Title | AL Lista 1 - Algebra Linear - Steinbruch.pdf |
---|---|
Author | alexadnre lima |
Course | Elementos Teórico-Conceituais para o Ensino de Ciências Naturais nas Séries Iniciais do Ensino Fundamental |
Institution | Universidade de São Paulo |
Pages | 13 |
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Algebra Linear - Steinbruch.pdf...
FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA NÚCLEO DE MATEMÁTICA DISCIPLINA: ÁLGEBRA LINEAR
1ª LISTA DE EXERCÍCIOS Matrizes, Determinantes e Sistemas Lineares
Autores: Elecy Moreno, Rosely Bervian e Dian Soares 2018.1
SUMÁRIO
Matrizes, Determinantes e Sistemas Lineares . . . . . . . . . . . . .
2
Aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
Gabarito
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2
MATRIZES, DETERMINANTES E SISTEMAS LINEARES ∏
∏
∫
∫
𝑥⊗3 2 4𝑦 2 . Encontre a e𝐵= Questão 1. Sejam as matrizes 𝐴 = 𝑥 ⊗ 2𝑦 5 2 𝑥+4 razão entre 𝑥 e 𝑦 para que se tenha 𝐴 = 𝐵 . ∏
∏
∫
2 ⊗1 Questão 2. Sendo 𝐴 = e 𝐵 = 3 2 ∏ 2𝑋
sistema
+ 3𝑌 = 𝐵
0 ⊗1 0
⊗1
∏
Questão 3. Considere as seguintes matrizes 𝐴 = ∫
,
calcular as matrizes X e Y no
.
3𝑋 + 2𝑌 = 𝐴
∏
∫
∫
∏
2
⊗3 ⊗4
∫
∏
1
∫ ,
∏
𝐵 =
5 0 ⊗6 7
∫ ,
𝐶=
5 4 1 2 1 ⊗3 4 e𝐸 = , 𝐷 = . Determine: 6 11 3 4 2 6 ⊗5 (a) 5𝐴 ⊗ 2𝐵 (b) 2𝐴 + 3𝐵 1 (c) 2𝐷 ⊗ 𝐸 2 (d) 𝐴2 = 𝐴𝐴 (e) 𝐴𝐶 (f) Mostre que 𝐷𝐸 = 𝐸𝐷 e 𝐴𝐵 = 𝐵𝐴 ∏
∏
∫
∫
1 ⊗3 ⊗3 ⊗11 Questão 4. Se 𝐴 = e 𝐴𝐵 = , determine a matriz 𝐵 . ⊗3 5 1 17 ∏
∫
2 3 10 Questão 5. Determine 𝑥, 𝑦 , 𝑧 e a matriz 𝐵 de modo que 𝐴𝐵 = 6 12 25 , 𝐴 = ∏
4
∫
9 20
𝑥 1 2 e 𝐵 é uma matriz diagonal. 3 𝑦 5 2 3 𝑧
∏
∫
∏
∫
∏
∫
⊗1 ⊗2 2 1 4 . Questão 6. Sejam 𝐴 = ,𝐵= e 𝐶 = ⊗3 ⊗5 ⊗1 ⊗4 ⊗8 Determine, se possível, a matriz 𝑋, tal que 𝐴 + 𝐵𝑋 = 𝐶 .
1ª Lista de Exercícios: Matrizes, Determinantes e Sistemas Lineares ∏
Questão 7. Sejam as matrizes 𝐴 =
𝐵 t 𝐴t .
3
∫
∫ ∏ 2 1 2 4 , veriĄque se (𝐴𝐵 )t = e𝐵 = 6 3 1 6 ⊗2 4 ∏
Questão 8. Determine 𝑎 e 𝑏 para que a matriz
∫
2 4 2𝑎 ⊗ 𝑏 seja simétrica. 𝑎+𝑏 3 0 ⊗1 0
5
∏
0
Questão 9. Determine, se possível, 𝑥, 𝑦 ∈ 𝑅 para que a matriz
𝑥2
seja: (a) simétrica e (b) anti-simétrica.
