglón. El producto

E A = [1 -2] [1 2] = [-5 -6] J O 134 34

es la matriz obtenida a partir de A por lil misma operación elemental sobre rengl6 Si queremos reducir la matriz

A = U ~J. podemos proceder a través de una secuencia de pasos como se muestra a continuaci6n

Observe que A se reduce a 1. Ya que nuestro proceso de reducción involucra operaciones elementales sobre renglones, parece natural que las matrices elementales puedan ser utilizadas para reducir A. Si A es premultiplicada por la matriz elemental El

= [_ i ~J. entonces ElA es la matriz obtenida a partir de A sumando - 2 veces el

primer renglón al segundo renglón:

6.6 Inversas 271

I 1 0] [1 0] [ J 0] EIA = L - 2 J 2 2 = ° 2 .

Premultiplicando EIA por la matriz elemental E2 = [6 +J da la matriz obtenida al

multiplicar el segundo renglón de E1A por +:

Así hemos reducido A multiplicándola por un producto de matrices elementales. Como (E2E l)A = E/E1A) = 1, el producto EZEl es A-l. Así que,

Por tanto, A - 1 puede ser obtenida aplicando las mismas operaciones elementales sobre renglones, empezando con 1, que fue utilizada para reducir A a l.

[ -~ ~J. Por lo tanto,

_ 1 [ 1 0] A = -1 ~ .

Nuestro resultado puede verificarse demostrando que A-lA = 1:

_ 1 _ [ 1 0] [1 0] _ [1 0]_ A A - _ 1 ~ 2 2 - ° 1 - l.

En resumen, para encontrar A-l aplicamos las operaciones elementales sobre renglones, empezando con I y procediendo en el mismo orden, que fueron utilizadas para reducir A a 1. Determinar A -1 por esta técnica puede hacerse de manera con veniente usando el formato siguiente. Primero escribimos la matriz

[1 ° 11 0] [A 11] = 2 2 ° 1 .

Después aplicamos operaciones elementales sobre renglones hasta que [AII] sea equivalente a una matriz que tenga a I en sus primeras dos columnas. Las últimas dos columnas de esta matriz serán A-l. De esta manera

[A I 1] = [; ~ 1

1 0] [1 ° I 1 0] ° 1 ~ ° 2 -2 1

[1 ° I 1 0] - - 1 ~ ° 1 -1 ~ - [1 lA] .

Observe que las primeras dos columnas de [1/A-1] forman una matriz reducida.


Una matriz es invertible si y sólo si, es equivalente a la matriz identidad.

Este procedimiento puede utilizarse también para encontrar la inversa quier matriz invertible:

Método para encontrar la inversa de una matriz

Si M es una matriz invertible de n x n, formar la m~triz de n x (2n), .~ Después realizar operaciones elementales sobre renglones hasta que las ras n columnas formen una matriz reducida igual a l. Las últimas n serán M-l.

[M I 1] ~ ... ~ [1 I M-l].

Si \loa matrjz M no se reduce a I,entoncés M-l no existe.

EJEMPLO 4 Determinación de la inversa de una matriz

Determinar A-l si A es invertible.

A~D O -2] a. -2 1 . 2 -10

Solución: Siguiendo el procedimiento anterior, tenemos

n O -2 1 O

~] [A I 1] = -2 1 O 1 2 -10 O O

-4R, + R2 [~ O -2 1 O

~] , -2 9. -4 1 -IR, + R, 2 -8; -1 O

-4R¡ [~ O -2 1 O

~] 1 _2 2 -1 2 2

2 -8 -1 O

-2R2 + R3 [~ O -2 1 O

~] ) 1 _2 2 1 2 -2

O 1 -5 1

[~ ' 0 . O -9 2 n 2R3 + R,

O _i!. ~R3 + R2

1 , 2 4 O 1 -5

Las tres primeras columnas de la última matriz forman l. Así A es in vertible y • ,

[

-9 A- ' = -~

-5

! [[.4 -.2] ú [-.1 .3 ]] Frac 2/5 -115]

. 1/10 3/10]]

nGURA 6.5 Inversa de A con ntradas decimales y fraccionarias.

b. A = [~ ~J.

Solución: Tenemos

[1 ~ O O

1 3

-2

6.6 Inversas 273

Las primeras dos columnas de la última matriz forman una matriz reducida diferente de 1. Por tanto, A no es invertible. •

La determinación de la inversa de una matriz invertible con una calculadora gráfica puede ser un ahorro real de tiempo. La figura 6.5 muestra la inversa de

A=[i ~]. Además, en la TI-82 podemos desplegar nuestra respuesta con entradas fraccionales.

Resolveremos un sistema utilizando la inversa.

EJEMPLO 5 Uso de la inversa para resolver un sistema

Resolver el sistema

determinando la inversa de la matriz de coeficientes.

Solución: En la forma matricial el sistema es AX = B, donde A es la matriz de coeficientes:

A ~ [~ O -2] -2 1 . 2 -10

Del ejemplo 4(a),

[-9 2 n A - 1 = -~ 4

-5


'" TECNOLOGIA

[Al-' [Bl [[4 1 [ -311

FIGURA 6.6 [A]-I[B] da la solución x = 4, Y = - 3 para el sistema de ecuaciones.

La solución está dada por X = A-lB:

[Xl] [-9 2 2][ 1] [-7] ~~ =~ ~ i -~ -~~ ,

de modo que Xl = -7, x2 = -17 Y x3 = -4.

Puede demostrarse que un sistema de n ecuaciones lineales con n . tiene solución única si y sólo si, la matriz de coeficientes es invertible . En el ejemplo anterior la matriz de coeficientes es invertible y existe una so para el sistema. Cuando la matriz de coeficientes no es invertible, el sistema número infinito de soluciones o bien, ninguna solución.

EJEMPLO 6 Una matriz de coeficientes que no es invertible

Resolver el sistema

{

X - 2y + z = 0, 2x - y + 5z = 0,

X + Y + 4z = O.

Solución: La matriz de coeficientes es

Como

[l -2 1 -1 5

1 4

D =~ n ° 3 1 1

° °

2 3 1 3

-1

la matriz de coeficientes no es invertible. De aquí qur. el sistema no puede ser res to por medio de inversas. Debe utilizarse otro método. En el ejemplo 4(a) I~

sección 6.5, la solución que se determinó era X = -3r, y = -r y Z = r.

Para resolver el sistema

{3X + 2y = 6,

X + 4y = -8

con una calculadora gráfica, introducimos la matriz de coeficientes como [A] y la ma columna de constantes como [B]. El producto [A] -I[B] en la figura 6.6 da la SoIUc1 x = 4, Y = -3 .

EJERCICIOS 6.6

fJtlos problemas 1-18 si la matriz dada es invertible, encontrar

111 inversa.

1] 1 . 2. [~ 1~ J.

1] 1 . 4. [~ -~J.

H O n 6. 4

2 3] O 4 . O 5 [~

O

~l 8. O O -4

[~ O n 10. O O

[1 1 1]

11. O 1 1 O O 1

12. [; 2 -1] 1 4 .

-1 2

[

70

13. O 1 -3 O

-2] O . 1

14. [ -i -8 -n 5 -1

15. [~ -! ~] . . , 1 -1 2

[-5 4 -3] 16. 1~ -7 6 .

-6 5

17. [! ~ ~]. 1 5 12 [l

-1 n 18. 2

19. ~esuel va AX = B si .

A-I=[!~] Y B=[~J. 20. Resuelva AX = B si

A' ~ [~ ~~] y B = [ ~]. O 4 -1

Para cada uno de los problemas 21-34 si la matriz de coeficientu del sistema es invertible, resuelva el sistema utilizando la (IIyersa. Si no es así, resuelva el sistema por el método de reducci6n. ,

~1~ {6x + 5y = 2, x + y = -3.

22. { 2x + 3y = 4, -x + 5y = -2.

23. {2X + y = 5, 3x - y = O.

25. {2X + 6y = 2, 3x + 9y = 3.

{

X + 2y + z = 4, 27. 3x + z = 2,

x- y+z=L

{

X + y + z = 2, 29. x - y + z = 1,

x - y - z = O.

{

X + 3y + 3z = 7, 31. 2x + Y + z = 4,

x + y + z = 4.

{

W + 2y + z = 4, 33. w - x + 2z = 12,

2w + x + z = 12, w + 2x + Y + z = 12.

{

w + x + z = 2,

34. w + y = O, x + y + z = 4,

Y + z = L

6.6 Inversas 275

24. {3X + 2y = 26, 4x + 3y = 37.

26. {2x + 8y = 3, 3x + 12y = 6.

{

X + y + z = 2, 28. x - y + z = - 2,

x - y - z = O.

{

2x + 8z = 8, 30. - x + 4y = 36,

2x + Y = 9.

{

X + 3y + 3z = 7, 32. 2x + Y + z = 4,

x + y + z = 3.

Para cada uno de los problemas 35 y 36, encuentre (1 - A)-I para la matriz A dada .

35. [2 -1] 1 3 ' [-3 2] 36. 4 3 .

37. Producción de automóviles Resuelva los siguientes problemas utilizando la inversa de la matriz implicada.

a. Una fábrica de automóviles produce dos modelos, A y B. El modelo A requiere 1 hora de mano de obra para pin-

tarse y + hora de mano de obra en pulido; el modelo B requiere de 1 hora de mano de obra para cada uno de los procesos. Durante cada hora que la línea de ensamblado está funcionando, existen 100 horas de mano de obra


disponibles para pintura y 80 horas de mano de obra para pulido. ¿Cuántos de cada modelo pueden ser producidos cada hora si se utilizan todas las horas de mano de obra?

Suponga que cada modelo A requiere 10 dispositivos y 14 calces, y cada modelo B requiere 7 dispositivos y lO calces. La fábrica puede obtener 800 dispositivos y 1130 calces cada hora. ¿Cuántos automóviles puede producir si utiliza todas las partes disponibles?

38, S; A = [~ ~ n dond, a, b, " O, d,mo",,, qo,

O lIb O

O] O . l/e

39. Si A Y B son matrices invertibles con el mismo orden, demuestre que (AB)-I = B-IA -l. Sugerencia: Demuestre que

y utilice el hecho de que la inversa es única.

Si

A -I

= [~ ~] y B- I = [1 1] 1 2 '

encuentre (AB)- I.

40. Si A es invertible, puede demostrarse que (AT)-I = (A-I)T. Verifique esto si

A = [~ ~]. 41. Una matriz P se dice que es ortogonal si p-I = PT. ¿La matriz

P = H! -~] es ortogonal?

42. Mensaje secreto Un amigo le ha enviado un mensaje secreto que consiste en tres matrices renglón de números como sigue:

Entre los dos han diseñado la siguiente matriz (utilizada su amigo para codificar el mensaje):

2 5

-2

-1] 2 . 2

Descifre el mensaje procediendo de la manera siguiente:

a. Calcule los tres productos matriciales R1A-I, R A-t

R ~ ~y 3 •

b. Suponga que las letras del alfabeto corresponden a 1 números del 1 al 26, reemplace los números en estas matrices por letras y determine el mensaje.

En los problemas 43 y 44, utilice una calculadora gráfica Pato (a) encontrar A - 1 Y exprese sus entradas redondeando a dos dtcimales. (b) Exprese las entradas de A-I en forma fraccional.11 su calculadora tiene esa capacidad. {Precaución: Para la parlt (b), utilice la matriz A-1 de la calculadora para convertir.hu entradas a forma de fracciones; no utilice la matriz de valo redondeados de la parte (a).]

fj 44. A _1] ~. 15

I [0.4 0.6 -0.3

U • . 45. Si A = 0.2 0.1 - 0.1 ,encuentre (1 - A)-I, donde I es la

0.3 0.2 -0.4 triz identidad de orden 3. Redondee las entradas a dos decimal

En los problemas 46 y 47, utilice una calculadora gráfica para ~sol ver el sistema utilizando la inversa de la matriz de coeficielltes.

1 46. {

O.6X ~ 3y - 4.7z : 13, 2x O.4y + 2z - 4.7, x - 0.8y - 0.5z = 7.2.

RI = [-5 -9 29], R2 = [7 23 48], 1 47.

RJ = [34 89 64].

~w + 4x + 4y - ~z = H, ~w - ~x - 4y - z = ~,

x - ~y + ~z = 9,

4w + 4y - ~z = ~.

OBJETIVO Encontrar el determinante de una matriz cuadrada utilizando menores y cofactores y considerar propiedades que simplifican la evaluación de un determinante.

6.7 DETERMINANTES

Ahora introducimos una nueva función, la función determinante. Aquí las entradas serán matrices cuadradas, pero las salidas serán números reales. Si A es una matrIz cuadrada, entonces la función determinante asocia con A exactamente un número real llamado determinante de A. Denotando el deternlÍnante de A con IAI (esto es,

utilizando líneas verticales), podemos pensar en la función determinante como un~ correspondencia:

El determinante de A también es denotado como det A.

6.7 Determinantes 277

matriz cuadrada

número real

= determinante deA

El uso de los determinantes en la solución de sistemas lineales será estudiado posteriormente. Pasemos a ver cómo un número real es asignado a una matriz cuadrada; primero consideraremos los casos especiales de matrices de orden I y 2. Después extenderemos la definición a matrices de orden n.

