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lunes, 21 de agosto de 2017

Matriz inversa y solución de un sistema de ecuaciones

En este artículo vamos a ver como aplicamos lo que es una matriz inversa a la resolución de un sistema de ecuación.
Como muchos de los lectores ya saben que un sistema de ecuaciones en dos variables se puede escribir como se muestra a continuación.
Sistema de ecuaciones en forma matricial
Si nombramos la matriz que contiene los coeficientes de las diferentes variables como \(A\), y los términos independientes los colocamos en la matriz \(B\), y si además las variables las colocamos en la matriz de variables \(X\), entonces la ecuación anterior la podemos expresar en forma matricial así:
Ecuación matricial
Si despejamos la matriz \(X\), entonces podemos observar que la matriz \(X\), viene dada como se muestra a continuación.
Solución de un sistema de ecuaciones usando matriz inversa
Así que la solución de un sistema de ecuación la podemos obtener multiplicando la matriz inversa de \(A\) por la matriz de coeficientes independientes \(B\).

Veamos algunas soluciones de sistemas de ecuaciones en dos y tres variables usando productos matriciales y la inversa de una matriz  como se muestra a continuación.
1- Solucionar el sistema:
Sistema de ecuación
Solución:
Primero, identificamos la matriz de coeficientes de variables \(A\) que es:
Matriz de coeficientes de variables A de un sistema de ecuación
Segundo, identificamos la matriz de coeficientes independientes \(B\) que es:
Vector de términos independientes de un sistema de ecuaciones
Tercero, expresamos la matriz de variables a resolver en término del producto de la matriz inversa de \(A\) y el vector de coeficientes independientes o matriz columna \(B\).
Matriz de solución de variables de un sistema en término de la matriz inversa y el vector de coeficientes
Cuarto, hallamos la matriz inversa de \(A\), si no sabe como obtener la inversa de una matriz clic en [Matriz inversa]:
Matriz inversa de la matriz de coeficientes de variables del sistema de ecuación
Quinto y último paso, resolvemos el producto de la matriz inversa de \(A\) y la matriz columna o vector \(B\) y obtenemos los valores de cada variable en la matriz \(X\).
Obtención de la matriz de variables solución X

2- Solucionar el sistema
Sistema de ecuaciones
Solución:
Como en la solución del ejemplo (1), en este también vamos a dar los mismos cinco pasos anteriores.
Primero, identificamos la matriz de coeficientes de variables \(A\), que es:
matriz de coeficientes de variables del sistema
Segundo, identificamos la matriz de coeficientes independientes \(B\) que es:
Matriz de términos independientes B
Tercero, colocamos la matriz de variables a resolver en función del producto de la matriz inversa de \(A\) y la matriz de coeficientes \(B\), como se muestra a continuación:
Matriz de variables en término de la matriz inversa de A y la matriz B
Cuarto, hallamos la matriz inversa de \(A\):
Matriz inversa de A
Y por último solucionamos el producto de la matriz inversa de \(A\) y la matriz \(B\), y de esta manera determinamos los valores de la variables contenidas en la matriz \(X\).
Encontrando la solución de la matriz X

Y como último ejemplo de aplicación de una matriz inversa a la resolución de un sistema de ecuaciones, vamos a resolver un sistema en tres variables.
3-Resolver el sistema
Sistema de ecuación 3
Solución:
Como en la soluciones anteriores, primero identificamos la matriz de coeficientes de variables \(A\) que es:
Matriz de coeficientes de variables A
Segundo, identificamos la matriz de coeficientes independientes \(B\) que es:
Matriz columna o vector B
Tercero, colocamos la matriz solución de variables en función del producto de la matriz inversa de \(A\) y la matriz o vector de coeficientes independientes \(B\).
Expresión de la matriz solución X, en función de la matriz inversa de A y el vector B
Cuarto, encontramos la matriz inversa de \(A\):
Matriz inversa de A
Y finalmente resolvemos el producto de la matriz inversa de \(A\) y el vector de coeficientes independientes \(B\), y de esta manera obtenemos los valores de las respectivas variables del sistema de ecuaciones dados.
Solución de la matriz de variables X

Como se puede observar, a partir de un sistema de ecuación de tres variables, este método de encontrar la matriz inversa de la matriz de coeficientes de las variables involucradas se vuelve complejo, por los muchos cálculos numéricos que habría que realizar, por lo que a partir de un sistema de cuatro variables, resulta más factible usar otros métodos de solución, como por ejemplo el método de reducción de matrices, usando gauss-jordan.

Vea también

Matriz inversa


Regla de cramer para resolver un sistema de ecuación.

