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PARA ESTUDIANTES DE
INGENIERÍA Y CIENCIAS
PARA ESTUDIANTES DE
INGENIERÍA Y CIENCIAS
Juan Carlos Del Valle Sotelo
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores 
de Monterrey, Campus Estado de México
˜
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Director General México:
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Coordinadora editorial:
Supervisor de producción:
Miguel Ángel Toledo Castellanos
Pablo Eduardo Roig Vázquez
Marcela I. Rocha Martínez
Zeferino García García
ÁLGEBRA LINEAL PARA ESTUDIANTES DE INGENIERÍA Y CIENCIAS
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C.P. 01376, México, D. F.
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A Subsidiary of Companies, Inc.The McGraw-Hill
ISBN: 978-970-10-6885-4
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Impreso en México Printed in Mexico
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A la memoria de Esther, mi amada madre;
a mi hermano Manuel;
a mis hijas Miriam y Samantha
En un universo quizá infinito
inconcebiblemente antiguo
es una dicha saber que tengo mi origen
en una amorosa madre y en un hermano
que me cuidó como a un hijo
y por eso es mi padre
y percibir una infinitésima parte de mı́
en la mirada de dos pequeños seres
que en momentos difı́ciles
han sido tan grandes.
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Contenido
Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII
Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV
PARTE I
MATRICES, SISTEMAS Y DETERMINANTES
CAPÍTULO 1 Matrices y sistemas lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1 1.1 Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1 1.1 1.1.1 Definiciones y ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1 1.1 1.1.2 Operaciones con matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1 1.1 1.1.3 Matrices especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1 1.1 1.1.4 Propiedades de las operaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1 1.1 1.1.5 Matrices con números complejos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1 1.2 Sistemas lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1 1.1 1.2.1 Definiciones, soluciones y forma matricial de sistemas lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1 1.1 1.2.2 Matrices escalonadas y sistemas escalonados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1 1.1 1.2.3 Operaciones de renglón para matrices, equivalencia por filas y soluciones
1 1.1 1.2.3 de sistemas escalonados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1 1.1 1.2.4 Método de Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1 1.1 1.2.5 Método de Gauss-Jordan y sistemas con solución única . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1 1.1 1.2.6 Sistemas homogéneos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1 1.1 1.2.7 Estructura de las soluciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1 1.1 1.2.8 Sistemas lineales con números complejos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1 1.3 Ejercicios resueltos y ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1 1.1 1.3.1 Ejercicios resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1 1.1 1.3.2 Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
CAPÍTULO 2 Matrices invertibles y determinantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1 2.1 Matrices invertibles y sus inversas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1 1.1 2.1.1 Definición y propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1 1.1 2.1.2 Matrices invertibles y sistemas lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1 1.1 2.1.3 Método de Gauss-Jordan para hallar la inversa de una matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
1 1.1 2.1.4 Matrices elementales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
1 1.1 2.1.5 Inversas de matrices con componentes complejas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
1 2.2 Determinantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1 1.1 2.2.1 Desarrollo por cofactores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1 1.1 2.2.2 Propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
1 1.1 2.2.3 Método de la adjunta para hallar la inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
1 1.1 2.2.4 Regla de Cramer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
1 1.1 2.2.5 Determinantes de matrices con componentes complejas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1 2.3 Ejercicios resueltos y ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1 1.1 2.3.1 Ejercicios resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1 1.1 2.3.2 Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
VII
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VIII CONTENIDO
PARTE II
ESPACIOS VECTORIALES, PRODUCTO INTERIOR, NORMAS,
VALORES Y VECTORES PROPIOS
CAPÍTULO 3 Espacios vectoriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
1 3.1 Geometrı́a de los espacios Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
1 1.1 3.1.1 El plano cartesiano R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
1 1.1 3.1.2 Interpretación geométrica del determinante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
1 1.1 3.1.3 El espacio vectorial Rn, geometrı́a y propiedades algebraicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
1 1.1 3.1.4 La desigualdad de Schwarz, ángulos entre vectores y ortogonalidad . . . . . . . . . . . . 123