Definición

Si A = [a ll ] es una matriz cuadrada de orden 1, entonces IAI = a ll .

Esto es, la función determinante asigna a la matriz de una entrada [all

] el número all

.

De aquí que si A = [6] entonces IAI = 6.

Definición

a12] es una matriz cuadrada de orden 2, entonces

a22

Esto es, el determinante de una matriz de 2 x 2 se obtiene tomando el producto de las entradas de la diagonal principal y restándole el producto de las entradas de la otra diagonal :

Hablamos del determinante de una matriz de 2 x 2 como un determinante de orden 2.

EJEMPLO 1 Evaluación de determinantes de orden 2

3. I ~ _!I = (2)(-4) - (1)(3) = -8 - 3 = -11.

b. I -~ -il = (-3)(1) - (-2)(0) = -3 - O = -3.

c. I¿ ~ I = (1)(1) - (0)(0) = 1.

d. I ~ ~ I = (x)(1) - (O)(y) = x. • El determinante de una matriz cuadrada A de orden n (n > 2) está definido de la

manera siguiente. Con una entrada dada de A, asociamos la matriz cuadrada de orden n - 1 obtenida al eliminar las entradas en el renglón y columna a las que la entrada pertenece. Por ejemplo, para la matriz

278 6 Á LGEBRA MATRIC IAL

para la entrada a21

eliminamos las entradas del renglón 2 y de la columna 1,

dejando la matriz de orden 2,

El determinante de esta matriz es llamado el menor de a21 • De forma análoga, e menor de a

22 es

lall

a31 a13l, a33

y para a23 es

lall

a31 a121 · a32

Con cada entrada a .. asociamos también un número determinado por lo IJ

subíndices de la entrada:

donde i + j es la suma del número de renglón i y del número de columnaj en la qu se encuentra la entrada. Con la entrada a

21 asociamos (-1 )2+1 = -1 , con a

22 el númer

(-1)2+2 = 1 Y con a'3 (_1)2+3 = -1. El cofactor c .. de la entrada a .. es el producto de - IJ IJ

(_l)i+J Y el menor de a .. . Por ejemplo, el cofactor de a' l es ij -

La única diferencia entre un cofactor y un menor es el factor (-ly+J.

Determinante de una matriz cuadrada

Para encontrar el determinante de cualquier matriz cuadrada A de orden n (n' ';j; 2), seleccione cualquier renglón (o columna) de A y multiplique cada entrad en el renglón (columna) por su cofactor. La suma de estos productos será-e{ determinante de A, llamado determinante de orden n. )


Por ejemplo, encontraremos el determinante de

[~ -1

O -n aplicando la regla anterior al primer renglón (algunas veces referenciada como "desarrollo con respecto al primer renglón"). Para la entrada

De aquí

all

obtenemos (2)(-1)1 + 1 1~ -~I = (2)(1)(5) = lO,

al 2 obtenemos (-1)(-1)1+21; -~I = (-1)(-1)(13) = 13,

al30btenemos (3)(-1)1 +3 1; ~ I = 3(1)(3) = 9.

2 -1 3 3 0-5 2

10 + 13 + 9 = 32.

De manera alterna, si hubiésemos expandido con respecto a la segunda columna, entonces

2 3 2

-1 O -5 1 + O + (1)(_1)3+ 21

2 1 . 3

= 13 + O + 19 = 32 como antes.

Puede demostrarse que el determinante de una matriz es único y no depende del renglón o columna seleccionada para su evaluación. En el problema anterior, la segunda expansión es preferible por el cero en la columna 2 el cual no contribuye a la suma, simplificando por tanto, el cálculo.

EJEMPLO 2 Evaluación de un determinante de orden 3 utilizando cofactores

Encontrar IAI si

a. A = [~; - ~ - ~]. -10 2-3

Solución: Desarrollando a lo largo del primer renglón, tenemos

- l 1 + (- 1)( - 1) 1 + 21 - 3 - 3 -10

-11 + 3(-1)1 +3 1 -3 21

1 -3 -10

= 12(1)(-1) + (-1)(-1)(-1) + 3(1)(4) = - 1.


Solución: Desarrollando, por conveniencia con respecto a la primera columna, tenemos

IAI = O + 2(-lf+ll_~ ~I + O = 2(-1)(4) = -8.

EJEMPLO 3 Evaluación de un determinante de orden 4

2 O O 1 O 1 O 3 O O 1 2 expandiendo con respecto al primer renglón. Evaluar IAI

1 2 3 O Solución:

1 O 3 O 1 O IAI=2(-1)1+IO 1 2 +1(-ly+40 01

2 3 O 1 2 3

Ahora hemos expresado IAI en términos de determinantes de orden tres. Desarrollando cada uno de estos determinantes con respecto al primer renglón, tenemos

IAI = 2(1{1(-1)1+11~ ~I + 3(-1)1+31~ ~I] + 1(-1)[1(-1)1+21~ ~I] = 2[1(1)( - 6) + 3(1)( - 2)] + (-1)[(1)( -1)( -1)] = - 25.

También podemos evaluar un de~erminante de orden 3 como sigue. Copie la primera y la segunda columnas a la derecha como se muestra a continuación. Tome la

suma de los tres productos de las entradas sobre las flechas que apuntan a la derecha y reste de ésta la suma de los tres productos de las entradas sobre las flechas que apuntan hacia la izquierda. El resultado es

Verifique este método para los determinantes del ejemplo 2. Subrayamos que nO

hay una forma semejante para la evaluación de determinantes de orden mayor que tres.

La evaluación de determinantes se simplifica con frecuencia utilizando varias propiedades, algunas de las cuales ahora listamos. En cada caso A denota una matri cuadrada.


1. Si cada una de las entradas de un renglón (o columna) deA es O, entonces IAI = O.

Por tanto 6 2 5 7 1 4 = O. O O O

2. Si dos renglones (o columnas) de A son idénticos, IAI := O.

Por tanto

2 5 2 1 2 6 2 3 2 4 2 1 =0. ya que la columna 1 = columna 3.

6 5 6 1

3. SiA es triangular superior (o inferior), entonces IAI es igual al producto de las entradas de la diagonal principal.

Por tanto

2 6 1 O O 5 7 6 O O - 2 5 = (2)(5)( - 2)(1) = - 20.

O O O 1

De esta propiedad concluimos que el determinante de una matriz identidad es l .

4. Si B es la matriz obtenida sumando un múltiplo de un renglón (o columna) de A a otro renglón (columna), entonces IBI = IAI.

Por tanto, si

A ~ [1 1 ! ~l y B es la matriz obtenida a partir de A sumando -2 veces el renglón 3 al renglón 1, entonces

2 4 2 6 O O O O

IA I = 3 5 2 3 5 2

= IBI · 1 2 1 3 2 1 3 O 5 6 2 O 5 6 2

Por la propiedad 1, IBI = O y así IAI = o.

5. Si B es la matriz obtenida intercambiando dos renglones (o columnas) de A, entonces IBI= -IAI. o de manera equivalente, IAI = -IBI.


6.

Por ejemplo, si

[

2 2 O O

A = O O

O 1

intercambiando los renglones 2 y 4, por la propiedad 3, tenemos

2 2 1 6 2 2 1 6 4

IAI = O O O 1 O 1 -3

O O 2 O O O 2 O -(2)(1)(2)(1) = -4,

O 1 -3 4 O O O 1

Si B es la matriz obtenida multiplicando cada entrada de un rengÍón , columna) de A por el mismo número k, entonces IBI = klAI.

En esencia, con esta propiedad un número puede ser "factori zado" en un reno glón o columna. Por ejemplo,

6 10 14 2(3) 2(5) 2(7) 3 5 7 5 2 1 5 2 1 =2 5 2 1 9 15 21 9 15 21 9 15 21

Así

6 10 14 4R, 3 5 7

5 2 1 2 5 2 1 9 15 21 9 15 21

donde la notación tR¡ indica que multiplicamos el renglón 1 por t e inserta! mos un factor 2 al frente. Continuando, tenemos

3 2 5

9

5 7 2 1

15 21

3 5 7

2(3) 5 2 1 = 2(3)(0) = O, 357

ya que los renglones 1 y 3 son iguales.

7. Si k es uná constante y A tiene orden n, entonces IkAI = k"IAI. Esto se sigue de la propiedad 6, ya que cada uno de los n renglones de kA tiene un factor común de k.

Por ejemplo, si


entonces IAI = - 2 de modo que 14AI = 421AI = 16(- 2) = - 32.

8. El determinante del producto de dos matrices de orden n es el producto de sus determinantes. Esto es, IABI = IAIIBI.

Por tanto , si

entonces

IABI = IAI · IBI = I ~ ~ I ' I ~ ;1 = (-2)(3) = - 6.

El hecho de que las propiedades de la 1 a la 6 sean verdaderas para columnas, así como para renglones , es resultado de otra propiedad: el determinante de una matriz cuadrada y el determinante de su transpuesta son iguales:

Por ejemplo,

I ~ ~ I = -2 y [1 2]T

det 3 4 11 !I = -2.

Las propiedades de 1 a la 6 son útiles en la evaluación de IAI ya que nos dan una manera de expresar A en forma triangular (decimos que "triangulamos"); entonces, por la propiedad 3, tomamos el producto de la diagonal principal.

EJEMPLO 4 Evaluación de un determinante por triangulación

Evaluar

2 -3 O 3 6 9 4 8

Solución: Tenemos

2 -3 O ~Bl

2 -3 O 2 3 3 6 9 3 1 2 3 R, !::? R2 - 3 2 -3 O 4 8 4 8 4 8

1 2 3 1 2 3 - 2R.L + R¡ - 3 O -7 - 6 - 4R.L + RJ - 3 O - 7 -6

4 8 O O -11

- 3(1)( -7)( - 11) = -231 . •


TECNOLOGíA

det [A] . 34

FIGURA 6.7 Evaluación del det A obteniéndose 0.34.

EJEMPLO 5 Evaluación de un determinante por triangulación

Evaluar

1 O 5 1 2 O O 2 1 3 O O -4

--Solución: Tenemos

1 1 O 5 1 1 O 5 1 2 1 O - R, + R2 O 1 1 -5 O 2 1 1 = O 2 1 3 O O -4 3 O O -4

1 1 O 5 1 O 5 - 3R , + R. O 1 1 - 5 - 2R~ + RJ O 1 1 -5

= O 2 1 1 = O O -1 11 O -3 O - 19 O -3 O -19

1 1 O 5 1 1 O 5 3R1 + R4 O 1 1 -5 3RJ + R. O 1 1 -5

= O O -1 11 = O O -1 11 O O 3 -34 O O O -1

= (1)(1)( -1)( -1) = 1.

?

La figura 6.7 muestra el resultado de evaluar IAI con una calculadora gráfica, don

[

0.2 O 0.1] A = 0.8 1 - 0.3 .

0.4 2 0.5

La evaluación da IAI = 0.34.


ERCICIOS 6.7

IJlos problemas 1-6 evalúe los determinantes. En los problemas 19-38 evalúe el determinante. Si es posible, utilice las propiedades de los determinantes.

t i; ~I· 2. I-~ -~I· 2 3 3 2 1

~ I · 19. 2 O 1 20. - 2 3

1-2 -3 1 4. 1-3 -4 O 6 -1 3 2

J. -4 -6 . -a

I~ ;1 · 1-

2 -a l 2 -3 1 O -1

6. 2 . 21. 4 5 4 22. O O -a 3 -2 -1

2 5 1 2 3 litios problemas 7 Y 8, evalúe las expresiones dadas. 23. -3 4 -1 24. 4 5 4

O 6 -1 3 2

ti ¡I I ~ ~I 2 -1 3 2 3

7'1; !I ' 8.

I ~ -~ I ' 25. -1 26. 4 5 6

2 -3 7 8 9

I 2 -1 1 I 4 2 3 2 3 ¡

,. Resuelva para k si I¡ il= 12, 27. -1 I 2 28. 3 3 -2 3 3 2 '8

- 1 9 3 - 4 8 2

En los problemas 10-13 si 1 O 3 2 7 6 O 5

A ~ [i 2 n 29. 4 -1 O -3 2 O

5 2 1 O 3 30. 4 -3 O 2 8 -1 2 3 -1 O O 6

lÚtermine cada una de las expresiones, 1 7 -3 8

10. El menor de a31

, 31. O 1 -5 4

11. El menor de a22. O O 7

12. El cofactor de a23 , 13. El cofactor de a32 , O O O 1

14. Si A = [a) es 50 x 50 y el menor de a43.47 es igual a 20, ¿cuál 2 -3 4 es el valor del cofactor de a ?

" 43.47 3 -1 2 4 32. -2 -4 6 -8

En los problemas 15- 18 si O 3 -) 2

ra

"

a l2 al3 a,,] A = a21 a22 a23 a24 O O O 1 -3 2 6 4

a34 ' O -2 O O O 13 O 1 5 a31 a32 a33 33. 34. a41 a42 a43 a44 O O 4 O - 2 2 3 4

O O O - 3 4 5 9

"criba cada expresión, 1 -1 2 -1 1 O -2 3

U. El menor de a 16. El menor de a24 . 35. 2 3 - 1 2 4 2 4

32' 4 - 3 3 36. -5 3 -1 - 7 17. El cofactor de a 18. El cofactor de a43 , 4 3 O 5 -4 3

13'


5 - 1 4 -2 2 O 2 2 3 -4

37. 2 O 3 5 O 7 1 1 2 -2 3 O O O

3 6 9 12 15 1 2 3 4 3

38. 2 3 1 6 3 4 3 3 5 2 2 4 3

En los problemas 39 y 40, resuelva para x.

