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PAU · Matemáticas II · Álgebra

Matrices y determinantes

Operar con matrices y usar las propiedades de los determinantes.

PAU — Prueba de Acceso a la Universidad (Selectividad), modelo de MadridMatemáticas IIPeso: 20 % · 1 pregunta (a elegir)
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Qué evalúa

Operaciones con matrices, potencias, inversa, ecuaciones matriciales y propiedades de los determinantes.

Claves

Estrategia paso a paso

Trampas habituales

Ejemplo resuelto

Si $|B|=-2$ (orden 3): $|3B|=27\cdot(-2)=-54$.

Preguntas de ejemplo

Intenta responder antes de abrir la solución.

Pregunta 1

Dificultad media≈ 18 min

(2 puntos) Se consideran las matrices
$$A=\begin{pmatrix} 2 & 3 \\ 1 & m \end{pmatrix},\qquad B=\begin{pmatrix} 4 & 1 \\ 3 & 1 \end{pmatrix}$$
a) (0,8 puntos) Determine para qué valores de $m$ la matriz $A-I$ es invertible.

b) (1,2 puntos) Para $m=3$, halle la matriz $X$ que cumple $AX-B=X$.

2 puntos.

Ver solución modelo y criterios

Solución

a) $A-I=\begin{pmatrix} 1 & 3 \\ 1 & m-1 \end{pmatrix}$, $|A-I|=m-1-3=m-4$. Es invertible si y solo si $m\ne4$.

b) $AX-X=B\Rightarrow (A-I)X=B\Rightarrow X=(A-I)-1B$ (multiplicando por la izquierda).
Para $m=3$: $A-I=\begin{pmatrix} 1 & 3 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}$, $|A-I|=-1$, $(A-I)-1=\begin{pmatrix} -2 & 3 \\ 1 & -1 \end{pmatrix}$.
$$X=\begin{pmatrix} -2 & 3 \\ 1 & -1 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 4 & 1 \\ 3 & 1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}$$
Comprobación: $AX-B=\begin{pmatrix} 5 & 2 \\ 4 & 1 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix} 4 & 1 \\ 3 & 1 \end{pmatrix}=X$.

Criterios de corrección

  • a) Determinante de $A-I$ (0,5) y conclusión $m\ne4$ (0,3).
  • b) Despeje $(A-I)X=B$ sin conmutar (0,4), inversa (0,4) y $X$ (0,4).

Explicación

Para despejar, se saca $X$ factor común POR LA DERECHA: $AX-X=(A-I)X$. Escribir $X(A-I)$ o $A-1$ (restar un número a una matriz) son errores graves.

Pregunta 2

Dificultad media≈ 22 min

Se considera la matriz

$$A=\begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}$$

Se pide:

a) (0,75 puntos) Calcular $A2$ y $A3$.

b) (0,75 puntos) Deducir la forma de $An$ para $n$ natural y calcular $A50$.

c) (1 punto) Calcular $A-1$ y hallar la matriz $X$ que verifica $A\cdot X=A2+I$, donde $I$ es la matriz identidad de orden 3.

2,5 puntos.

Ver solución modelo y criterios

Solución

a) $$A2=A\cdot A=\begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}$$
$$A3=A2\cdot A=\begin{pmatrix} 1 & 3 & 3 \\ 0 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}$$

b) Las potencias siguen el patrón
$$An=\begin{pmatrix} 1 & n & \frac{n(n-1)}{2} \\ 0 & 1 & n \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}$$
(para $n=2$ da 1 y para $n=3$ da 3 en la esquina, como se ha calculado). Para $n=50$: $50\cdot\frac{49}{2}=1225$, luego
$$A50=\begin{pmatrix} 1 & 50 & 1225 \\ 0 & 1 & 50 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}$$

c) $|A|=1\ne0$ (triangular con unos en la diagonal), así que $A$ es invertible. Por adjuntos (o por Gauss):
$$A-1=\begin{pmatrix} 1 & -1 & 1 \\ 0 & 1 & -1 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}$$
Comprobación: $A\cdot A-1=I$.
De $A\cdot X=A2+I$, multiplicando por la izquierda por $A-1$: $X=A-1\cdot A2+A-1=A+A-1$.
$$X=\begin{pmatrix} 2 & 0 & 1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}$$