1 3.2 Espacios vectoriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
1 1.1 3.2.1 Definiciones y ejemplos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
1 1.1 3.2.2 Propiedades elementales de los espacios vectoriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
1 1.1 3.2.3 Subespacios vectoriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
1 1.1 3.2.4 Combinaciones lineales y subespacios generados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
1 3.3 Dependencia e independencia lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
1 1.1 3.3.1 Criterios de independencia lineal en Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
1 3.4 Bases y dimensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
1 1.1 3.4.1 Definiciones y ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
1 1.1 3.4.2 Dimensión, extracción de bases y compleción de un conjunto L.I. a una base . . . . 160
1 1.1 3.4.3 Rango de una matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
1 3.5 Espacios vectoriales sobre los números complejos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
1 3.6 Ejercicios resueltos y ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
1 1.1 3.6.1 Ejercicios resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
1 1.1 3.6.2 Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
CAPÍTULO 4 Espacios con producto interior y espacios normados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
1 4.1 Espacios con producto interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
1 1.1 4.1.1 Definiciones, ejemplos y propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
1 1.1 4.1.2 Ortogonalidad y norma inducida por el producto interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
1 1.1 4.1.3 Desigualdad de Schwarz y ángulo entre vectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
1 1.1 4.1.4 Proyecciones, proceso de ortogonalización, factorización QR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
1 1.1 4.1.5 Aproximación óptima de un vector por elementos de un subespacio . . . . . . . . . . . . 283
1 4.2 Espacios vectoriales normados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
1 1.1 4.2.1 Definiciones y ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
1 1.1 4.2.2 Distancia en espacios vectoriales normados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
1 1.1 4.2.3 Normas que provienen de productos interiores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
1 1.1 4.2.4 Normas equivalentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
1 1.1 4.2.5 Construcción de normas en espacios de dimensión finita a partir de normas en Rn 334
1 1.1 4.2.6 Aproximaciones óptimas en espacios normados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
1 1.1 4.2.7 ¿Qué norma utilizar? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
1 4.3 Ejercicios resueltos y ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
1 1.1 4.3.1 Ejercicios resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
1 1.1 4.3.2 Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
CAPÍTULO 5 Transformaciones lineales, valores y vectores propios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
1 5.1 Transformaciones lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
1 1.1 5.1.1 Definición, ejemplos y propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
1 1.1 5.1.2 Núcleo e imagen de una transformación lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
1 5.2 Representaciones matriciales de transformaciones lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
1 1.1 5.2.1 Vectores de coordenadas, cambio de bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
1 1.1 5.2.2 Representaciones matriciales de un operador lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
1 1.1 5.2.3 Representaciones matriciales de transformaciones lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
1 1.1 5.2.4 Isomorfismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
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CONTENIDO IX
1 5.3 Valores y vectores propios, diagonalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
1 1.1 5.3.1 Valores y vectores propios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
1 1.1 5.3.2 Diagonalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
1 1.1 5.3.3 Valores propios complejos y diagonalización sobre C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
1 1.1 5.3.4 Operadores autoadjuntos y matrices simétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
1 5.4 Ejercicios resueltos y ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
1 1.1 5.4.1 Ejercicios resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
1 1.1 5.4.2 Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
PARTE III
APLICACIONES, USO DE TECNOLOGÍA, MÉTODOS NUMÉRICOS
CAPÍTULO 6 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
1 6.1 Matrices de incidencia y teorı́a de grafos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
1 6.2 Redes de conducción y principios de conservación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
1 1.1 6.2.1 Flujo vehicular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590
1 1.1 6.2.2 Circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
1 1.1 6.2.3 Balance quı́mico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
1 6.3 Análisis insumo-producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596
1 1.1 6.3.1 Modelo para economı́a abierta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596
