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Día: 29 de septiembre de 2025

ALG: Semejanza por operaciones elementales en matrices

Posted on 29 de septiembre de 2025

Hoy comenzamos definiendo semejanza de matrices por transformaciones elementales:

Tomemos \(\mathbb{K}\) el cuerpo \(\mathbb{R}\) o \(\mathbb{C}\), y consideremos \(A=[a_{ij}]\in \mathcal{M}_{m\times n}(\mathbb{K})\) una matriz y \(A(f_i)=[a_{i1}\ldots a_{i,n}]\) (respectivamente \(A(c_i)=[a_{i1}\ldots a_{i,m}]’\)) una de las filas (respectivamente columnas) de la matriz. Sea \(B=[b_{ij}]\in \mathcal{M}_{m\times n}(\mathbb{K})\) la matriz tal que \(b_{ij}=a_{ij}\) salvo los elementos de la fila \(B(f_i)=[b_{i1}\ldots b_{i,n}]\) (\(B(c_i)=[b_{i1}\ldots b_{i,m}]’\)) que son \(b_{ik}=a_{ik}+\lambda a_{jk}\) para \(k=1,\ldots,n\)(\(k=1,\ldots,m\) ) y cierta fila(columna) \(j\) y \(\lambda\in\mathbb{K}\). Entonces decimos que las matrices \(A\) y \(B\) son semejantes por transformaciones elementales.

De forma abreviada, indicamos la semejanza de matrices como \(A\sim B\). Formalmente \[A\sim B\Rightarrow \exists E;\, EA=B,\] siendo \(E\) la matriz identidad, del mismo orden que filas tiene \(A\), a la que se le han aplicado operaciones elementales por fila.

Por ejemplo, restarle a la segunda fila de matriz \(A=\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}\), la primera fila, sería
\[\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}\overset{f_2-f_1}{\rightarrow}\begin{bmatrix}1&0\\-1&1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}a&b\\c-a&d-b\end{bmatrix}\]

De igual modo, permutar la segunda fila por la primera de la matriz \(A=\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}\), sería
\[\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}\overset{f_1\leftrightarrow f_2}{\rightarrow}\begin{bmatrix}0&1\\1&0\end{bmatrix}\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}c&d\\a&b\end{bmatrix}\]

Si deseamos multiplicar la segunda fila por un escalar sería
\[\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}\overset{3f_2}{\rightarrow}3\begin{bmatrix}0&1\\ 1&0\end{bmatrix}\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}a&b\\ 3c&3d\end{bmatrix}\]

Si ahora unimos las dos primeras operaciones elementales, tendremos
\[\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}\overset{\overset{f_2-f_1}{f_1\leftrightarrow f_2}}{\rightarrow}\begin{bmatrix}0&1\\1&0\end{bmatrix}\begin{bmatrix}1&0\\-1&1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}c-a&d-b\\a&b\end{bmatrix}\]

Con la tercera, tendremos
\[\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}\overset{\overset{f_2-f_1}{f_1\leftrightarrow f_2}}{\rightarrow}\begin{bmatrix}c-a&d-b\\a&b\end{bmatrix}\overset{3f_2}{\rightarrow}\begin{bmatrix}c-a&d-b\\ 3a&3b\end{bmatrix}\]

De este modo, la matriz \(E\), anterior es el resulta de multiplicar las matrices de cada una de las operaciones elementales realizada a la matriz identidad\[E=E_kE_{k-1}\cdots E_1.\]

Este proceso por filas se puede hacer por columnas; sin embargo, en ese caso \[AE_1E_2\cdots E_k=B.\]

Resumiendo: Si dos matrices, \(A,B\in \mathcal{M}_{m\times n}(\mathbb{K})\), son semejantes por transformaciones elementales por fila(o columna) entonces existe una matriz \(F\in \mathcal{M}_{m}(\mathbb{K})\) (\(C\in \mathcal{M}_{n}(\mathbb{K})\)) tales que
\[B=FA\,(B=AC).\]

Ejercicio: Dada \(\begin{bmatrix}2 & \operatorname{-}4 & 3\\ 6 & \operatorname{-}8 & 5\\ 6 & 1 & 7\end{bmatrix}\). Encontrar una matriz triangular inferior que sea semejante por operaciones elementales.

\[\begin{bmatrix}2 & \operatorname{-}4 & 3\\ 6 & \operatorname{-}8 & 5\\ 6 & 1 & 7\end{bmatrix} \overset{\underset{\mathrm{f_1-\frac{3}{7}f_3}}{}}{\sim}
\begin{bmatrix}-\frac{4}{7} & -\frac{31}{7} & 0\\
6 & -8 & 5\\
6 & 1 & 7\end{bmatrix}\overset{\underset{\mathrm{f_2-\frac{5}{7}f_3}}{}}{\sim}\begin{bmatrix}-\frac{4}{7} & -\frac{31}{7} & 0\\
\frac{12}{7} & -\frac{61}{7} & 0\\
6 & 1 & 7\end{bmatrix}\]
\[\overset{\underset{\mathrm{f_1-\frac{31}{61}f_2}}{}}{\sim}\begin{bmatrix}-\frac{88}{61} & 0 & 0\\
\frac{12}{7} & -\frac{61}{7} & 0\\
6 & 1 & 7\end{bmatrix}\]

Proposición: Dadas las matrices \(A,B\in \mathcal{M}_{m\times n}(\mathbb{K})\), tales que \(A\sim B\), se cumple que si \[[I_m|A]\sim [P|B],\] entonces \(P\in\mathcal{M}_{m}(\mathbb{K})\), verifica \(B=PA\), donde \(I_m\in\mathcal{M}_{m}(\mathbb{K})\) es la matriz identidad de orden \(m\)

Ejercicio: Dada \(\begin{bmatrix}2 & \operatorname{-}4 & 3\\ 6 & \operatorname{-}8 & 5\\ 6 & 1 & 7\end{bmatrix}\). Encontrar la matriz de paso por la izquierda tal que nos proporciona una matriz triangular inferior que sea semejante por operaciones elementales.