Ix -2 1 39. 7 7 _ x = 26.

3 x 2x 40. O x 99 = 60.

O O x - I

41. Si A es de orden 4 x 4 y ¡Al = 12, ¿cuál es el valor del determinante de la matriz obtenida al multiplicar cada entrada de

44. Si la matriz A tiene orden 4 x 4 y IAI .= 2, enc' lentre. valores de (a) 13AI (b) I-AI y (c) IA-' I· Sugerencia: Para parte (c), consulte el problema 43.

45. Determine el (los) valorees) de la constante c para los cu el sistema siguiente ti ene un número infinito de sOlúCiQ

{

X = -2z - 3y, cy + x = -4z, 2y + cz = O.

Sugerencia: Véanse los dos párrafos que preceden al ej plo 6 de la sección 6.6 y el inicio del enunciado del proble 43 anterior.

En los problemas 46-48 utilice una calculadora gráfica p evaluar el determinante.

-3 4 6

~" 46. A por2? •

40 80 -23 46

15 10

7 18

-9

2 O 1 47. 5 3

7 2 -3 -1 2 -4

O 6 42. Suponga que A es una matriz cuadrada de orden 5 y IAI = +.

Sea B la matriz obtenida al multi plicar el tercer renglón de A por 7 (los otros renglones permanecen sin cambio). Encuentre 12BI.

43. Puede rip'llostrarse que una matriz cuadrada A es in vertible si y sólo si IAI 7' O.

Si A es invertible, demuestre que

IA -'I = I ~I' Si IA I = 3, encuentre Ik' l.

0.3 -9.1

ti 48. -6.2 3.4

5.2 0.2 5.1 7.2

1 49. SiA= [i 2 4 2

12A - WI.

6.8 REGLA DE CRAMER OBJETIVO

7.4 4.7 9.6 3.2 7.8 1.6 9.6 -0.4

-3] U O -'] -~ Y B 4 ! ,encuen 2

Motivar una fórmula, llamada regla de Cramer, para la solución de un sistema de ecuaciones lineales con dos incógnitas y generalizarla para n ecuaciones lineales con n incógnitas .

Los determinantes pueden ser aplicados para resolver ciertos tipos de sistemas de ecuaciones lineales. De hecho, es a partir del análisis de tales sistemas que surg~6 estudio de los determinantes. Primero consideraremos un sistema de dos ec uacion lineales con dos incógnitas. Después los resultados se extenderán para inciuir situ ciones más generales .

Resolvamos

P f ' 1 1" . la l l ara encontrar una ormu a exp lcIta para x, examlllamos x a2 1

6.8 Reglo de cromer 287

x lall a21

al21 a22

lall x a21x

al21 a22

(propiedad 6 de la sección 6.7)

lal lX + al2Y a21x + a22Y

al21 a22

(sumando y veces la columna 2 a la columna I l.

ICI C2

al21 a22

(de la ecuación 1)

Por tanto

xlall a21

al21 = a22

ICI C2

a1 21, a22

así ICI al21

C2 a22

x = lall a121' (2)

a21 a22

P f ' 1 . la ll ara encontrar una ormu a para y, exammamos yl

! a21

y lall

a21 al2 1 = a22 la

ll a21

al2Y I (propiedad 6 de la sección 6.7) a22Y

lall

a21 allx + al 2Y l a21x + a22Y

(sumando x veces la columna 1 a la columna 2)

lall

a21 CI I C2 [de la ecuación (1 )].

Por tanto

y lall

a21 al2 1 = a22 la

ll a21

CII , C2

así

lall CII

a21 C2 y =

al2 1' (3)

lall

a21 a22

Observe que en las ecuaciones (2) y (3) los denominadores son iguales , a saber, el determinante de la matriz de coeficientes del sistema dado. Para encontrar x, el numerador en la ecuación (2) es el determinante obtenido reemplazando la "columna de las x" (esto es, la columna 1) de la matriz de coeficientes por la colum-

na de constantes ~l ,De manera análoga, el numerador en la ecuación (3) es el deter-2

minante de la matriz obtenida a partir de la matriz de coeficientes cuando la "colum-

na de las y" (esto es, la columna 2) es reemplazada por ~l. A condición de que el 2

288 6 Á LGEBRA MATRIC IAL

detenninante de la matriz de coeficientes sea diferente de cero, el sistema origí tendrá solución única. Sin embargo, si este detenninante es cero, el procedimienl no es aplicable y el sistema puede tener un número infinito de soluciones o bie ninguna solución. En tales casos se deben utilizar los métodos anteriores para reso ver el sistema.

Ilustraremos los resultados anteriores para resolver el sistema

{2x + Y + 5 = O,

3y + x = 6.

Primero, el sistema es escrito en la fonna apropiada:

{2x + Y = -5, x + 3y = 6.

El detenninante Ll de la matriz de coeficientes es

Ll=!~ ;!=2(3)-1(1)=5.

Ya que Ll:;t: O, existe una única solución. Resolviendo para x, tenemos

!-~ ;! x=

Ll Resolviendo para y, obtenemos

y=

-21 5

17 5'

21 5

De este modo la solución es x = - 251 Y y = 1; •

El método descrito anterionnente puede ser extendido a sistemas de n ecuac~ nes lineales con n incógnitas y es conocido como la regla de Cramer.

Regla de Cramer

Sea un sistema de n ecuaciones lineales con n incógnitas como sigue:

QlIX¡ + a12 X2 + a2¡X¡ + a22X2 +

+ a¡.x. = el,

+ a2nx. = e2,

+ a •• x. = e •.

Si el determinante Ll de la matriz dé coeficientes A es diferente de cero, ent0JVi ces el sistema tiene una únic'a' solución.Además, la solución está dada por

donde Llk, el numerador de xe es el detenninante de la matriz obtenida reempl -zando la k.ésima columna de A por la columna de constantes.

6.8 Regla de cramer 289

EJEMPLO 1 Aplicación de la regla de Cramer

Resolver el sistema siguiente utilizando la regla de Cramer.

{

2X + y + z = O, 4x + 3y + 2z = 2, 2x - Y - 3z = O.

Solución: El determinante de la matriz de coeficientes es

2 1 Ll = 4 3 2 -8.

2 -1 -3

Ya que Ll:f. O, existe una solución única. Resolviendo para x, reemplazamos la primera columna de la matriz de coeficientes por la columna de constantes y obtenemos

O ] ]

2 3 2 O -] - 3 4 1

x= -Ll -8 2'

De manera análoga,

2 O 4 2 2 2 O -3 -]6

y= ---2 Ll - -8 - ,

2 O 4 3 2 2 -1 O 8

z= = -1. Ll -8

La solución es x = - t, y= 2 Y z = -1. • EJEMPLO 2 Aplicación de la regla de Cramer

Resolver el sistema siguiente para z utilizando la regla de Cramer.

{ x + y + 5w = 6, x + 2y + z = 4,

2y + z + w = 6, 3x - 4w = 2.

Solución: Tenemos

1 O 5 1 O 5 1 2 O O -5

Ll= O 2 1 O O - 1 11 1.

3 O O -4 O O O -1


Aquí transformamos en la forma triangular superior y determinamos el produc! las entradas de la diagonal principal (sección 6.7, ejemplos 4 y 5). De manera ? lar obtenemos,

1 6 5 l I 6 5

I 2 4 O O I -2 -5 .ó., = O 2 6 O O 10 11 -98.

3 O 2 -4 O O O 49 -S-

La regla de Cramer nos permite resolver para una incógnita sin tener

De aquí z = tl./tl. = -98/1 = -98 . que resolver para las otras.

EJERCICIOS 6.8

En los problemas 1-16 resuelva. Si es posible, utilice la regla de Cramer.

{2X - y = 4,

1. 3x + y = 5.

{ - 2x = 4 - 3y,

3. Y = 6x - l.

{3(X + 2) = 5,

5. 6(x+y)= -8.

{

lX - l z = 1 2 4 '

7. *x + ~z = 2.

{

X + y + Z = 6, 9. x - v + z. = 2,

2x - y + 3z = 6.

I ~ .

- 3. {

2r - y + 3z =

10. x + y - z =

x + 2y - 3z = - 10.

{

2X - 3y + 4;:. = 0, 11. x + y - 3z = 4,

3x + 2y - z = O.

12. {!~ - s ~ 3~: ~: 3s + 2/ = 15.

{

X - 2y + z = 3,

13. 2x + y + 2~ : 6. x + 8y + ~ - 3.

{

2X - 31' + z = - 2, 15. x - 6y + 3z = - 2,

3x + 3y - 2;:. = 2.

{3X + y = 6,

2. 7x - 2)1 = 5.

{

X + 2y - 6 = O, 4. :v - 1 = 3x.

{0.6X - 0.7v = 0.33 ,

8. 2.l x - 0.9'1' = 0.69.

{2.', ~ v + : = 1,

14. r + :. = 4, 5x + y + 3: = 5.

{

X - z = 14.

16. .v _ \' + : = 2 1 , , v + z = - 10.

En los problemas 17 y 18, utilice la regla de Cralller para res ver las incógnitas indicadas.

{

X - y + 3z + w = - 14, x + 2)' - 3w = 12,

17. 2x +3y+ 6z+ w= 1, ; y, w.

x + y + z + w = 6. r + y + 5, = 6,

18. x + 2y + w = 4,

2y + z + w = 6, , x,y.

3x - 4z = 2.

19. Demuestre que la regla de Cramer no se aplica a

{2 - y = x 3 + x = -y,

pero que a partir de consideraciones geométricas el siste no tiene solución.

20. Determine todos los valores dec tales que la regla de Crame no pueda ser utilizada para resolver el sistema siguiente

{

X + cy + 8: = - 4, ex - z. = 1,

- 53x - 6y + z = 2.

21. Eventos especiales Una estudiante determinó que tiene suficiente tiempo disponible para asistir a 24 eventos especia· les durante el año escolar. Entre los eventos están conciertoS. juegos de hockey y producciones teatrales. Ella siente que un balance ideal se alcanzaría si va el doble de veces a COO'

ciertos que ajuegos de hockey, y si el número de concierto a los que asista fuera igual al promedio del número de juegoS de hockey y el número de obras de teatro. Utilice la regla de Cramer para determinar el número de juegos de hockey a lo que asistirá para alcanzar el balance ideal.

6.9 Aná lisis de insumo-producto c on calculadora gráfica 291

; Utilice la regla de Cramer para resolver el sistema siguiente 1 23. Utilice la regla de Cramer para resolver el sistema

para y:

{

3W + 2x - 7y + z = 12, - 5x - 6y + 3z = 8,

4w + 2y + 9z = 3, 7w - 2x + 4y + 5z = 9.

Redondee su respuesta a dos decimales.

{

~x - jy + ~z = ~ . -8x+~y -6.z= .!l x . <) ,

2x + ~Y + }z = ~ .

Redondee sus respuestas a dos decimales .

6.9 ANÁLISIS DE INSUMO-PRODUCTO CON CALCULADORA GRÁFICA

Las matrices de insumo-producto, desarrolladas por Wassi ly W. Leontief,ó indican las interrelaciones entre oferta y demanda que se dan en los diferentes sectores de una economía durante algún periodo. La frase "insumo-producto" es utili zada ya que las matrices muestran los valores de los productos de cada industria que son vendidos como insumos tanto a industrias como a consumidores finales.

Un ejemplo hipotético para una economía muy simplificada que consta de dos industrias, está dado por la matriz de insumo-producto que se da a continuación. Antes de que expliquemos la matriz, digamos que los s.ectores industriales puede suponerse que son los de manufactura, acero, agricultura, carbón , etc. Los otros factores de producción del sector consisten en los costos para las industrias como mano de obra, utilidad, etc. El sector de demanda final podría ser el domés ti co, gubernamental, etcétera.

Productores (producto) :

Industria A Industria B

Otros factores de producción

Totales

Consumidores (insumo)

Industria Industria Demanda A B final

r 240 500 : 360 200 :

- - - - - - - - - - - - ~

600 800

460

1 940

1200 1500

Totales

1200 1500

Cada industria aparece en un renglón y en una columna. El renglón muestra las compras del producto de una industria por los sectores industriales y por los consumidores para uso final (de aquÍ el término "demanda final") . Las entradas representan los valores de los productos y podrían estar en unidades de millones de dólares del producto. Por ejemplo, de la producción total de la industria A, 240 fueron como insumo a la industria A misma (para uso interno), 500 a la industria B y 460 fueron directo al sector de la demanda final. La producción total de A es la suma de la demanda industrial y la demanda final (240 + 500 + 460 = 1200).