Método de reducción suma y resta, y la solución de un sistema de ecuación.

martes, 18 de julio de 2017

Matriz inversa

En este breve post vamos a estar hablando de como se define una matriz inversa y como obtener una matriz inversa de segundo y tercer orden de una matriz con estos mismos ordenes.
Sea \(A\) una matriz cuadrada de cualquier orden, sea \(B\) la matriz inversa de \(A\) y sea \(C\), una matriz unidad del mismo orden de \(A\), entonces si una matriz \(A\) al ser multiplicada por una matriz \(B\), da como resultado la matriz unidad \(C\), entonces podemos decir que \(B\) es la matriz inversa de \(A\) es decir \(B={A}^{-1}\), expresado esto matemáticamente tenemos:
definición de matriz inversa
La matriz inversa \({A}^{-1}\) de una matriz \(A\), es aquella matriz que hay ser multiplicada por \(A\) da como resultado la matriz unidad \(C\).
Y como ya hemos hablado de una matriz unidad en la definición de matriz inversa, debemos decir que una matriz unidad es aquella cuyo determinante es igual a uno. 
La siguientes matrices son ejemplos de matrices unidad:
matrices unidades
Así que los determinantes de  \({C}_{i}\left(i=1,2,3\right)\) son iguales a uno \(det\left({C}_{i}\right)=1;\left(i=1,2,3\right)\).
Aplicando la definición de matriz vamos ha hallar la matriz inversa de la siguientes matrices.
matrices R1, R2 y R3
Y como no conocemos aún los coeficientes de las matrices inversas \({{R}_{i}}^{-1}\left(i=1,2,3\right)\), asumiremos que estos son \({x}_{i}\left(1,2,\cdot \cdot \cdot ,{n}^{2}\right)\) en donde \(n\) es el orden de la matriz, y la cantidad de elementos de una matriz inversa sera igual \({n}^{2}\), así que la matrices inversas de \({R}_{i}\left(i=1,2,3\right)\) son:
matrices inversas de R1, R2 y R3
Aplicando la definición de matriz inversa a \({R}_{1}\), vamos a averiguar los valores de las variables \({x}_{1},{x}_{2},{x}_{3}\) y \({x}_{4}\).
Obtención de la matriz R1
Y después de solucionar los sistema de ecuaciones (1) y (2), tenemos que las variables son:
solución de los sistemas de ecuaciones 1 y 2
Así que la matriz inversa de \({R}_{1}\) es:
matriz inversa de R1

Y la inversa de la matriz \({R}_{2}\), la vamos a obtener de manera análoga a como obtuvimos la inversa de \({R}_{1}\), así que básicamente daremos exactamente los mismo pasos.
Primero aplicamos la definición de matriz inversa, para de esta manera averiguar los valores de \({x}_{1},{x}_{2},{x}_{3}\) y \({x}_{4}\):
Obtención de la matriz R2
Ahora resolvemos los sistema (1) y (2), dándonos las soluciones:
solución de los sistema 1 y 2
Así que la matriz inversa de \({R}_{2}\) es:
matriz inversa R2
Y la ´matriz \({R}_{3}\) al igual que la dos matrices \({R}_{1}\)\({R}_{2}\), le aplicaremos el mismo procedimiento, la única diferencia es que \({R}_{3}\) es una matriz de tercer orden así que esta nos generará ecuaciones con un máximo de tres incógnitas.
Así que aplicando la definición de matriz inversa a \({R}_{3}\), vamos a obtener las variables \({x}_{1},{x}_{2},\cdot \cdot\cdot,{x}_{9}\).
Obtención de la matriz R3

Obtención de la matriz R3

Obtención de la matriz R1

sistema de ecuaciones 1, 2 y 3
Y la solución a los sistema (1), (2) y (3) son:
solución de los sistema 1, 2 y 3
Así que la matriz inversa \({R}_{3}\) es:
matriz inversa de R3

Fórmula para calcular la matriz inversa de una matriz de segundo orden.
Sea \(A\) una matriz cuadrada de segundo orden y sea \({A}^{-1}\) su inversa y además sea \(C\) una matriz unidad de segundo orden, usando la definición de matriz inversa vamos a obtener una fórmula estándar que nos permita calcular la matriz inversa de una matriz inversa de segundo orden fácilmente:
Obtención de fórmula para calcular la matriz inversa de una matriz de segundo orden cuadrada
Solucionando los sistemas (1) y (2), para \({x}_{1},{x}_{2},{x}_{3}\) y \({x}_{4}\), tenemos.
solución de los sistema 1 y 2
Y la matriz inversa de una matriz \(A\) de segundo orden es:
Matriz inversa de A
Pero resulta que el determinante de la matriz \(A\) es \({a}_{1}\dot {a}_{4}-{a}_{2}\dot {a}_{3}\), podemos reescribir la inversa de \(A\) de una forma más elegante, como se muestra a continuación:
matriz inversa de A
Así que, si una matriz \(A\) es de segundo orden y es no singular entonces su matriz inversa es:
definición formal de matriz inversa de segundo orden cuadrada
Para probar esta fórmula vamos a aplicarla a las matrices \({R}_{1}\)\({R}_{2}\), dada más arriba, entonces vamos a obtener las inversas de ambas matrices cuadradas de segundo orden; todo el proceso de obtención se muestra a continuación.
Ejercicios resueltos de la aplicación de la fórmula que permite obtener la matriz inversa de una matriz cuadrada de segundo orden
Ejercicios resueltos de la aplicación de la fórmula que permite obtener la matriz inversa de una matriz cuadrada de segundo orden
Ejercicios resueltos de la aplicación de la fórmula que permite obtener la matriz inversa de una matriz cuadrada de segundo orden
Y como se puede observar, usando esta fórmula obtenemos el mismo resultado que obtuvimos más arriba cuando utilizamos la definición de una matriz inversa.