𝑥+1
∫
2𝑥
1 3𝑦 ⊗ 1 ⊗4𝑥 𝑥3
0
Questão 10. Escreva as matrizes abaixo em sua forma escalonada reduzida e determine o posto e a nulidade de cada uma delas. ∏
1
⊗1 (a) 𝐴 = ∏
(c) 𝐶 =
1 ⊗1 1 3 2 1 (b) 𝐵 = 5
1 ⊗2 1 1 2 ⊗3
1
⊗2
3
0
⊗1
5
2
∫
∏
∫
2 1 0 0 3 5
∫
5 1
7 4
4 ⊗3 4 ⊗5 0 ∏
∫
∏
∫
∏
1 3 ⊗1 0 ,𝐵= e𝐶 = Questão 11. Dadas as matrizes 𝐴 = 0 1 2 ⊗1 determinar 𝑋 em cada equação abaixo:
∫
1 1 , 1 2
(a) (𝐴t 𝑋)−1 = (𝐵 −1 )−1 (b) 𝐶(𝐴 + 𝑋 )𝐵 = 𝐼 (c) (𝐴𝑋)−1 𝐵 = 𝐶𝐵 Questão 12. Supondo que as matrizes 𝐴 , 𝐵 e 𝐶 são inversíveis (a) ∏determine∫ a matriz 1 0 , 𝐵 −1 = 𝑋 na equação (𝐴−1 𝑋𝐶 t) −1 = 𝐵 . (b) Considerando as matrizes 𝐴 = ⊗1 2 ∏
∫
∏
∫
0 ⊗2 0 1 e 𝐶 −1 = e o resultado obtido na letra (a), determine a matriz 𝑋 1 3 ⊗2 7 (indicando os seus elementos). Questão 13. Calcule a inversa das matrizes abaixo utilizando as operações elementares sobre linhas.
1ª Lista de Exercícios: Matrizes, Determinantes e Sistemas Lineares ∫
∏
1 3 (a) 𝐴 = 2 7 ∏
1
∫
∏
∫
∏
∫
2 5 ⊗1 4 ⊗1 2 (d) 𝐷 =
1 ⊗1 2 0 3 2 ⊗4 (c) 𝐶 = ⊗2 ⊗4 3 0 1 ⊗2 5 4 ⊗2 3
(b) 𝐵 =
4
0
∏
1 1 Questão 14. Determine o valor de 𝑎 para que a matriz 2 1
4
1
∫
1 2 seja inversível.
1 2 𝑎+3
∫
∏
1 2 1 Questão 15. VeriĄque se a matriz 𝐴 = 2 1 1 é inversível. Em caso aĄrmativo, 1 1 2
calcule o determinante de 𝐴 . −1
∏
∫
2 1 3 0 1 2 1 0 . Questão 16. Encontre o determinante da matriz 𝐴 = 0 0 2 1 3 1 1 4 ∏
∫
⊗1 2 0 Questão 17. Considere uma matriz 𝐵 = 0 𝑥 𝑦 , onde a soma dos elementos da ⊗1 0 𝑦 𝑦2 diagonal principal e o seu determinate são iguais a 9 e ⊗20, respectivamente. Calcule 3 . 𝑥 ∏
∏
∫
∏ ∫ 1 1 1 0 1 1 6 ,𝑁 = Questão 18. Considere as matrizes 𝑀 = 0 3 e 𝑃 = 3 ⊗2 2 4 1 2 4 Calcule o determinante da Matriz 𝑄 = 𝑀 𝑁 + 𝑃 t . ∏
∫
∫
∏
∫
𝑥+1 𝑥 1 ⊗1 1 e 𝐵 = 𝑦⊗2 𝑦 matrizes reais tais que 𝐴𝐵 Questão 19. Sejam 𝐴 = 𝑦 ⊗𝑥 1 𝑧+3 𝑧 é uma matriz antissimétrica. Considere as aĄrmações abaixo: ∏
∫
1 ⊗1 1 . I. 𝐴 = 5 1 1 II. 𝐵𝐴 é uma matriz simétrica. III. O traço da matriz 𝐵𝐴 é igual a zero. (O traço de uma matriz quadrada é deĄnido como a soma dos elementos da diagonal principal da matriz). IV. O determinante da matriz 𝐴𝐵 é igual a 2. São verdadeiras, apenas, as aĄrmações:
1ª Lista de Exercícios: Matrizes, Determinantes e Sistemas Lineares
(a) I e II.