La columna de cada industria da el valor de lo que compró como insumo de cada una de las industrias así como lo gastado por otros conceptos. Por ejemplo, a

6 Leontief ganó el premio Nobel de Economía en 1973 por el desarrollo del método de "insumo-producto" y sus aplicaciones a problemas económicos .


fin de producir 1200 unidades, la industria A compró 240 unidades de su pr ción, 360 de la producción de B y tiene gastos de mano de obra y otros por unidades.

Observe que para cada industria, la suma de las entradas en su renglón es i a la suma de las entradas en su columna. Esto es, el valor de la producción total es igual al valor de los insumos totales de A.

El análisis de insumo-producto nos permite estimar la producción total de sector industrial cuando existe un cambio en la demanda final mientras la estruc ra básica de la economía permanece igual. Esta importante suposición significaq para cada industria, la cantidad gastada en cada insumo por cada dólar de produ debe permanecer fija.

Por ejemplo, al tener una producción con un valor de 1200 unidades, la in tria A compra 240 unidades de la industria A, 360 de la industria B y gasta unidades en otros conceptos. Así, por cada dólar de producción, la industria A 1;: = t (= $0.20) en A, ,32~0 = ,30 (= $0.30) en By ,62~ = t(= $0.50) en otros é

ceptos. Combinando estas razones fijas de la industria A con aquellas de la indu B, podemos dar los requerimientos por dólar de producción para cada industti' .

A B A B

A ~,. ~l ~Hl A 1200 1500

B 360 200 B i200 1500

--- -- -Otros 600 800 Otros 1200 1500 2 15

Las entradas en la matriz son llamadas coeficientes de insumo-producto. La su de cada columna es 1.

Ahora suponga que el valor de la demanda final cambia de 460 a 500 para industria A, y de 940 a 1200 para la industria B. Nos gustaría estimar el valor d la producción total que A y B deben alcanzar para satisfacer las demandas de amb industrias y la demanda final para satisfacer esta meta, a condición de que la estruetura en la matriz precedente permanezca igual.

Sean X A Y XB los nuevos valores de producción total para las industrias A y B. respecti vamente. Ahora, para A,

valor total de la producción

deA

así que tenemos

valor = consumido

por A +

valor consumido +

porB

Del mismo modo, para B,

Xs = foXA + fsXs + 1200.

Utilizando la notación matricial podemos escribir

[ XA] [k ~] [XA

] [500] Xs = ~ f;; Xs + 1200·

valor consumido por la demanda

final

................ i t':t 2- [A] )

404.494382] 870.786517]]

FIGURA 6.8 Evaluación de una matriz de producción.

6.9 Análisis de insumo-producto con calculadora gráfica 293

En esta ecuación matricial, sean

x = [~:l [1 1] :5 '\

l.. 2 ' 10 15

y [ 500]

C = 1200 ' A=

Llamamos a X la matriz de producción, A es la matriz de coeficientes y C la matriz de demanda final. De la ecuación (1)

X = AX + C,

X - AX = C.

Si I es la matriz identidad de 2 x 2, entonces

Si (1 - A)-' existe, entonces

IX - AX = C,

(1 - A)X = C.

La matriz I - A es llamada la matriz de Leontief. Introducimos las matrices A y C en una calculadora gráfica. Con una TI-82, la matriz identidad de orden 2 es obtenida cón el comando "identity 2". Evaluando (1 - A)-'C como se muestra en la figura 6.8, resulta la matriz de producción

X = (1 - A) - 'C = [1404.49] 1870.79 .

Aquí redondeamos las entradas de X a dos decimales. Así, para satisfacer la meta, la industria A debe producir 1404.49 unidades y la industria B debe producir 1870.79. Si estuviéramos interesados en el valor de los otros factores de producción para A, digamos, PA , entonces

EJEMPLO 1 Análisis de insumo-producto

Dada la siguiente matriz de insumo-producto. suponga que la demanda final cambia a 77 para A. 154 para B y 231 para C. Determine la matriz de producción para la economía. (Las entradas están en millones de dólares.)

Industria: A B e

Otras

Industria _________________ Demanda

A B e final

1;~] 240

[

240 180 144 : 120 36 48:

I

120 72 48 : - - - - - - - - - - - - - - _ 1

120 72 240


Solución: De forma separada sumamos las entradas en los primeros tres renglo Los valores totales de producción para las industrias A, B Y e son 600, 360 Y respectivamente. Para obtener la matriz de coeficientes A, dividimos las entradas las industrias en cada columna entre el valor total de la producción para esa indus

(ident..i t..1~ 3- [A] ) ·1 [e]

[ [ ··C(,) 1:'] t i .. "-. ,J l

'40 180 1441 600 360 480

A = :,6~ {~~ 4":0 .

120 72 48 Clon 360 480

r -rCl i::1 ] k ,_"_It, La matriz de demanda final es

[4 135 ]] C = [l~~]. 231

La figura 6.9 muestra el resultado de evaluar (1 -At1C. Así la matriz de producción

FIGURA 6.9 Evaluación de la matriz de producción del ejemplo l.

EJERCICIOS 6.9

ii .... ' 2. gg

Dada la siguiente matriz de insumo-producto, encuentre la matriz de producción si la demanda final cambia a 600 para A y 805 para B. Encuentre el valor total de los otros costos de producción que esto implica.

Industria: A B

Otras

Industria Demanda

A B final

t200 500 : 500] 400 200 : 900 ___ _ ___ 1

600 800 -

Dada la siguiente matriz de insumo-producto, encuentre la matriz de producción si la demanda final cambia a (a) 200 para A y 300 para B; (b) 64 para A y 64 para B.

Industria: A B

Otras

Industria

A B Demanda

final

90 40 ]

Dada la siguiente matriz de insumo-producto, encuentre la matriz de producción (con entradas redondeadas a dos deci-

[

692.5] X=(I-A) - 'C= 380.

495

males) si la demanda final cambia a (a) 50 paraA, 40 para y 30 para C; (b) 10 para A, 10 para B y 24 para C.

Industria: A B e

Otras

Industria ---------__ Demanda

A B e final

rl8

30 45 : l~l ~; __ !9 _ ~L _! 26

9 20 15

Dada la siguiente matriz de insumo-producto , encuentre matriz de producción si la demanda final ' ambia a 300 p A, 200 para B y 400 para C. Redondee sus entradas a d decimales.

Industria: A B e

Otras

Industria ____________ Demanda

A B e final

[

100 400 240 : 260l 100 80 480 : 140

_:~¿ _ :_:~ _ ;:~ __ : 500

6.10 Repaso 295

~b REPASO

1 rmlnos Y símbolos importantes

matriz orden (o tamaño) entrada ai¡ [a) matriz (o vector) renglón matriz (o vector) columna igualdad de matrices transpuesta de una matriz, AT matri z cero, O matriz cuadrada diagonal principal matriz diagonal matriz triangular superior (inferior)

multiplicación por un escalar

multiplicación de matrices

suma y resta de matrices

matriz identidad, I potencia de una matri z ecuación matricial, AX = B

matriz de coeficientes matrices equivalentes

matriz aumentada operación elemental sobre renglón matriz reducida entrada principal parámetro

ción 6.5

5ección 6.6

sistema homogéneo sistema no homogéneo

matriz inversa matriz invertible (no singular)

solución tri vial

matriz elemental

clón 6.7

.Sección 6.8

Sección 6.9

determinante de una matriz menor de una entrada cofactor de una entrada

regla de Cramer

matriz de insumo-producto matriz de Leontief

esumen

Uha matriz es un arreglo rectangular de números encerrado entre cotchetes. Tres tipos especiales de matrices son: matriz cero O, matriz cuadrada y matriz identidad l. Además de la operación b~ica de multiplicación por un escalar, están definidas las operaciones de suma y resta de matrices, que se aplican a matrices del mismo orden. El producto AB está definido cuando el número de columnas de A es igual al número de renglones de B. AunijUe la suma de matrices es conmutativa, la multiplicación no lo es. Utilizando la multiplicación matricial, podemos expresar un sistema de ecuaciones lineales como la ecuación matricial AX = B.

Un sistema de ecuaciones lineales puede tener solución única, ninguna solución o bien un número infinito de soluciones. Tres ihEtodos para resolver un sistema de ecuaciones lineales por medio de matrices son: (1) utilizar las tres operaciones elementales 't'~re renglones, (2) usar una matriz inversa, y (3) por medio de Cletenninantes. El primer método implica aplicar las operaciones elementales sobre renglones a la matriz aumentada del sistema hasta qUe se obtiene una matriz reducida equi valente. La matriz reducida hace que la solución o soluciones para el sistema sean obvias (suponiendo que existan). Si tiene un número infinito de soluciones, la solución general implica al menos un parámetro.

PROBLEMAS DE REPASO

En los problemas 1-8 simplifique

El segundo método de resolución de un sistema de ecuaciones lineales involucra inversas. La inversa (si existe) de una matriz cuadrada A es una matri z A-I tal que A-l A = l. Si A es invertibl e, podemos encontrar A - 1 aumentando A con I y aplicando operaciones elementales sobre renglones hasta que A sea reducida a l . El resultado de aplicar las mismas operaciones elementales sobre renglones a I es A-l. La in versa de una matri z puede ser utilizada para resolver un sistema de Il ecuaciones con n incógnitas dado por AX = B, a condición de que la matriz de coeficientes A sea invertible. La solución única está dada por X = A-lB. Si A no es invertible el sistema no tiene solución o bien un número infinito de soluciones.

El tercer método para resolver un sistema de ecuaciones lineales hace uso de determinantes y es conocido como la regla de Cramer. Se aplica a sistemas de Il ecuaciones con Il incógnitas cuando el determinante de la matriz de coeficientes no es cero.

Nuestra aplicación final de matrices trata las interrelaciones que existen entre los diferentes sectores de una economía, y es conocido como análisis de insumo-producto.


-2J I .

4. [l 4 5{ ~ -:J 5. [ - ~ ~ J ([ ! ~ J - D ~ ]). 6. - ([ ~ ~ J + 2 [ ~ = ¡]). 7. 2[~

1 [3 8. 3 3 ~J([: ~rr

En los problemas 9-12 calcule la matriz requerida si

A = [ 1 -1 ~l B = [~ ~J.

9. (2A)T - 3F.

10. A(21) - AOT.

11. B4 + 14.

12. (AB? - BTAT.

En los problemas 13 y 14, resuelva para x y para y.

13. [;}xl = [~J.

14. [~ ~ J [~ ~ J = [~ ~ J. En los problemas 15-18 reduzca las matrices dadas.

15. U ~J. 16. [~ ~ ~J.

17. [! ~ n 18. [l ~ ~ ~]. O O O

En los problemas 19-22 resuelva cada uno de los sistemas por el método de reducción.

{2x - 5y = O,

19. 4x + 3y = o. {X - y + 2z = 3,

20. 3 5 x+y+ z= .

{

X + y + 2z = 1, 21. 3x-2y-4z= - 7,

2x - y - 2z = 2.

{

X y - z - 2 = O, 22. 2xx ~ y + 2z + 5 = O,

+ Z + 3 = O.

En los problemas 23-26 encuentre las inversas de las matriCl

23. [~ ~l 24. [~ ~l

25. (: 3 -'] u· U

O -!] 1 O . 3

-2 2 -1

En los problemas 27 y 28, resuelva el sistema dado utilizandb inversa de la matriz de coeficientes.

{3X + y + 4z : 1,

27. x + z - O, 2y + Z = 2. {

2x + y - Z = 0, 28. 3x + z = 0,

x - y + z = o.

En los problemas 29-34 evalúe los determinantes.

29. 142 - ~I · 1

31. O

2 -1 4.

2 2

r p q a O j m

33. O O c n

O O O h

30· 1~ ~I· 32.

2 O 3 4

-1 2 6 .

-1

e O O O a r O O

34. p j n O

s k

Resuelva los sistemas de los problemas 35 y 36 utilizand" regla de Cramer.

35 {3X - y = 1, • 2x + 3y = 8. {

X + 2y - z = 0, 36. Y + 4z = 0,

x + 2y + 2z = O.

37. Dado que IAI = -2, IBI = 4 Y lA -11 = I~I ' encuentre 1A-1B

38. Construya la matriz A = [aij13x3 si aij = li - ji.

39. Sea A = ig ~ Ól . Encuentre las matrices Al, A-1 y A1m

Ll O ÓJ

40. Si A:: [~ ~J. demuestre que (AT)-I :: (A-I)T.

~ Suponga que a, b y c son constantes diferentes de cero. Uti, lice la regla de Cramer para resolver el siguiente sistema de

ecuaciones lineales:

{ ~~: ~~ : ~: ax + ay + cz = c.

4" Demuestre que la regla de Cramer puede ser utilizada para resolver el siguiente sistema y después úselo para encontrar el valor de x que satisface el sistema:

{

X + 3y + 2w + 1 = z, 2w + Z = 2x + 4y + 1,

x + 2y + 3z + 3w - 3 = O, 2x + 7y + 6z + 2w = 6.

• Un consumidor desea completar su consumo vitamínico en exactamente 13 unidades de vitamina A, 22 de vitamina B y '31 de vitamina C por semana. Existen disponibles tres marcas de cápsulas vitamínicas. La marca 1 contiene 1 unidad de cada una de las vitaminas A, B Y C por cápsula; la marca II contiene 1 unidad de vitamina A, 2 de By 3 de C, y la marca III contiene 4 unidades de A, 7 de B y 10 de C.

