Matrizes e operações matriciais

O que é uma matriz, soma, produto, transposta e inversa, com um exemplo completo verificado.

TLDR

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Tipos e operações

  • Uma matriz A=[aij]A=[a_{ij}] de tipo m×nm\times n tem mm linhas e nn colunas. aija_{ij} fica na linha ii, coluna jj.
  • Soma e escalar fazem-se entrada a entrada e exigem o mesmo tipo.
  • O produto (m×p)(p×n)(m\times p)(p\times n) existe e tem tipo m×nm\times n:
(AB)ij=∑k=1paikbkj.(AB)_{ij}=\sum_{k=1}^p a_{ik}b_{kj}.

É associativo e distributivo, mas em geral AB≠BAAB\ne BA. Para AA de tipo m×nm\times n, ImA=AIn=AI_mA=AI_n=A.

Com A=[2103]A=\begin{bmatrix}2&1\\0&3\end{bmatrix} e B=[1−142]B=\begin{bmatrix}1&-1\\4&2\end{bmatrix}, AB=[60126]AB=\begin{bmatrix}6&0\\12&6\end{bmatrix} e BA=[2−2810]BA=\begin{bmatrix}2&-2\\8&10\end{bmatrix}. As colunas de AA são as imagens dos versores; o quadrado unitário vira um paralelogramo de área 6:

Transposta e inversa

A transposta troca linhas por colunas. A inversa só existe para uma matriz quadrada invertível, e satisfaz AA−1=A−1A=IAA^{-1}=A^{-1}A=I.

OperaçãoRegra
Transposta de uma soma(A+B)T=AT+BT(A+B)^T=A^T+B^T
Transposta de um produto(AB)T=BTAT(AB)^T=B^TA^T
Inversa de um produto invertível(AB)−1=B−1A−1(AB)^{-1}=B^{-1}A^{-1}
Inversa da transposta(AT)−1=(A−1)T(A^T)^{-1}=(A^{-1})^T

Para A=[abcd]A=\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}, a inversa existe exatamente quando ad−bc≠0ad-bc\ne0:

A−1=1ad−bc[d−b−ca].A^{-1}=\frac1{ad-bc}\begin{bmatrix}d&-b\\-c&a\end{bmatrix}.

Equações e potências

Com os fatores a inverter quadrados e invertíveis, AX=BAX=B dá X=A−1BX=A^{-1}B, XA=BXA=B dá X=BA−1X=BA^{-1} e AXB=CAXB=C dá X=A−1CB−1X=A^{-1}CB^{-1}.

  • Não há divisão por matrizes. Um produto nulo pode ter ambos os fatores não nulos: N=[0100]N=\begin{bmatrix}0&1\\0&0\end{bmatrix} satisfaz N2=0N^2=0.
  • (A+B)2=A2+AB+BA+B2(A+B)^2=A^2+AB+BA+B^2. Só juntamos os termos centrais se AB=BAAB=BA.
  • Para AA quadrada e k≥0k\ge0 inteiro, A0=IA^0=I. Numa diagonal, elevam-se as entradas da diagonal; numa matriz geral, não.
  • Multiplicar à esquerda por uma matriz elementar aplica a operação de linhas correspondente.

Uma relação polinomial pode fornecer a inversa: A2−3A+I=0A^2-3A+I=0 dá A(3I−A)=(3I−A)A=IA(3I-A)=(3I-A)A=I, logo A−1=3I−AA^{-1}=3I-A.

Simetria e ortogonalidade

  • Simétrica: AT=AA^T=A. Antissimétrica: AT=−AA^T=-A.
  • Ortogonal real quadrada: QTQ=IQ^TQ=I, logo Q−1=QTQ^{-1}=Q^T. As colunas têm norma 1 e são perpendiculares entre si.
  • Simetria e ortogonalidade são condições diferentes. 2I2I é simétrica, mas a sua inversa é I/2I/2.

Resolução de equações matriciais.

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