(d) II e IV.
(b) II e III.
(e) III e IV.
5
(c) I e III. ∏
∫
2 ⊗1 ⊗2 Questão 20. Determine a inversa da matriz 𝐴 = 4 1 2 pelo método da ad
junta.
8 ⊗1
1
∏ 𝑖 + 𝑗,
se 𝑖 < 𝑗
Questão 21. Considere a matriz 𝐴 = (𝑎ij )3×3, tal que 𝑎ij = 2(𝑖 ⊗ 𝑗 ) , se 𝑖 = 𝑗 . (𝑗 ⊗ 𝑖)2 , se 𝑖 > 𝑗 ∏
2
∫
⊗1 Determine 𝑋 na equação 𝐴𝑋 = 𝐵, onde 𝐵 = ⊗1 . 1
Questão 22. Usando escalonamento, resolva os seguintes sistemas de equações lineares: ∏ 2𝑥 + 𝑦
⊗ 2𝑧 = 10
(a) 3𝑥 + 2𝑦 + 2𝑧 = 1
(d)
5𝑥 + 4𝑦 + 3𝑧 = 4
∏ 𝑥 + 𝑦
∏ 𝑥 + 2𝑦
⊗𝑧 = 0
(b) 2𝑥 ⊗ 𝑦 + 3𝑧 = 0
+𝑧 =4
2𝑥 + 5𝑦 ⊗ 2𝑧 = 3 𝑥 + 7𝑦 ⊗ 7𝑧 = 5
∏ 𝑥 ⊗ 𝑦 + 2𝑧 ⊗ 𝑤 = ⊗1 2𝑥 + 𝑦 ⊗ 2𝑧 ⊗ 2𝑤 = ⊗2
(e)
(c)
4𝑥 + 3𝑦 + 𝑧 = 0
∏ 𝑥 ⊗ 2𝑦
+ 3𝑧 = 0
2𝑥 + 5𝑦 + 6𝑧 = 0
∏ 𝑥 + 𝑦
(b) ⊗2
3𝑥 ⊗ 3𝑤 = ⊗3
∏ 𝑥 + 𝑦 𝑥+𝑦
+𝑧+𝑡=0 +𝑧⊗𝑡= 4
𝑥 + 𝑦 ⊗ 𝑧 + 𝑡 = ⊗4
𝑥⊗𝑦+𝑧+𝑡= 2
+𝑧 =0
Questão 23. Resolvendo o sistema 2𝑥 ⊗ 𝑦 ⊗ 2𝑧 = 1 6𝑦 + 𝑧 = 12 𝑧 é igual a: (a) ⊗3
(f)
⊗𝑥 + 2𝑦 ⊗ 4𝑧 + 𝑤 = 1
(c) 0
Questão 24. O sistema de equações lineares
, pode-se aĄrmar que o valor de
(d) 2 ∏ 2𝑥 ⊗ 𝑦 + 3𝑧 = 0 4𝑥 ⊗ 3𝑦 + 2𝑧 = 0
𝑥+𝑦+𝑧 =0
3𝑥 + 𝑦 + 𝑧 = 0
(e) 3
, é classiĄcado como:
1ª Lista de Exercícios: Matrizes, Determinantes e Sistemas Lineares
6
(a) Sistema possível e determinado, com 𝑥 = 0. (b) Sistema possível e determinado, com 𝑥 = 1. (c) Sistema possível e determinado, com 𝑥 = 11. (d) Sistema possível e indeterminado. (e) Sistema impossível. Questão 25. Resolva os seguintes sistemas de equações lineares utilizando a regra de Cramer. ∏ 2𝑥 + 𝑦
∏ 𝑥 + 3𝑦
+ 2𝑧 = 4
(a) 𝑥 + 2𝑦 + 𝑧 = ⊗1 3𝑥 + 5𝑦 + 2𝑧 = 1
∏ 𝑥 + 𝑦
⊗𝑧 = 0
(b) 2𝑦 + 2𝑧 = 0 𝑥+𝑦+𝑧 =0
⊗𝑧 = 0
(c) 2𝑥 + 𝑦 + 𝑧 = 1 3𝑥 ⊗ 𝑦 + 𝑧 = 1 ∏ ⊗4𝑥 + 3𝑦
=2
Questão 26. Determine para quais valores de 𝑘 o sistema 5𝑥 ⊗ 4𝑦 = 0 2𝑥 ⊗ 𝑦 = 𝑘 solução. Questão 27. Determine os valores de 𝑎 e 𝑏 que tornam o sistema
∏ 6𝑥 + 𝑎𝑦
possível e indeterminado. ∏
Questão 28. Sejam 𝐴 =
1
3
∏
∫
admite
= 12
4𝑥 + 4𝑦 = 𝑏
∫
4 𝑏 1 . e𝐵 = ⊗4 2 ⊗6 𝑏2 𝑏3 ⊗3 ⊗2 ⊗7
A resolução do sistema 𝐴𝑋 = 𝐵 é possível para quais valores de 𝑏1 , 𝑏2 e 𝑏3 ? JustiĄque. ∏ ⊗3𝑥 + 3𝑦
⊗ 5𝑧 = ⊗2
Questão 29. Considere o sistema 2𝑥 + 4𝑦 ⊗ 6𝑧 = 8 4𝑥 ⊗ 𝑦 + (𝑎2 ⊗ 7)𝑧 = 𝑎 + 3