1 1.1 6.3.2 Modelo para economı́a cerrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602
1 1.1 6.3.3 Singularidad de la matriz de Leontief para el modelo de economı́a cerrada . . . . . . 604
1 1.1 6.3.4 Inversa de la matriz de Leontief para el modelo de economı́aabierta y método de
1 1.1 6.3.4 aproximación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
1 6.4 Programación lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
1 1.1 6.4.1 Enfoque geométrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
1 1.1 6.4.2 Método simplex para el problema estándar de programación lineal . . . . . . . . . . . . . 620
1 1.1 6.4.3 Restricciones generales y método simplex de dos fases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
1 1.1 6.4.4 Dualidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
1 6.5 Teorı́a de juegos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
1 1.1 6.5.1 Juegos estrictamente determinados y puntos silla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
1 1.1 6.5.2 Estrategias y pagos esperados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646
1 1.1 6.5.3 Estrategias óptimas y valor esperado para juegos matriciales con matriz de pagos
1 1.1 6.3.4 2×2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648
1 1.1 6.5.4 Estrategias óptimas y valor esperado con programación lineal para juegos
1 1.1 6.3.4 matriciales con matriz de pagos m×n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652
1 1.1 6.5.5 Filas y columnas recesivas o dominantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657
1 6.6 Cadenas de Markov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658
1 6.7 Sistemas lineales de ecuaciones diferenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666
1 6.8 Optimización de funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671
1 1.1 6.8.1 Problemas fı́sicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672
1 1.1 6.8.2 Cálculo diferencial en espacios vectoriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679
1 1.1 6.8.3 Cálculo diferencial para funcionales en Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698
1 1.1 6.8.4 Extremos locales de funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706
1 1.1 6.8.5 Extremos locales y valores propios de la matriz hessiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709
1 1.1 6.8.6 Condiciones necesarias para que cierto tipo de funcionales en espacios de
1 1.1 6.3.4 dimensión infinita alcancen valores extremos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716
1 1.1 6.8.7 Dinámica de un monopolista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725
1 1.1 6.8.8 Epı́logo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727
1 6.9 Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728
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X CONTENIDO
CAPÍTULO 7 Uso de tecnología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761
1 7.1 La calculadora HP 50g y álgebra lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761
1 1.1 17.1.1 Teclado y sus funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761
1 1.1 17.1.2 La pantalla y comandos de decisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763
1 1.1 17.1.3 Modos de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764
1 1.1 17.1.4 Cálculo simbólico vs numérico y almacenamiento de objetos algebraicos . . . . . . 765
1 1.1 17.1.5 Escritura de vectores y matrices en la Hp 50g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766
1 1.1 17.1.6 Operaciones con vectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768
1 1.1 17.1.7 Operaciones con matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771
1 1.1 17.1.8 Factorización QR y ortogonalización, factorización LU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772
1 1.1 17.1.9 Forma escalonada y forma escalonada reducida con la HP 50g, sistemas lineales 773
1 1.1 7.1.10 Métodos de Gauss y Gauss-Jordan paso a paso en forma automática con la
1 1.1 7.1.10 HP 50g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774
1 1.1 7.1.11 Inversa de una matriz paso a paso de manera automática con la calculadora
1 1.1 7.1.10 HP 50g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775
1 1.1 7.1.12 Métodos de Gauss y Gauss-Jordan con operaciones de renglón ejecutadas por el
1 1.1 7.1.10 usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775
1 1.1 7.1.13 Inversa de una matriz por el método de Gauss-Jordan con operaciones de renglón
1 1.1 7.1.10 ejecutadas por el usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777
1 1.1 7.1.14 Transformaciones lineales, núcleo e imagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 779
1 1.1 7.1.15 Valores y vectores propios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 780
1 1.1 7.1.16 Números complejos con la HP 50g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 780
1 7.2 MATLAB y álgebra lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 781
1 1.1 17.2.1 Interacción con MATLAB y almacenamiento de información . . . . . . . . . . . . . . . . . . 781
1 1.1 17.2.2 Escritura de matrices y operaciones básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783
1 1.1 17.2.3 Formatos y modo simbólico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785
1 1.1 17.2.4 Matrices especiales, información básica y edición de matrices . . . . . . . . . . . . . . . . 786
1 1.1 17.2.5 Operaciones de renglón con MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 789
1 1.1 17.2.6 Funciones programadas por el usuario, programación en MATLAB y operaciones