Consideremos la matriz \[\begin{bmatrix}1 & 0 & 0 & 2 & -4 & 3\\
0 & 1 & 0 & 6 & -8 & 5\\
0 & 0 & 1 & 6 & 1 & 7\end{bmatrix}.\]
Si realizamos las mismas operaciones elementales anteriores obtenderemos:
\[\begin{bmatrix}1 & -\frac{31}{61} & -\frac{4}{61} & -\frac{88}{61} & 0 & 0\\
0 & 1 & -\frac{5}{7} & \frac{12}{7} & -\frac{61}{7} & 0\\
0 & 0 & 1 & 6 & 1 & 7\end{bmatrix}\]
Así pues, la matriz que buscamos es

\[\begin{bmatrix}1 & -\frac{31}{61} & -\frac{4}{61}\\
0 & 1 & -\frac{5}{7}\\
0 & 0 & 1\end{bmatrix}\]


Ejercicio: Dadas las matrices \(A=\begin{bmatrix}0&1\\ 1&0\\ -1&2\end{bmatrix}\) y \(B=\begin{bmatrix}0&3\\ -3&3\\ 0& 2\end{bmatrix}\). ¿Cuál es la matriz \(P\) que cumple \(B=PA\)?


Matriz escalonada

Una matriz se dice que es escalonada, escalonada por filas o que está en forma escalonada si:

  • Todos los renglones cero están en la parte inferior de la matriz.
  • El elemento delantero de cada renglón diferente de cero está a la derecha del elemento delantero diferente de cero del renglón anterior.
Escalonada reducida Escalonada No escalonada
\({\displaystyle {\begin{bmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&1&0\\\end{bmatrix}}}\) \({\displaystyle {\begin{bmatrix}1&9&1&1\\0&1&3&2\\0&0&2&3\\\end{bmatrix}}}\) \({\displaystyle {\begin{bmatrix}1&2&3&4\\0&3&7&2\\0&2&0&0\\\end{bmatrix}}}\)
No es escalonada, ya que el número de ceros consecutivos en la tercera fila no es mayor que el de la segunda fila.

En algunas bibliografías se requiere que el primer elemento destino de cada fila sea 1. En ese caso se le suele decir escalonada reducida.

Por defecto, consideramos matriz escalonada a lo que sería escalonada por filas. La traspuesta de una matriz escalonada por filas sería una matriz escalonada por columnas.

Proposición: Dada una matriz \(A\) siempre podemos encontrar una matriz \(P\) tal que \(PA=E\), donde \(E\) es una matriz escalonada.

Proposición: Dada una matriz \(A\) siempre podemos encontrar una matriz \(P\) tal que \[ PA\in \left\{ \begin{bmatrix}
I & X \\ 0 & 0 \\ \end{bmatrix}, \begin{bmatrix} I & X \end{bmatrix}\right\}\]

Ejercicio: Encontrar la matriz \(P\) que multiplicada a la matriz \(A=\begin{bmatrix}1&2&0\\ 2&i&1\\ 3&2+i&1\end{bmatrix}\in\mathcal{M}_3(\mathbb{C})\) la transforma en una matriz escalonada.


Rango de una matriz

Con estas definiciones podemos definir el rango de una matriz.

Definición: Dada una matriz \(A\) definimos el rango de A, \(\textbf{rang}(A)\), como el número de filas (columnas) distintas de cero de su matriz escalonada semejante por operaciones elementales.

Propiedad: El rango de una matriz siempre es independiente de que se consideren filas o columnas.

Ejercicio: Determinar \(\textbf{rang}\begin{bmatrix}
a_1b_1 & a_1b_2 & \cdots & a_1b_n \\
a_2b_1 & a_2b_2 & \cdots & a_2b_n \\
\vdots & \vdots & \cdots & \vdots \\
a_mb_1 & a_mb_2 & \cdots & a_mb_n \\
\end{bmatrix}\), para \(a_i\neq 0\forall i\in\{1,\ldots,m\}\)


Ejercicio: ¿Cuál es el rango de la matriz \(A=\begin{bmatrix}a&a&1&1\\ 1&a&a&1\\ 1&1&a&a\\ a&1&1&a\end{bmatrix}\) dependiendo del valor de \(a\)?


Ejercicio: ¿Cuál es el rango de la matriz \(\begin{bmatrix}1 & a & b & 0\\
2 & 2 a & b & 1\\
2 & 3 & b & 0\\
0 & 1 & 0 & 1\end{bmatrix}\) dependiendo de los valores de \(a\) y \(b\)?


Bibliografía

  • Capítulo 1 de Álgebra lineal y sus aplicaciones. David C. Lay. Pearson. 2016.

Ejercicio:
Sea \(A:[[-2,3,1,-2,-2]\), [1,-3,-1,3,0], [1,-1,1,1,4], [2,-4,-4,-4,4], [-2,1,2,4,2], [4,0,2,0,2], \([-1,-2,1,2,0]]\), ¿cuál es la suma del mayor elemento y el menor del producto \(A^tA\)?
  • 15
  • 26
  • 31

B.)

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