.
Determine os valores de 𝑎 de modo que: (a) O sistema seja possível e determinado (SPD). (b) O sistema seja possível e indeterminado (SPI). (c) O sistema seja impossível (SI). Questão 30. Os estoques de gasolina, álcool e diesel de três postos de combustíveis são dados, em milhares de litros, na tabela abaixo.
1ª Lista de Exercícios: Matrizes, Determinantes e Sistemas Lineares
Seja 𝑀 a matriz formada pelos elementos que constam na tabela acima, na mesma disposição da tabela dada. Gasolina
Álcool
Diesel
Posto 1
2
1
1
Posto 2
1
4
0
Posto 3
3
0
1
Com base nessas informações, marque V (verdadeiro) e F (falso). (a) A matriz 𝑀 2 é simétrica. (b) O determinante da matriz 𝑀 é igual a ⊗5. (c) Se o preço por litro de cada combustível é o mesmo nos três postos e que a soma dos valores dos estoques dos postos 1, 2 e 3 são, respectivamente, R$ 8.800, 00, R$ 10.800, 00 e R$ 9.600 , 00, então a soma dos preços, por litro, de cada combustível é R$ 6, 00.
7
8
APLICAÇÕES Questão 31. Controle Linear - Um bom número de problemas importantes na engenharia, em particular, na engenharia elétrica e na teoria do controle, pode ser analisado usando-se transformadas de Laplace. Essa abordagem transforma um sistema apropriado de equações diferenciais lineares, em um sistema linear de equações algébricas, cujos coeĄcientes envolvem um parâmetro. Considere o seguinte sistema no qual s é um parâmetro não especiĄcado. Determine os valores de s para os quais o sistema tem uma única solução e utilize a regra de Cramer para descrever a solução. ∏ 3𝑠𝑥 ⊗ 2𝑦
=4
⊗6𝑥 + 𝑠𝑦 = 1
.
Questão 32. Fluxo em Redes - Uma rede é constituída por um número Ąnito de nós, em que Ćuem os Ćuxos, entrando e/ou saindo. Em cada nó, o Ćuxo de entrada é igual ao de saída. A rede da Ągura abaixo mostra o Ćuxo de tráfego (em veículos por hora) em diversas ruas da cidade de Baltimore durante uma tarde típica. Determine o padrão gerado pelo Ćuxo nessa rede utilizando um sistema de equações lineares e interprete os resultados.