Criterios de corrección

  • a) $A2$ correcta (0,35) y $A3$ correcta (0,4).
  • b) Patrón razonado de $An$ (0,4) y $A50$ correcta con el término 1225 (0,35).
  • c) Justificación de que $A$ es invertible y $A-1$ correcta (0,5).
  • c) Despeje correcto $X=A-1(A2+I)=A+A-1$, respetando el orden del producto (0,25), y resultado (0,25).
  • Un error de cálculo aislado que no simplifique el problema resta como máximo 0,25 del apartado.

Explicación

El término de la esquina es $1+2+\ldots+(n-1)=\frac{n(n-1)}{2}$, por eso aparece 1225 para $n=50$. En c) hay que multiplicar por $A-1$ por la IZQUIERDA; multiplicar por la derecha es el error más frecuente.

Pregunta 3

Dificultad media≈ 22 min

Dada la matriz

$$M=\begin{pmatrix} m & 1 & 0 \\ 1 & m & 1 \\ 0 & 1 & m \end{pmatrix}$$

dependiente del parámetro real $m$, se pide:

a) (1 punto) Determinar para qué valores de $m$ la matriz $M$ es invertible.

b) (0,75 puntos) Para $m=1$, calcular la inversa de $M$.

c) (0,75 puntos) Sea $B$ una matriz cuadrada de orden 3 con $|B|=-2$. Calcular $|3B|$, $|B-1|$ y $|Bt\cdot B3|$, donde $Bt$ es la traspuesta de $B$.

2,5 puntos.

Ver solución modelo y criterios

Solución

a) $|M|=m(m2-1)-1\cdot(m-0)+0=m3-2m=m(m2-2)$.
$|M|=0$ ⇔ $m=0$, $m=\sqrt{2}$ o $m=-\sqrt{2}$. Por tanto, $M$ es invertible si y solo si $m\notin\{0, \sqrt{2}, -\sqrt{2}\}$.

b) Para $m=1$:
$$M=\begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 1 \end{pmatrix}$$
y $|M|=1-2=-1$.
Matriz de adjuntos:
$$\operatorname{Adj}(M)=\begin{pmatrix} 0 & -1 & 1 \\ -1 & 1 & -1 \\ 1 & -1 & 0 \end{pmatrix}$$
Como es simétrica, $(\operatorname{Adj}M)t=\operatorname{Adj}(M)$.
$$M-1=\frac{1}{|M|}\,(\operatorname{Adj}M)t=\begin{pmatrix} 0 & 1 & -1 \\ 1 & -1 & 1 \\ -1 & 1 & 0 \end{pmatrix}$$
Comprobación: $M\cdot M-1=I$.

c) Propiedades de los determinantes (orden 3):
$|3B|=33\cdot|B|=27\cdot(-2)=-54$.
$|B-1|=\frac{1}{|B|}=-\frac{1}{2}$.
$|Bt\cdot B3|=|Bt|\cdot|B|3=(-2)\cdot(-8)=16$.

Criterios de corrección

  • a) Cálculo correcto de $|M|$ (0,5) y conclusión con los tres valores excluidos (0,5).
  • b) Adjuntos y determinante correctos (0,5); inversa final (0,25).
  • c) Cada determinante correcto y justificado con la propiedad usada (0,25 cada uno).
  • Si en a) se olvida alguna raíz (por ejemplo, solo $m=0$), máximo 0,5 en a).

Explicación

Error típico en c): escribir $|3B|=3\cdot|B|$; en orden 3 cada una de las tres filas se multiplica por 3, de ahí $33$. Además, $|Bt|=|B|$ y el determinante de un producto es el producto de determinantes.

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