¿Cuál combinación de cápsulas de las marcas 1, II Y III producirá exactamente las cantidades deseadas?

Si las cápsulas de la marca 1 cuestan 5 centavos cada una, d, la marca II 7 centavos cada una y de la marca III 20 éentavos cada una, ¿cuál combinación minimizará su costo semanal?

6.10 Repaso 297

44. Suponga que A es una matriz de Il x Il invertible.

Demuestre que A3 es invertible.

Si B Y C son matrices de n x Il tales que AB = AC, demuestre que B :: C.

Si A 2 = A (decimos que A es idempotellte), encuentre A.

1 45. Si A = [I~ -¡] y B =[_~ -~l encuentre 3AB - 4B!

1" 46. ~tilizando la inversa de la matriz de coeficientes, resuel va el ' .' sIstema

{

9.7X - 3.4y + 7.2z = 18.2, 4.3x + 8.5y - 6 .7z = 20.8, 5.4x - 2.6y - 4.7z = 30.9

Redondee sus respuestas a dos decimales.

1, 47. Dada la siguiente matriz de insumo-producto, encuentre la , matriz de producción si la demanda final cambia a 8 para A y

8 para B. (Los datos están en miles de millones de dólares.)

Industria

A B Demanda

final

Industria: A [10 20 : 4] B 15 14 : 10

_ ____ __ 1

Otras 9 5 -

r

jll

ti>

APLICACION ti>

PRACTICA Requerimientos de insulina como proceso IineaF

Una posada vacacional en las montañas del estado de Washington tiene una bien merecida reputación por la atención a las necesidades especiales de salud de sus huéspedes. La semana siguiente el administrador de la posada espera recibir cuatro huéspedes diabéticos dependientes de insulina. Estos huéspedes planean permanecer en la posada durante 7, 14,21 Y 28 días, respectivamente.

La posada se encuentra muy alejada de la farmacia más cercana, de modo que antes de que lleguen los huéspedes el administrador planea obtener la cantidad total de insulina que se necesitará. Se requiere de tres tipos diferentes de insulina: lenta, semilenta y ultralenta. El administrador almacenará la insulina y después el personal de la posada administrará la dosis diaria de los tres tipos a cada uno de los huéspedes.

Los requerimientos diarios de los tres huéspedes son:

Huésped 1 20 unidades de insulina semi lenta, 30 de lenta, 10 de ultralenta;

Huésped 2 40 unidades de insulina semilenta, O de lenta, O de ultralenta;

Huésped 3 30 unidades de insulina semi lenta, 10 de lenta, O de ultralenta;

Huésped 4 10 unidades de insulina semi lenta, 10 de lenta, 50 de ultralenta.

Esta información será representada por la siguiente matriz de "requerimientos" A:

7 Adaptado de Richard F. Baum, "Insulin Requeriments as a Linear Process", en R. M. Thrall, J. A. Mortimer, K. R. Rebman y R. F. Baum (eds), Some Mathematical Models in Biology, edición revisada. Reporte 40241-R-7. Preparada en la Universidad de Michigan, 1967.

298

insulina semilenta insulina lenta insulina ultralenta

donde A está dada por

Huésped . Huésped 1 Huésped 123

[

20 40 30 30 O 10 10 O 30

• I~

Recuerde que el huésped 1 permanecerá 7 estará 14 días, el 3, 21 días y el huésped 4 28 días! hacer que el vector columna T represente el días, que cada huésped permanecerá en la IJU"aU¡1,

Para determinar las cantidades totales de los tres insulina necesarios para los cuatro huéspedes, producto matricial AT:

[20 40 30 lt~l AT = 30 O 10 10 21 10 O 30 50 28

1O(7{~ 4 3

nm O 1 O 3

•

Aplicación Práctica: Requerimientos de insulina como proceso lineal 299

[23] [1610] = 70 10 = 700 = B. 30 2100

B (o AT) indica que un total de 1610 unidades de semilenta, 700 unidades de insulina lenta y 2100 de insulina ultralenta serán requeridas en total

cuatro huéspedes. Ahora, cambiando un poco el problema. Suponga que nUt~SpICU decidió duplicar el tiempo de estancia origi

que da la cantidad total de insulina necesaria

A(2T) = 2(AT) = 2B = [~~~~]. 4200 J

efecto, si cada huésped planeó extender un factor el tiempo original en la posada (esto es, el hués

planeó permanecer durante k . 7 días, el huésped 2 · 14 días, y así sucesivamente), entonces los requeri

de insulina serían

. [k' 1610] A(kT) ~ k(AT) = kB = k· 700 .

k·2100

mismo modo, si los huéspedes decidieran agre, 4, Y 6 días, respectivamente, a los tiempos que

proyectaron permanecer, entonces las cantiinsulina requeridas serán

~T, + T,) = AT + AT"

dondeT, = m en los resultados hasta este punto, es obvio que

.. "' .... '''"L'' ecuación matricial generaliza la situación.

[

20 30

, 10

AX = B

¡mT'rp""nt~ el sistema lineal

{

20XI + 40X2 + 30X3 + IOX4 = b" 30xI + IOX3 + IOx4 = b2,

10x, + 30X3 + 50x4 = b3,

donde XI es el número de días que el huésped i permanece en la posada y b¡, b

2, b

3 dan, respectivamente, el número

total de unidades de insulina semi lenta, lenta y ultralenta necesarias para los cuatro huéspedes durante su estancia completa en la posada.

Por último, suponga una vez más que el vector T representa el número de días que cada huésped planeó originalmente permanecer en la posada. Además, suponga que el vector e proporciona el costo (en centavos) por unidad de insulina de los tres tipos, donde

e = [j] = matriz de eosto.

Esto es, una unidad de semilenta cuesta 9 centavos, una unidad de lenta cuesta 8 centavos y una unidad de ultralenta cuesta 10 centavos. Entonces la cantidad total pagada por la posada por toda la insulina necesaria para los cuatro huéspedes es

[41,090],

esto es, 41,090 centavos o $410.90.

EJERCICIOS

1. Suponga que el huésped l permanecerá en la posada por 7 días, el huésped 2 por 10 días, el huésped 3 por 7 días y el huésped 4 por 5 días. Los requerimientos diarios de los cuatro y la matriz de costo son los mismos que los dados en el estudio anterior. Encuentre la cantidad total que la posada debe pagar por toda la insulina necesaria para los huéspedes.

2. Suponga que el huésped 1 permanecerá en la posada durante 4 días, el huésped 2 por 7 días y el huésped 3 por 10 días. El huésped 4 cambia sus planes y no permanecerá en la posada. Los requerimientos diarios de los tres huéspedes y la matriz de costo son los mismos que los dados en el estudio. Encuentre la cantidad total que la posada debe pagar por toda la insulina necesaria por los huéspedes.

de 39

CAPÍTULO 4: ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA

En capítulos anteriores revisamos el diseño de estudios y la obtención de datos a través del muestreo, en este capítulo aprenderemos a trabajar con los datos y a resumirlos, de manera gráfica y numérica, para convertirlos en información útil para el problema en estudio. La estadística descriptiva trata dos aspectos: el obtener información de los datos también conocido como “análisis exploratorio de datos”* y por otro lado se preocupa de la "presentación de resultados". En este capítulo hablaremos sobre: Tipos de Variables Métodos gráficos y numéricos para describir variables cualitativas - Tablas de distribución de frecuencias. - Gráficos para variables cualitativas: Sectorial y de Barras. Métodos gráficos para describir variables cuantitativas - Gráfico de Puntos. - Diagrama de Tallo y Hojas. - Histograma. Métodos numéricos para describir variables cuantitativas - Medidas de Tendencia Central: Promedio, Mediana, Moda. - Medidas de Dispersión: Rango, Desviación Estándar, Rango entre Cuarteles. - Medidas de Posición Relativa. Transformaciones lineales y estandarización

* El padre del análisis exploratorio de datos es John W. Tukey (1915-2000) Estados Unidos

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Tipos de variables La base de datos número 1, adjunta, contiene la información de 36 alumnos de un curso de Estadística de la Universidad de Talca.

Base de datos 1:

Número

Sexo

Edad

Estatura

Peso

Ciudad de residencia

Número de hermanos 1 M 22 180 74 SAN FERNANDO 7 2 M 20 175 95 CHILLAN 2 3 M 20 178 68 TALCA 2 4 M 22 183 75 TALCA 7 5 M 25 180 76 LINARES 3 6 M 22 180 78 SANTIAGO 1 7 M 21 180 . TALCA 1 8 M 24 182 85 TALCA 1 9 M 21 177 78 CURICO 1

10 M 21 184 85 SANTIAGO 0 11 M 20 172 70 SAN FERNANDO 3 12 M 21 173 59 IQUIQUE 4 13 F 20 162 56 SANTIAGO 0 14 M 22 194 105 LINARES 4 15 M 20 174 79 SANTIAGO 1 16 F 20 165 50 SAN JAVIER 1 17 F 22 167 58 TALCA 1 18 F 20 155 52 PUERTO MONTT 2 19 M 20 174 65 LINARES 2 20 F 20 160 48 SANTIAGO 2 21 F 22 155 58 SANTIAGO 1 22 M 19 174 80 SAN FELIPE 1 23 F 19 162 60 MELIPILLA 1 24 M 19 180 82 TALCA 3 25 F 20 160 57 TALCA 1 26 F 21 170 70 SANTIAGO 2 27 F 20 155 50 SANTIAGO 1 28 F 21 160 60 TALCA 1 29 F 22 166 61 PUERTO IBAÑEZ 1 30 M 19 170 68 RANCAGUA 3 31 F 22 160 60 SANTIAGO 1 32 M 20 182 72 TALCA 1 33 F 19 162 55 RANCAGUA 2 34 F 20 154 46 SANTIAGO 3 35 F 19 155 50 RANCAGUA 2 36 M 20 184 85 RANCAGUA 5

En esta base de datos podemos notar que los alumnos tienen distintas características, por ejemplo, no todos vienen de la misma ciudad.

de 39

Definiciones: Unidad es el objeto que observamos. Cuando el objeto es una persona, lo referimos como sujeto. Observación es la información o característica que registramos de cada unidad. Una característica que puede variar de unidad en unidad es llamada variable. Una colección de observaciones con una o más variables se llama base de datos.

Variables cualitativas son aquellas que clasifican las unidades en categorías. Las categorías pueden tener un orden natural (ordinales) o no (nominales). Las variables cualitativas también se llaman variables categóricas. Con estas variables podemos contar número de casos, comparar entre categorías, pero no podemos realizar operaciones numéricas. Variables cuantitativas tienen valores numéricos que representan medidas (largo, peso, etc.) o frecuencias (número de). Tiene sentido realizar operaciones numéricas con estas variables. Además distinguimos dentro de las variables cuantitativas las discretas y las continuas. Una variable discreta es aquella en la cuál se puede contar el número posible de valores. Una variable continua puede tomar cualquier valor en un intervalo dado.

Nominales Ordinales

Cualitativas

Discretas Continuas

Cuantitativas

Tipos de variables

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� Ejemplo Nominal: está asociada a nombres. Ejemplo: Marca de auto, Sexo, Religión.

Ordinal: tiene asociado un orden. Ejemplo: Nivel educacional, Estado nutricional, Nivel Socioeconómico.

Discreta: sólo puede tomar un número finito (o contable) de posible valores. Ejemplo: El número de respuestas correctas en una prueba de 5 preguntas de V o F.

0 1 2 3 4 5 Continua: puede tomar cualquier valor en un intervalo(s). Ejemplo: Cantidad de agua en un vaso de 50 ml.

0 50

20 ml

50 ml

0 ml

� Ejemplo Tipo de Variable. Determine qué tipo son las siguientes variables. Si son variables cualitativas (nominal u ordinal) o cuantitativas (discretas o continuas). a) Marca de automóvil. b) Duración de un compacto (segundos). c) Número de temas de un compacto. d) Nivel educacional (básica, media, universitaria). e) Temperatura al mediodía en Talca (grados Celcius). f) Estado civil (soltero, casado, divorciado, viudo). g) Cantidad de lluvia en un año en Talca (mm3).

de 39

Métodos gráficos y numéricos para describir variables cualitativas Definición: La distribución de una variable nos da los valores posibles de la variable y cuantas veces ocurren. La distribución de una variable nos muestra la forma en que varía la variable. Tablas de distribución de frecuencias. Lo primero que hacemos al querer describir variables cualitativas es contar cuántas unidades caen en cada categoría de la variable. Esto lo presentamos en una tabla de distribución de frecuencias de la forma:

Valor o categoría de la variable

Frecuencia

Porcentaje

...

Total n 100

� Ejemplo

Tabla de distribución de frecuencias del sexo de la base de datos 1

Sexo Número de alumnos Porcentaje de alumnos Femenino 16 44,4 Masculino 20 55,6 Total 36 100,0

En SPSS Analizar > Estadísticos Descriptivos > Frecuencias.

SEXO Frecuencia Porcentaje Porcentaje válido

Porcentaje acumulado

F 16 44.4 44.4 44.4 M 20 55.6 55.6 100.0

Válidos

Total 36 100.0 100.0

La salida de SPSS tiene columnas que no aportan información, Usted deberá editar estas tablas con la información que es relevante y borrar lo que no interesa.