Questão 33. Fluxo de Calor - Uma consideração importante no estudo da transferência de calor é determinar a distribuição de temperatura do estado estacionário de uma placa Ąna quando a temperatura em sua borda é conhecida. Suponha que a placa, conforme a Ągura abaixo, representa uma seção transversal de uma barra de metal, com Ćuxo de calor desprezível na direção perpendicular à placa. Sejam 𝑇1, ..., 𝑇4 as temperaturas nos quatro nós interiores do reticulado na Ągura. A temperatura em um nó é igual, aproximadamente, à média aritmética dos 4 nós vizinhos - à esquerda, acima, à direita e abaixo. Por exemplo: 𝑇1 = (10 + 20 + 𝑇2 + 𝑇4 )/4. Escreva um sistema com quatro equações cuja solução forneça as estimativas para as temperaturas 𝑇1 , ..., 𝑇4 . Em seguida, resolva o sistema de equações.
1ª Lista de Exercícios: Aplicações
Questão 34. Circuitos elétricos - Encontre o valor de cada corrente elétrica que percorre o circuito abaixo, onde 𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅4 = 𝑅5 = 0, 5Ω , 𝑅3 = 𝑅7 = 1Ω, 𝑅6 = 3Ω, 𝑉1 = 𝑉2 = 20𝑉 e 𝑉3 = 6𝑉 .
Para o cálculo das correntes no circuito, deve-se aplicar as duas leis de Kirchhoff: a lei dos nós e a lei das malhas. Lei dos nós: A soma algébrica das correntes que entram em um nó é igual à soma algébrica das correntes que saem dele. Os nós são os pontos do circuito onde há união/separação de corrente elétrica. Neste exemplo, os nós do circuito são os pontos B e E. Seguindo a orientação das correntes no circuito, conforme a Ągura, temos a seguinte equação linear no nó E: 𝑖2 + 𝑖3 = 𝑖1 (o análogo vale para o nó B), o que resulta na equação homogênea: 𝑖1 ⊗ 𝑖2 ⊗ 𝑖3 = 0 (1) Lei das malhas: A soma algébrica das quedas de potencial numa malha é igual a zero. Em cada resistência, a queda de potencial é dada por 𝑉 = 𝑅𝑖. Aplicando a lei das malhas no circuito, obteremos duas novas equações: Malha BEFAB: 𝑅3 𝑖1 + 𝑅1 𝑖1 ⊗ 𝑉1 + 𝑅2 𝑖1 + 𝑅4 𝑖2 + 𝑉2 + 𝑅5 𝑖2 = 0 (2) Malha BEDCB: 𝑅6 𝑖3 + 𝑉3 + 𝑅7 𝑖3 ⊗ 𝑅5 𝑖2 ⊗ 𝑉2 ⊗ 𝑅4 𝑖2 = 0 (3)
9
1ª Lista de Exercícios: Aplicações
10