miércoles, 28 de junio de 2017

Inercia de una placa cuadrada delgada la cual gira en torno a un eje que pasa por uno de sus vértices, perpendicular al plano de la placa

En este post estaremos hablando de como averiguar el momento de inercia de una placa delgada cuadrada, para este propósito nos auxiliaremos del artículo que habla del momento de inercia de una placa delgada rectangular en torno a un eje que pasa por el centro, perpendicular al plano de la placa rectangular, y para simplificar un poco los cálculos, usaremos el teorema de los ejes paralelos para el cálculo de la inercia de un eje situado en uno de los vértices de una placa cuadrada delgada con lado L.
El momento de inercia de una placa rectangular con lados \(a\)\(b\) que gira en torno a un eje que la atraviesa perpendicularmente por el centro es.
Inercia de una placa rectangular delgada en torno a un eje perpendicular al plano de la placa que pasa por su centro de masa
Ya conociendo el momento de inercia de una placa rectangular en torno a un eje que pasa por su centro de masa \({I}_{cm}\), y sabiendo por el teorema de pitágoras que la distancia \(d\), entre un eje situado en un vértice p de la placa rectangular, perpendicular a esta y un eje situado en el centro de masa, perpendicular a la placa, es.
Distancia entre dos ejes paralelos entre si, pero perpendiculares al plano de la placa
Sea \({I}_{p}\) la inercia de una placa en torno a un eje que pasa por el punto \(p\), y sea \({I}_{cm}\) la inercia de una placa en torno a un eje que pasa por el centro de masa de la placa, y además sea \(d\) la distancia que existe entre ambos ejes, entonces la inercia en un punto \(p\) viene dada por :
Teorema de los ejes paralelos en el momento de inercia
La siguiente gráfica muestra los ejes paralelos que pasan por el punto \(p\) y por el centro de masa \(cm\), y estos puntos están separados una distancia \(d\).
Ejes que son paralelos que pasan por el punto p y el centro de masa cm
Ahora estamos en condiciones de usar el teorema de los ejes paralelos, para calcular el momento de inercia de la placa rectangular en torno a un eje perpendicular a esta que pasa por el punto \(p\), para este propósito usaremos el teorema de los ejes paralelos como se muestra a continuación.
Inercia de un eje que pasa por p
Así que el momento de inercia de una placa rectangular delgada respecto a un eje que pasa por uno de sus vértices, siendo \(a\) y \(b\), sus respectivos ancho y largo de la placa, es:
Inercia de una placa rectangular en torno a un eje que pasa por un vértice p, perpendicular al plano de la placa

Momento de inercia de una placa cuadrada delgada respecto a un eje que la atraviesa perpendicularmente por uno de sus vértices
Debemos decir que este momento de inercia que analizaremos ahora, es un caso especial del momento de inercia de una placa rectangular en torno a un eje que la atraviesa perpendicularmente por un vértice p, así que lo que haremos ahora para obtener el momento de inercia de una placa cuadrada es tomar \(a=b=L\) y hacer las sustituciones de lugar, 
Inercia de una placa cuadrada en torno a un eje que pasa por un vértice p, perpendicular al plano de la placa
El momento de inercia de una placa cuadrada delgada con lado \(L\), en torno a un eje que pasa por un vértice \(p\), perpendicular al plano de la placa, es:
Inercia de una placa cuadrada en torno a un eje que pasa por un vértice p, perpendicular al plano de la placa
Inercia de una placa cuadrada en torno a un eje que pasa por un vértice p, perpendicular al plano de la placa
Vea también
Inercia de una esfera sólida

Inercia de una esfera hueca

Inercia de un cilindro hueco, sólido y hueco con pared delgada respectivamente

Inercia de una placa delgada con densidad uniforme 1

Inercia de una placa delgada con densidad variable 2

Inercia de una varilla con densidad uniforme

Inercia de una varilla con densidad variable