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Gráficos para variables cualitativas. Una vez que conocemos la distribución de la variable, nos interesa presentarla de alguna manera gráfica, uno de los gráficos o diagramas más usados en variables cualitativas son los diagramas sectoriales o de torta y los gráficos de barra. Un gráfico sectorial (o de torta) muestra la distribución de una variable cualitativa dividiendo un círculo en partes que corresponden a las categorías de la variable, tal que el tamaño (ángulo) de cada pedazo es proporcional al porcentaje de ítems en cada categoría. Un gráfico de barras muestra la distribución de una variable cualitativa listando las categorías o valores de la variable en el eje X y dibujando una barra sobre cada categoría. La altura de la barra es igual al porcentaje de ítems en esa categoría. Las barras deben tener el mismo ancho. Gráfico sectorial. Figura 1 (a): Figura 1 (b): Diagrama sectorial con 1/4 de los ítems que comparten alguna propiedad.

Diagrama sectorial con 7/8 de los ítems que comparten alguna propiedad

75.0%

25.0%

87.5%

12.5%

Diagrama sectorial para la variable SEXO de base de datos 1

55.6%

44.4%

M

F

de 39

Gráfico de barras Compare los siguientes gráficos. ¿Cuáles son las diferencias? Gráfico de barras: Sexo en la base de datos 1.

Sexo

MF

Porcentaje

60

50

40

30

20

10

0

Sexo

MF

Frecuencia

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

21

Compare los siguientes gráficos. ¿Cuáles son las diferencias?

Sexo

MF

Porcentaje

60

50

40

30

20

10

0

Sexo

MF

Porcentaje

60

58

56

54

52

50

48

46

44

42

40

de 39

Gráfico de Barras: Ciudad de procedencia de alumnos de base de datos 1.

� Ejemplo Métodos gráficos y numéricos para describir datos cualitativos

Tabla: Distribución de frecuencias de formas de hojas simples de una muestra de 39 hojas del parque de la Universidad de Talca, sector del edificio Prosperidad, I semestre 2001.

Formas de hojas simples Número de hojas Porcentaje de hojas

Aciculada 4 10,3 Elíptica 9 23,1 Flagelada 2 5,1 Lanceolada 5 12,8 Lobulada 3 7,7 Ovada 5 12,8 Ovovada 3 7,7 Palmada 8 20,5

Total 39 100

CIUDAD

TALCA

SANTIAGO

SAN JAVIER

SAN FERNANDO

SAN FELIPE

RANCAGUA

PUERTO MONTT

PUERTO IBAÑEZ

MELIPILLA

LINARES

IQUIQUE

CHILLAN

CURICO

Porcentaje

30

20

10

0

de 39

Figura 1: Gráfico de barras que muestra la frecuencia de formas de hojas simples.

Alternativamente podemos describir gráficamente con un gráfico circular como el de la figura 2. Figura 2: Gráfico circular que muestra la frecuencia de formas de hojas simples.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Aciculada Elíptica Flavelada Lanceolada Lobulada Ovada Ovovada Palmada

Forma de hojas simples

Frecuencia

Aciculada10%

Elíptica22%

Flavelada5%

Lanceolada13%

Lobulada8%

Ovada13%

Ovovada8%

Palmada21%

de 39

Métodos gráficos para describir variables cuantitativas En esta sección veremos de qué manera podemos describir gráficamente las variables cuantitativas. Veremos 3 tipos de gráficos:

1. Gráfico de puntos. 2. Diagrama de Tallo y Hojas. 3. Histograma.

1. Gráfico de Puntos.

� Ejemplo ¿Cuántas llaves tiene en su bolsillo? Haga un gráfico de frecuencias (de puntos) con el número de llaves que tienen los estudiantes que asisten hoy a clases. Describa la forma del gráfico. Formas de Distribuciones

Simétrica, acampanada, unimodal Bimodal

Sesgada a la derecha (sesgo positivo) Sesgada a la izquierda (sesgo negativo)

Uniforme

de 39

Los términos usados para describir la forma de una distribución son: • Simétrica: La distribución puede ser dividida en dos partes alrededor de un valor central y

cada parte es el reflejo de la otra. • Sesgada: Un lado de la distribución se alarga más que el otro. La dirección del sesgo es la

dirección del lado más largo. • Unimodal: La distribución tiene un único máximo que muestra el o los valores más comunes

en los datos. • Bimodal: La distribución tiene dos máximos. Esto resulta a menudo cuando la muestra

proviene de dos poblaciones.

• Uniforme: Los valores posibles tienen la misma frecuencia.

� Ejemplo BASE DE DATOS médica = medidas en 20 individuos que fueron parte de un estudio médico para reducir la presión sanguínea.

Número Sexo Edad N_tabletas Presión_antes Presión_después 1001 M 45 2 100.2 100.1 1002 M 41 1 98.5 100.0 1003 F 51 2 100.8 101.1 1004 F 46 2 101.1 100.9 1005 F 47 3 100.0 99.8 1006 M 42 2 99.0 100.2 1007 M 43 4 100.7 100.7 1008 F 50 2 100.3 100.9 1009 M 39 1 100.6 101.0 1010 M 32 1 99.9 98.5 1011 M 41 2 101.0 101.4 1012 M 44 2 100.9 100.8 1013 F 47 2 97.4 96.2 1014 F 49 3 98.8 99.6 1015 M 45 3 100.9 100.0 1016 F 42 1 101.1 100.1 1017 M 41 2 100.7 100.3 1018 F 40 1 97.8 98.1 1019 M 45 2 100.0 100.4 1020 M 37 3 101.5 100.8

de 39

2. Diagrama de Tallo y Hojas (Stem and Leaf). Los gráficos o diagramas de tallo y hoja son una manera muy fácil de ordenar y mirar la distribución de los datos.

Pasos para hacer un Tallo y Hoja: 1. Separar cada medida en un tallo y una hoja. Generalmente la hoja consiste en exactamente un dígito (el último) y el tallo consiste

en uno o más dígitos. Ejemplo: 734 => tallo=73, hoja=4 2,345 => tallo=2,34, hoja=5.

A veces se deja fuera el decimal pero se agrega una nota de cómo leer el valor. Para 2,345 por ejemplo podremos decir que 234 | 5 se debe leer como 2,345.

2. Escribir los tallos en orden creciente de arriba abajo y dibujar una línea a la derecha de los tallos.

3. Agregar las hojas a su respectivo tallo en orden creciente.

� Ejemplo Diagrama básico de Tallo y Hoja para la Edad de base de datos de un estudio médico. Considere las edades de 20 sujetos de la base de datos médica. 1. Separamos los números en un tallo y una hoja:

45 41 51 46 47 42 43 50 39 32 41 44 47 49 45 42 41 40 45 37

2. Elegimos el tallo y lo anotamos en orden creciente 3. Agregamos las hojas en orden creciente:

de 39

Una modificación útil es que podemos dividir los tallos:

Note que el menor valor representado por 3 | 2 se lee 32 años. Así podemos visualizar mejor que la distribución de las edades de los sujetos es aproximadamente simétrica, centrada en aproximadamente 43-44, sin valores extremos evidentes (observaciones que caen fuera del patrón general de datos).

� Ejemplo Puntajes de pruebas de dos estudiantes. Estudiante A: 80 52 86 94 76 48 92 69 79 45 Estudiante B: 73 87 81 75 78 82 84 74 80 76 Construya un gráfico de tallo y hoja comparativo para los datos ¿Puede decir a cuál de los dos le ha ido mejor? Explique.

� Pensemos ¿Qué está malo? Explique por qué los siguientes gráficos de tallo y hojas no reflejan bien a la distribución de los datos. Tallo y hoja 1 Tallo y Hoja 2 Tallo y hoja 3 27 | 9 2 | 1 1 2 2 2 3 4 4 5 5 6 7 7 8 9 18 | 1 32 | 0 1 1 7 8 3 | 0 2 2 3 3 4 6 7 8 19 | 0 33 | 1 2 2 5 9 4 | 0 1 1 20 | 34 | 0 3 4 21 | 1 2 8 35 | 1 1 Nota: 2 | 1 representa 21 22 | 0 23 | 7 Nota: 27 | 9 representa 279 24 | 25 | 5 8 26 | 2 3 27 | 0 5 28 | 1 2 9 29 | 2 30 | 7 31 | 6 32 | 33 | 0 34 | 35 | 0 Nota:18 | 1 representa 181

3 | 2

3 | 7 9 4 | 0 1 1 1 2 2 3 4 4 | 5 5 5 6 7 7 9 5 | 0 1

de 39

En SPSS Analizar > Estadísticos Descriptivos > Explorar > Gráficos > Tallo y Hojas. TALLO1 Stem-and-Leaf Plot

Frequency Stem & Leaf

1.00 27 . 9

0.00 28 .

0.00 28 .

0.00 29 .

0.00 29 .

0.00 30 .

0.00 30 .

0.00 31 .

0.00 31 .

3.00 32 . 011

2.00 32 . 78

3.00 33 . 122

2.00 33 . 59

3.00 34 . 034

0.00 34 .

2.00 35 . 11

Stem width: 10

Each leaf: 1 case(s)

TALLO2 Stem-and-Leaf Plot


2.00 2 . 11

4.00 2 . 2223

4.00 2 . 4455

3.00 2 . 677

2.00 2 . 89

1.00 3 . 0

2.00 3 . 22

Stem width: 10


TALLO3 Stem-and-Leaf Plot


2.00 1 . 89

5.00 2 . 11123

10.00 2 . 5566778889

1.00 3 . 0

Stem width: 100


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En SPSS Analicemos ahora la salida que nos entrega el programa SPSS. Estos diagramas contienen datos de la estatura (en cms) y de edad de los alumnos de la base de datos de 36 alumnos de Estadística: Diagrama 1ESTATURA Stem-and-Leaf Plot Frequency Stem & Leaf 1.00 15 . 4 4.00 15 . 5555 7.00 16 . 0000222 3.00 16 . 567 7.00 17 . 0023444 3.00 17 . 578 10.00 18 . 0000022344 .00 18 . 1.00 19 . 4 Stem width: 10 Each leaf: 1 case(s)

Diagrama 2 EDAD Stem-and-Leaf Plot Frequency Stem & Leaf 6.00 19 . 000000 14.00 20 . 00000000000000 6.00 21 . 000000 8.00 22 . 00000000 .00 23 . 1.00 24 . 0 1.00 Extremes (>=25.0) Stem width: 1 Each leaf: 1 case(s)

3. Histograma Los histogramas son otra manera de mostrar la distribución de una variable cuantitativa. Pasos para hacer un histograma: 1. Dividir el rango de los datos (menor a mayor) en clases del mismo ancho. Las clases

deben contener el rango posible de datos y no se deben superponer. Ej. Si los datos van de 0 a 29, comience en 0 hasta 30 de ancho 5.

2. Contar el número de observaciones (frecuencias) que caen en cada clase. 3. Dibujar en el eje horizontal y marcar las clases. 4. El eje vertical puede contener la frecuencia, la proporción, o el porcentaje. 5. Dibujar un rectángulo (una barra vertical) en cada clase con la altura igual a la

frecuencia, la proporción, o el porcentaje.

de 39

� Ejemplo Histograma de Edad Veamos nuevamente las edades de la base de datos médica. El rango va de 32 a 51, entonces podemos crear clases que comiencen en 30 con incrementos de 5 hasta 55. Puede intentar diferentes clases con distinto ancho hasta obtener una buena representación. Para empezar es necesario construir una tabla de distribución de frecuencias:

Clase Cuenta Número de observaciones Porcentaje

(30,35] / 1 1/20 = 0.05 => 5%

(35,40] /// 3 3/20 = 0.15 => 15%

(40,45] ////////// 10 10/20 = 0.50 => 50%

(45,50] ///// 5 5/20 = 0.25 => 25%

(50,55] / 1 1/20 = 0.05 => 5%

Histograma para Edad de base de datos médica:

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En SPSS Gráficos > Generador de Gráficos > Histograma.

ESTATURA

192 - 198

186 - 192

181 - 186

175 - 181

169 - 175

164 - 169

158 - 164

153 - 158

Histograma de la estatura de 36 alumnos

Frecuencia

10

8

6

4

2

0

EDAD

25 - 2723 - 2521 - 2319 - 21

Histograma para la edad de 36 alumnos

Frecuencia

30

20

10

0

En SPSS Comparemos histogramas con tallo y hoja.

Número de hermanos

76543210

Histograma para el número de hermanos

de 36 alumnos

Frecuencia

20

10

0

Número de hermanos Stem-and-Leaf Plot


2.00 0 . 00

16.00 1 . 0000000000000000

8.00 2 . 00000000

5.00 3 . 00000

2.00 4 . 00

1.00 5 . 0

2.00 Extremes (>=7.0)

Stem width: 1


de 39

Cuidado con usar gráficos de barras para variables cuantitativas:

Gráfico de barras: número de hermanos

7543210

Frecuencia

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

76543210

Histograma para el número de hermanos20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Guía para gráficos, figuras o diagramas: Hay ciertos errores comunes que aparecen en gráficos que pueden hacer que se mal interprete la información. Cuando construya gráficos:

- Póngale un título apropiado. - Incluya la fuente de los datos o cualquier información relevante. - Escriba el nombre de la variable que se describe en los ejes. - Incluya las unidades de medida de las variables. - Verifique si el eje de la frecuencia, proporción o porcentaje comienza en cero. - Verifique si los ejes mantienen una escala constante

� Ejemplo Histograma del Peso al nacer de los recién nacidos en 1993 en Chile.