Calcule o valor de cada corrente, resolvendo o sistema linear formado pelas equações (1), (2) e (3). Obs.: A unidade de corrente elétrica é o Ampère (A). Questão 35. Balanceamento de uma equação química - A fermentação do açúcar é uma reação em que ocorre a transformação dos açúcares em etanol. Para que a reação seja balanceada, o número de cada átomo nos reagentes de ser igual ao número de átomos nos produtos. Com base nisso, determine, aplicando sistemas de equações lineares, o balanceamento da equação química abaixo: 𝐶6 𝐻12 𝑂6 ⊗⊃ 𝐶𝑂2 + 𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻
11
GABARITO
∏
∏
∫
∫
5
9 ⊗6 (e) ⊗11 ⊗15 8
∏
∏
∫
⊗1/2 2 (c) 3 5/2 ∫
∏
∫
⊗5 ⊗6 (d) 9 10
3 1 Q4. 𝐵 = 2 4 ∫
∏
2 0 0 𝐵= 0 3 0
Q5. 𝑥 = 1, 𝑦 = 4 e 𝑧 = 4;
∫
∏
1 ⊗4 ⊗1 e 𝑌 = 5 ⊗9 ⊗4
∫
17 4 (b) ⊗24 13
⊗5 10 Q3. (a) ⊗3 ⊗34 ∏
∫
∏
1 6 ⊗1 Q2. 𝑋 = 5 11 6
𝑥 Q1. = ⊗2 𝑦
(
Q6. 𝑋 = 1 3
⎡
0 0 5
Q8. 𝑎 = 1 e 𝑏 = 3
Q9. (a) 𝑥 = 0 e 𝑦 ∈ 𝑅; (b) 𝑥 = ⊗2 e 𝑦 =
∏
1 0 0 ⊗7/8 Q10. (a) 0 1 0 ⊗1/4 0 0 1
11/8
∏
∫
1 3
∫ 𝑃 (𝐴)
= 3 e 𝑁(𝐴) = 1
3/5 1 0 (b) 0 1 ⊗2/5 𝑃 (𝐴) = 2 e 𝑁(𝐴) = 1
0 0
0
∫
∏
1 0 0 0 0 1 0 0 𝑃 (𝐴) = 4 e 𝑁(𝐴) = 0 (c) 0 0 1 0 0 0 0 1 ∏
∏
∫
⊗1 0 Q11. (a) 𝑋 = 1 ⊗1
⊗2 ⊗14 b) 𝑋 = 8 52
Q12. a) 𝑋 = 𝐴𝐵 −1 (𝐶 t )−1
Q13. (a) 𝐴−1 =
(c) 𝑋 =
∫
5 ⊗4 ⊗1 1
∫
∏
∏
∏
∫
⊗1 ⊗2 (b) 𝑋 = ⊗1 ⊗2
∫
7 ⊗3 (b) 𝐵 −1 ⊗2 1
∏
∫
4 ⊗2 ⊗3 (c) não possui inversa. = ⊗11 6 9 ⊗12
7
10
1ª Lista de Exercícios: Gabarito ∏
1/6
Q14. 𝑎 = ⊗2
∫
⊗1/6 2/27 ⊗1/27 4/27
(d) 𝐶 −1 =
12
1/6
4/27 11/27
⊗8/27
Q15. det𝐴−1 =
1 4
Q16. det𝐴 = 35
1 128
∫
∏
4 9 ; det𝑄 = ⊗93 Q18. 𝑄 = 13 6 ∏
1/6
Q20. 𝐴−1 =
(d) SI Q23. (b)
Q19. (c) ∫
1/6
∏
0 1 ⊗2/3
2/3
⊗2/3 ⊗1/3
(b) (⊗Ð, Ð, Ð); Ð ∈ 𝑅
(e) (⊗3Ð, 0, Ð); Ð ∈ 𝑅
∫
1/4 0
Q21. 𝑋 =
1/3
Q22. (a) (𝑥, 𝑦, 𝑧) = (1, 2, ⊗3)
⊗1/4
(c) (Ð ⊗ 1, 2Ñ, Ñ, Ð); Ð, Ñ ∈ 𝑅
(f) (𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) = (1, ⊗1, 2, ⊗2)
Q24. (a)
Q25. (a) (𝑥, 𝑦, 𝑧) = (5, ⊗2, ⊗2) Q26. 𝑘 = ⊗6
(b) (𝑥, 𝑦, 𝑧) = (0, 0, 0)
Q27. 𝑎 = 6 e 𝑏 = 8
Q29. (a) 𝑎 = ∘3 Q30. (a) F
Q17.
(b) V
(b) 𝑎 = 3
Q28. 𝑏1 ⊗
(c) (𝑥, 𝑦, 𝑧 ) = (1/4, 1/8, 3/8)
𝑏2 + 𝑏3 = 0 2
(c) 𝑎 = ⊗3
(c) V
Q31. 3(𝑠2 ⊗ 4) ∴ 𝑠 = ∘2
𝑥=
𝑠+8 4𝑠 + 2 e𝑦= 2 2 3(𝑠 ⊗ 4) (𝑠 ⊗ 4)
Q32. (600 ⊗ 𝑥5 , 200 + 𝑥5 , 400, 500 ⊗ 𝑥5 , 𝑥5 ) Q33. 𝑇1 = 24, 3o ; 𝑇2 = 27, 5o ; 𝑇3 = 30o e 𝑇4 = 22, 5o
Q34. (1, ⊗2, 3)
Q35. Ð(1, 2, 2)...