Fuente: Instituto Nacional de Estadística.

260 893 1526 2159 2792 3425 4058 4691 5324 5957 6590 Peso de Nacimiento en gramos

0

10

20

30

40

%

de 39

Métodos numéricos para describir variables cuantitativas En este capítulo, empezamos a organizar y resumir los datos, primero tratamos las variables cualitativas, luego la descripción gráfica de variables cuantitativas, ahora estudiaremos cómo obtener buen resumen numérico de los datos. Específicamente estudiaremos medidas de resumen o medidas descriptivas numéricas que son de tres tipos:

- las que ayudan a encontrar el centro de la distribución, llamadas medidas de tendencia central.

- las que miden la dispersión, llamadas medidas de dispersión. - las que describen la posición relativa de una observación dentro del conjunto de datos,

llamadas medidas de posición relativa.

1. Medidas de Tendencia Central.

Las medidas de tendencia central son valores numéricos que quieren mostrar el centro de un conjunto de datos, nos interesan especialmente dos medidas: la media y la mediana. Si los datos son una muestra, el promedio y la mediana se llamarán estadísticas. Si los datos son una población entonces estas medidas de tendencia central se llamarán parámetros. Una Estadística es una medida descriptiva numérica calculada a partir de datos de una muestra. Un Parámetro es una medida descriptiva numérica que usa la totalidad de las unidades de una población. a) Promedio. El promedio de un conjunto de n observaciones es simplemente la suma de las observaciones dividida por el número de observaciones, n. Promedio de edad de los 20 sujetos en el estudio médico: Sume las 20 edades y divida por 20:

años 35,4320

37454746514145=

+++++++ L

Notación: Si nxxx ,...,, 21 denota una muestra de n observaciones, entonces el promedio de la

muestra se llama "x-barra" y se denota por:

n

xxx

n

x

x n

n

i

i+++

==∑= L211 1

Si se tiene TODOS los valores de una población, el promedio de la población es la suma de todos los valores dividida por cuántos son.

1 Pueden revisar la notación de sumatorias en Hopkins, K. Hopkins, B. Glass, G. (1997) Estadística básica para las ciencias sociales y del comportamiento. Tercera edición. Prentice Hall.

de 39

El promedio de la población se denota por la letra Griega µ (mu): N

xN

i

i∑== 1µ .

� Ejemplo Número promedio de niños por hogar. Los datos siguientes son el número de niños en una muestra aleatoria de 10 casas en un vecindario: 2, 3, 0, 2, 1, 0, 3, 0, 1, 4. El promedio de estas 10 observaciones es: 1,6 El resultado es 1,6 aunque no sea posible observar 1,6 niños en una casa. El promedio es 1,6 Supongamos que una observación en la última casa se anotó como 40 en vez de 4, ¿Qué le pasará al promedio? Notar que 9 de las 10 observaciones son menores que el promedio. El promedio es sensible a las observaciones extremas. La mayoría de los métodos gráficos nos ayudarán de detectar observaciones extremas.

� Ejemplo Un promedio NO es siempre representativo. Las notas en varias pruebas de Juanita son 1,0 6,9 2,0 1,8 1,3, calcule el promedio de Juanita.

� Ejemplo Combinando Promedios. El promedio de 3 estudiantes es 5,4 y el promedio de otros 4 estudiantes es 6,7, ¿Cuál es el promedio de los 7 estudiantes?

El promedio también se define como el punto de equilibrio, el punto donde distribución se balancea. Si la distribución es simétrica, el promedio será exactamente el centro de la distribución.

Mean =2

1 2 3

de 39

Si la observación más grande se mueve a la derecha, el promedio se mueve con la observación extrema.

Si la distribución es sesgada, vamos a querer usar una medida que sea más resistente para mostrar el centro. La medida de tendencia central que es más resistente a los valores extremos es la mediana. b) Mediana. Definición: La mediana de un conjunto de n observaciones, ordenadas de menor a mayor, es un valor tal que la mitad de las observaciones son menores o iguales que tal valor y la mitad de las observaciones son mayores o iguales que ese valor. Pasos para encontrar la mediana: 1. Ordenar los datos de menor a mayor; 2. Calcular la posición de la mediana: (n+1)/2, donde n es el número de observaciones 3. a) Si el número de observaciones es impar, la mediana es un único término central. b) Si el número de observaciones es par, la mediana es el promedio de los dos términos

centrales.

� Ejemplo Edades de n=20 sujetos... Calculamos (n+1)/2 obtenemos (20+1)/2 = 10,5. Entonces los términos centrales son la décima y undécima observaciones, es decir 43 y 44. La mediana es el promedio de estos dos términos, (43+44)/2=43,5 años. 32 37 39 40 41 41 41 42 42 43 44 45 45 45 46 47 47 49 50 51

Mean =2.5

1 2 5

Mean =4

1 2 11

de 39

� Ejemplo Mediana del número de niños por hogar. Encuentre la mediana del número de niños por hogar en la muestra de 10 hogares. Número de Niños: 2, 3, 0, 1, 4, 0, 3, 0, 1, 2. a) Ordenar las observaciones de menor a mayor: b) Calcular (n+1)/2 = _________________ c) Mediana = ______________ d) ¿Qué le pasa a la mediana si la quinta observación en la lista se anota incorrectamente como

40 en vez de 4? e) ¿Qué le pasa a la mediana si la tercera observación en la lista se anota incorrectamente como

–20 en vez de 0? Nota: La mediana es resistente (robusta), es decir, no cambia o cambia muy poco con

observaciones extremas. c) Moda. Definición: La moda de un conjunto de observaciones es el valor más frecuente. • La moda de los valores: { 0, 0, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 4 } es 0. • { 0, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 2, 3, 4 } dos modas, 0 y 2 (bimodal). • ¿Cuál sería la moda del siguiente conjunto de valores? { 0, 1, 2, 4, 5, 8 }. • {0, 0, 0, 0, 0, 1, 2, 3, 4, 4, 4, 4, 5} ... La Moda no se usa a menudo como medida de tendencia central para datos cuantitativos. Sin embargo la Moda es LA medida de tendencia central que puede ser calculada en datos cualitativos.

de 39

� Ejemplo Diferentes medidas pueden dar diferentes impresiones. El famoso trío - promedio, mediana y moda – representan tres métodos diferentes para encontrar EL valor del “centro”. Estos tres valores pueden ser un mismo valor pero a menudo son distintos. Cuando son distintos, pueden servir para diferentes interpretaciones de los datos que queremos resumir. Considere el ingreso mensual de cinco familias en un barrio: $120 000 $120 000 $300 000 $900 000 $1 000 000 ¿Cuál es el ingreso típico de este grupo? El ingreso mensual promedio es: La mediana del ingreso mensual es: La moda del ingreso mensual es: Si Usted está tratando de promover el barrio, ¿Qué medida usaría? Si Usted está tratando que bajen las contribuciones, ¿Qué medida usaría?

CIUDAD de origen de 36 alumnos

TALCA

SANTIAGO

SAN JAVIER

SAN FERNA

NDO

SAN FELIPE

RANCAGUA

PUERTO

MONTT

PUERTO

IBAÑEZ

MELIP

ILLA

LINARES

IQUIQ

UE

CHILLAN

CURICO

Frecuencia

12

10

8

6

4

2

0

de 39

¿Cuál medida de tendencia central usar?

Forma acampanada, Simétrica Bimodal

mean=median=mode

50%

mean=median

two modes Sesgada a la derecha Sesgada a la izquierda

mode

medianmean

50%

mode

medianmean

50%

� Pensemos Suponga que calcula el promedio, mediana y moda de una lista de números, ¿Cuál medida es siempre un número en la lista? Si la distribución es simétrica, ¿Cuál medida de tendencia central calcularía: el promedio o la mediana?, ¿Por qué?

� Ejemplo Una distribución diferente.

4 80

1/4

X

En la figura se muestra la distribución de una variable: a) ¿Es esta distribución simétrica? b) ¿Su mediana es menor, igual o mayor a

4? c) ¿Su promedio es menor, igual o mayor a

4?

de 39

� Ejemplo Buenas o malas medidas. Para los siguientes gráficos describa qué tan buenas o malas son las tres medidas de tendencia central como descripción del centro de la distribución:

2. Medidas de Dispersión. Las medidas de tendencia central son útiles pero nos dan una interpretación parcial de los datos. Considere los dos siguientes conjuntos de datos: Datos 1: 55, 56, 57, 58, 59, 60, 60, 60, 61, 62, 63, 64, 65 X X XXXXXXXXXXX . 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 Datos 2: 35, 40, 45, 50, 55, 60, 60, 60, 65, 70, 75, 80, 85 X

X X X X X X X X X X X X . 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 a) Rango. Es la medida de variabilidad o dispersión más simple. Se calcula tomando la diferencia entre el valor máximo y el mínimo observado.

Rango = Máximo – Mínimo. X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Analice cuáles podrían ser las ventajas y desventajas del rango como medida de variabilidad.

de 39

b) Desviación Estándar. Es una medida de la dispersión de las observaciones a la media. Es un “promedio de la distancia de las observaciones a la media”.

� Ejemplo

Observación Desviación Desviación al cuadrado x xx − ( )2xx −

0 0 – 4 = - 4 16 5 5 – 4 = 1 1 7 7 – 4 = 3 9

Promedio = 4 Suma = 0 Suma = 26 La varianza muestral está definida como la suma de las desviaciones al cuadrado divididas por el tamaño muestral menos 1, es decir, dividas por 1−n .

( ) ( ) ( )13

226

29116

13314

muestral varianza222

==++

=−

++−=

6,313muestralestándar desviación ≈=

� Ejemplo Desviación estándar para el número de niños por hogar. Recordemos los datos del número de niños por hogar en una muestra de 10 casas de un barrio: 2, 3, 0, 2, 1, 0, 3, 0, 1, 4 Use su calculadora científica y compruebe es siguiente resultado:

"Los hogares tienen, en promedio 1,6 niños con una variación de alrededor de 1,43 niños".

� En Resumen Pensemos la desviación estándar como aproximadamente un promedio de las distancias de las observaciones a la media. Si todas las observaciones son iguales, entonces la desviación estándar es cero. La desviación estándar es positiva y mientras más alejados están los valores del promedio, mayor será la desviación estándar.

0 1 2 3 4 5 6 7

mean=4

deviation = -4deviation =1

deviation = 3

de 39

Si nxxx ,...,, 21 denota una muestra de n observaciones, la varianza muestral se denota por:

( ) ( ) ( ) ( )11

222

21

22

−

−++−+−=

−

−=∑

n

xxxxxx

n

xxs ni L

La desviación estándar muestral, denotada por s , es la raíz cuadrada de la varianza:

2ss = . La desviación estándar poblacional, se denota por la letra Griega σ (sigma), es la raíz cuadrada de la varianza poblacional y se calcula como:

( )N

x i∑ −==

22

µσσ .

Notas: - La varianza y la desviación estándar no son medidas de variabilidad distintas, debido a que la

última no puede determinarse a menos que se conozca la primera. - A menudo se prefiere la desviación estándar en relación con la varianza, porque se expresa en

las mismas unidades físicas de las observaciones. - Así como el promedio es una medida de tendencia central que no es resistente a las

observaciones extremas, la desviación estándar, que usa el promedio en su definición, tampoco es una medida de dispersión resistente a valores extremos.

- Tenemos argumentos estadísticos para demostrar por qué dividimos por 1−n en vez de n en

el denominador de la varianza muestral. Cuartiles La mediana de una distribución divide los datos en dos partes iguales:

Datos ordenados en orden creciente:

50%

50%

Mínimo Mediana Máximo También es posible dividir los datos en más de dos partes. Cuando se dividen un conjunto ordenado de datos en cuatro partes iguales, los puntos de división se conocen como cuartiles y los representamos por Q1, Q2 y Q3.


25%

25%

25%

25%

Mínimo Q1 Q2 Q3 Máximo

de 39

c) Rango entre cuartiles. La diferencia entre el tercer cuartil y el primer cuartil se llama rango entre cuartiles, denotado por RQ=Q3-Q1. El rango entre cuartiles mide la variabilidad de la mitad central de los datos. Pasos para calcular cuartiles: 1. Encontrar la mediana de todas las observaciones. 2. Encontrar el primer cuartil = Q1 = mediana de las observaciones que son menores a la

mediana. 3. Encontrar el tercer cuartil = Q3 = mediana de las observaciones que son mayores a la

mediana. Notas: - Cuando el número de observaciones es impar, la observación del medio es la mediana. Esta

observación no se incluye luego en los cálculos de Q1 y Q3. - Pueden encontrar diferentes fórmulas en libros, calculadoras o computadores, pero todas estas

fórmulas se basan en el mismo concepto. - Si la distribución es simétrica, los cuartiles deben estar a la misma distancia de la mediana.

� Ejemplo Cuartiles para la Edad. Lista ordenada de las edades de los 20 sujetos en el estudio médico: 32 37 39 40 41 41 41 42 42 43 44 45 45 45 46 47 47 49 50 51

median = 43.5

Q1 = 41 Q3 = 46.5 Podemos ver que la distribución de la edad es aproximadamente simétrica y que los cuartiles están casi a la misma distancia de la mediana.

2

4

6

8

30 35 4540 50 55

Count

de 39

� Ejemplo ¿Qué es Variabilidad? Considere los 4 conjuntos de datos siguientes y sus histogramas: Datos I: 2 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 5 Datos II: 3 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 6 Datos III: 2 3 3 4 4 4 4 4 4 4 5 5 6 Datos IV: 3 3 3 3 3 3 4 5 5 5 5 5 5

Medidas de variabilidad I II III IV Rango Rango entre cuartiles Desviación Estándar

Algunas personas asocian variabilidad con rango mientras que otras asocian variabilidad con cómo difieren los valores de la media. Hay muchas medidas de variabilidad, y la desviación estándar es la más usada. Pero recuerden que una distribución con la menor desviación estándar no es necesariamente la distribución que es menos variable con respecto a otras definiciones de variabilidad2.

2 Referencia: Nitko, A. (1983) Educational Tests and Measurement: An Introduction. Harcourt.

2 3 4 51 6

2

4

6Distribution I

2 3 4 51 6

2

4

6Distribution II

2 3 4 51 6

2

4

6

Distribution III

2 3 4 51 6

2

4

6

Distribution IV

de 39

� En Resumen Cuando queremos describir una variable usamos alguna medida de posición central y una medida de dispersión. El par de medidas más comúnmente usado es el promedio y la desviación estándar. Pero vimos que cuando la distribución de las observaciones es sesgada, el promedio no es una buena medida de posición central y preferimos la mediana. La mediana en general va acompañada del rango como medida de dispersión. Pero cuando observamos valores extraños (extremos) el rango se ve muy afectado, por lo que preferimos usar el rango entre cuartiles. Medida de tendencia central

Medida de dispersión

Uso en Distribuciones

Ventajas

Desventajas

Promedio Desviación estándar

Simétricas Buenas propiedades, muy usados.

Sensible a valores extremos.

Mediana Rango Sesgadas, sin valores extremos

Mediana robusta a valores extremos. Rango muy conocido, fácil de entender.

Rango sensible a valores extremos.

Mediana Rango entre cuartiles

Sesgadas con valores extremos

Medidas robustas a valores extremos.

El rango entre cuartiles no es muy conocido.

3. Medidas de posición relativa.

Los cuartiles dividen un conjunto ordenado de datos, en cuatro partes iguales:


25%

25%

25%

25%

Mínimo Q1 Q2 Q3 Máximo También podemos dividir conjuntos de datos en 100 partes iguales y los puntos de división se conocen como percentiles.


1%

1%

1%

1%

1%

1%

1%

...

1%

1%

1%

1%

1%

1%

Mín P1 P2 P3 . . . . . . P97 P98 P99 Máx Es así como los cuartiles son en realidad los percentiles 25, 50 y 75, respectivamente. En general, el k-ésimo percentil es un valor tal que el k% de los datos son menores o iguales que él, y el (100-k)% restante son mayores o iguales que él.


k%

(100-k)%

Mínimo Pk Máximo

de 39

Por ejemplo, el 25-ésimo percentil o percentil 25 (P25) es un valor tal que el 25% de los datos son menores o iguales que él, y el (100-25) = 75% restante son mayores o iguales que él.

Definición: Las medidas de posición relativa son medidas que describen la posición que tiene un valor específico en relación con el resto de los datos.

� Ejemplo Si su nota estuvo en el percentil 84, entonces el 84% de las notas fueron inferiores a la suya y el 16% superiores. Además existen los quintiles y los deciles, ¿Cuáles serán? Usos de medidas de posición relativa en: - Calificaciones de exámenes. - Puntajes en tests Psicológicos. - Curvas de crecimiento en salud (http://www.cdc.gov/growthcharts/)

Definición Valores extremos (outliers): son valores que se alejan del conjunto de datos. Regla para identificar valores o datos extremos: Vamos a definir una observación xi como extrema si:

xi < Q1 – 1,5 * (Q3-Q1) o xi > Q3 + 1,5 * (Q3-Q1) donde xi serán las primeras y últimas observaciones en la serie ordenada de los datos.

� Ejemplo ¿Tiene valores extremos, la variable edad de los 20 sujetos en el estudio médico? 32 37 39 40 41 41 41 42 42 43 44 45 45 45 46 47 47 49 50 51

median = 43.5

Q1 = 41 Q3 = 46.5

de 39

Diagramas de caja (boxplot):

El diagrama de caja se construye de la siguiente manera: 1. Dibujar la caja que empieza en el primer cuartil y termina en el tercer cuartil. 2. Dibujar la mediana con una línea dentro de la caja. 3. Por último se extienden las líneas, llamadas bigotes, saliendo de la caja hasta el mínimo y el

máximo (salvo en la presencia de valores extremos).

� Ejemplo Gráfico de caja para la EDAD

min = 32 Q1 = 41 mediana = 43,5 Q3= 46,5 max = 51

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56

Min Q1 Median Q3 Max

IQR

En la presencia de valores extremos, los "bigotes" se extienden hasta el valor observado anterior al valor extremo.

de 39

En SPSS Gráfico > Generador de Gráficos > Diagrama de Caja.

Diagrama de caja de edad en

base de datos médica según SPSS

EDAD

555045403530

10

La distancia entre la mediana y los cuartiles es aproximadamente la misma, lo que nos hace pensar que la distribución de los datos es más o menos simétrica como vimos antes en el histograma y en el tallo y hoja. Los gráficos de caja son muy útiles para comparar distribuciones de dos o más grupos. Por ejemplo, comparar los grupos de fumadores y no fumadores (ver ejercicios propuestos).

1412N =

Grupo

No fumadoresFumadores

Minutos

80

70

60

50

40

30

20

10

de 39

� Ejemplo En diciembre de 2004, SERNAC realizó un estudio acerca del precio de las bicicletas en Santiago. En el siguiente gráfico de caja se presentan los precios de 5 bicicletas Bianchi Modelo Goliat 12:

5N =

Bianchi Goliat 12

56

54

52

50

48

46

44

a) ¿Cuál es el rango aproximado del precio de las bicicletas? b) ¿Cuál es el valor aproximado del 25% de las bicicletas más caras?

� Ejemplo

Identifique las 5 medidas de resumen e identifique los valores extremos:

Edad de base de datos de 36 alumnos

26

25

24

23

22

21

20

19

18

Edad en años Stem-and-Leaf Plot


6.00 19 . 000000

14.00 20 . 00000000000000

6.00 21 . 000000

8.00 22 . 00000000

.00 23 .

1.00 24 . 0

1.00 Extremes (>=25.0)

Stem width: 1


Mínimo = _________

Q1 = ______________

Mediana = _________

Q3 = ______________

Máximo = _________

¿Valores extremos?

de 39

� Pensemos Si el gráfico de caja es simétrico, ¿Podemos concluir que la distribución de los datos es simétrica?

� Ejemplo Considere los siguientes conjuntos de datos (ordenados):

I II -1 1 2 2 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 6 6 7 9 1 1 1 1 1 1 3 3 4 6 7 7 9 9 9 9 9 9

Mínimo = -1

Q1 = 3

Mediana = 4

Q3 = 5

Máximo = 9

Mínimo = 1

Q1 = 1

Mediana = 5

Q3 = 9

Máximo = 9

III IV

de 39

� Ejemplo Diseño muestral. Los gráficos representan las notas en dos cursos de Estadística de los 3 últimos años que se dictan para la Facultad de Ciencias de la Salud y la Facultad de Ciencias Económicas. Año 2002 Año 2003 Año 2004 Fc Cs Salud FACE Fc Cs Salud FACE

Fc Cs Salud FACE

Considere tres diseños muestrales para estimar la verdadera media poblacional de las notas: i) muestreo aleatorio simple. ii) muestreo aleatorio estratificado tomando muestras del mismo tamaño en cada estrato. iii) muestreo aleatorio estratificado tomando más unidades de un estrato que de otro. Asuma que el tamaño muestral total es igual en todos los diseños. a) ¿Para qué población (2002, 2003 o 2004) los diseños (i) y (ii) son igualmente efectivos? b) ¿Para qué población (2002, 2003 o 2004) el diseño (ii) será el mejor? c) ¿Para qué población (2002, 2003 o 2004) el diseño (iii) será el mejor?, ¿De cuál

Facultad se debe obtener una muestra de mayor tamaño?

de 39

Anexo: Transformaciones lineales y estandarización.

� Ejemplo Una transformación. Se tiene datos del número de niños por hogar de 10 viviendas de un barrio: 2, 3, 2, 2, 1, 0, 3, 2, 1, 4 El promedio es 2,0 y desviación estándar = 1,1547 niños a) Suponga que queremos describir el número de personas en cada vivienda y suponga

que en cada vivienda hay 2 adultos: 4, 5, 4, 4, 3, 2, 5, 4, 3, 6 - Encuentre el promedio y la desviación estándar de esta nueva variable y compare

con las observaciones originales. - ¿Cómo cambia el promedio? ¿Cómo cambia la desviación estándar? - Describa como afecta al promedio y la desviación estándar el sumar una constante a

cada observación. b) Suponga que cada niño recibe una mesada semanal de $500. Describa ahora el gasto en

mesadas de cada vivienda. - Encuentre el promedio y la desviación estándar y compare con los obtenidos de las

observaciones originales. - ¿Cómo cambia el promedio?, ¿Cómo cambia la desviación estándar? - Describa cómo afecta al promedio y la desviación estándar el multiplicar una

constante a cada observación. Si X representa una variable, x su promedio y xs su desviación estándar. Sea Y=aX+b,

una transformación lineal de X, entonces: El promedio de Y es: bxay +=

y la desviación estándar: XY sas =

NOTA: |a| es el valor absoluto o módulo de la constante a, donde a es cualquier valor positivo o negativo y su módulo es siempre positivo.

� Ejemplo La temperatura mínima en Talca la semana del 14 al 20 de Mayo de 2001 fue de:

Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado Domingo X= t ºF 38 46 38 50 45 34 43

El promedio y la desviación estándar son: 42=x grados Fahrenheit y 67,5=Xs grados Fahrenheit.

de 39

Sea Y = la temperatura en escala de grados Celsius, Y está relacionada con X = la

temperatura en grados Fahrenheit, por la siguiente transformación lineal: )32(95

−= FC , o

en términos de Y y X: 9

16095

−= XY .

Calcule el promedio y la desviación estándar en grados Celsius. Si X representa una variable, x su promedio y xs su desviación estándar. Llamaremos z a

la variable estandarizada:

Xs

xxz

−=

Una variable está estandarizada si la variable tiene media cero y desviación estándar uno.

Note que la variable estandarizada Xs

xx − se puede expresar de la forma de una

transformación lineal:

−+

=

−

XXX

1s

xx

ss

xx con ,

1

X

=

sa y

−=

Xs

xb .

Calcule el promedio y desviación estándar de la variable número de niños estandarizada. Transformaciones no lineales3

� Ejemplo Se tienen datos sobre la emisión de monóxido de Carbono de 46 vehículos del mismo tipo (Monoxido.sav).

EN HC CO NOX

1 0,5 5,01 1,28 2 0,65 14,67 0,72 3 0,46 8,6 1,17 . . . . . . . . . . . .

44 0,46 3,99 2,01 45 0,47 5,22 1,12 46 0,55 7,47 1,39

A los investigadores les interesa calcular la media del monóxido de Carbono. Si analizamos el histograma adjunto, vemos que la distribución del monóxido de Carbono es sesgada a la derecha, por lo que la media no será un buen estimador del centro de la distribución. Como solución podemos transformar la variable usando el logaritmo natural y calculamos el

3 Lectura complementaria Capítulo 6 de Peña, D. Romo, J. (1999) Introducción a la Estadística para las Ciencias

Sociales. McGraw Hill.

de 39

promedio de la nueva variable. Pero al investigador le interesa conocer el valor de la media en las unidades originales de la variable, para eso convertimos a la unidad original de CO

con exponencial ( 2705,282,0 =e ). Esta media de la variable transformada se conoce como media geométrica.

Monóxido de Carbono

25,0020,0015,0010,005,000,00

Número de Vehículos

12,5

10,0

7,5

5,0

2,5

0,0

Histograma

Media =7,88DDesviación típica =5,163D

N =48

Monóxido de Carbono

25

20

15

10

5

0

2224

Media = 7,88.

Logaritmo del Monóxido de Carbono

1,251,000,750,500,25

Número de Vehículos

10

8

6

4

2

0

Histograma

Media =0,82DDesviación típica =0,26D

N =48

Logaritmo del Monóxido de Carbono

1,25

1,00

0,75

0,50

0,25

Media = 2,2705.

algebra matricial - herzog.economia.unam.mxherzog.economia.unam.mx/avisos/ec005.pdf · 222 6...

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