1 1.1 7.1.10 de renglón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 790
1 1.1 17.2.7 Traza, determinante, rango, inversa y transpuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 797
1 1.1 17.2.8 Forma escalonada reducida, solución de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798
1 1.1 17.2.9 Valores y vectores propios, polinomio caracterı́stico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 800
1 1.1 7.2.10 Factorización QR y factorización LU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 802
1 7.3 Excel, la herramienta Solver y programación lineal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803
1 1.1 17.3.1 Activación de Solver en Excel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803
1 1.1 17.3.2 La función SUMAPRODUCTO de Excel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805
1 1.1 17.3.3 Resolución de problemas de programación lineal con Solver . . . . . . . . . . . . . . . . . 806
1 7.4 Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813
CAPÍTULO 8 Álgebra lineal numérica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 819
1 8.1 Aritmética de la computadora y errores de redondeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 819
1 8.2 Métodos directos para resolver sistemas lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822
1 1.1 18.2.1 Método de Gauss para sistemas lineales de orden n con sustitución regresiva . . . 822
1 1.1 18.2.2 Método de Gauss para hallar la inversa de una matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827
1 1.1 18.2.3 Factorización LU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 829
1 1.1 18.2.4 Estrategias para pivotar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 838
1 8.3 Métodos iterativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848
1 1.1 18.3.1 La teorı́a de punto fijo y normas matriciales naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848
1 1.1 18.3.2 Método iterativo de Jacobi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 862
1 1.1 18.3.3 Planteamiento general para un método iterativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 877
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CONTENIDO XI
1 1.1 8.3.4 Método iterativo de Richardson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 880
1 1.1 8.3.5 Método iterativo de Gauss-Seidel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 887
1 1.1 8.3.6 Series de Neumann y método iterativo para aproximar la inversa de una matriz . . 896
1 8.4 Transformaciones de Householder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 901
1 1.1 8.4.1 Definiciones y transformaciones básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902
1 1.1 8.4.2 Factorización QR de Householder y sistemas lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 908
1 1.1 8.4.3 Reducción de Householder-Hessenberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913
1 1.1 8.4.4 Rotaciones y reflexiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 917
1 8.5 Aproximación de valores y vectores propios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923
1 1.1 8.5.1 Método de la potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923
1 1.1 8.5.2 Deflación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 931
1 1.1 8.5.3 Iteración inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937
1 1.1 8.5.4 Método QR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 939
1 1.1 8.5.5 Método QR con reducción de Hessenberg y desplazamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946
1 1.1 8.5.6 Método de Jacobi para aproximar valores y vectores propios de matrices simétricas 950
1 8.6 Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956
A Conjuntos, demostraciones e inducción matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985
A A.1 Conjuntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985
1 1.1 A.1.1 Conjuntos, elementos y subconjuntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985
1 1.1 A.1.2 Operaciones con conjuntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988
1 1.1 A.1.3 Reuniones e intersecciones de familias de conjuntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 992
A A.2 Demostraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993
1 1.1 A.2.1 El método deductivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993
1 1.1 A.2.2 Métodos de demostración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 995
1 1.1 A.2.3 Bicondicional y definiciones, lemas y corolarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 999
A A.3 Inducción matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1002
B Números complejos, campos y espacios vectoriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1011
B B.1 Números complejos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1011
B B.2 Campos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1017
B B.3 Polinomios sobre campos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1021
1 1.1 B.3.1 Propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1021
1 1.1 B.3.2 Raı́ces y teorema fundamental del álgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025
B B.4 Espacios vectoriales sobre otros campos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026
B B.5 Aplicación a la teorı́a de detección y corrección de errores en códigos . . . . . . . . . . . . . . . 1030
C Demostraciones que fueron diferidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1037
D Formas canónicas de Jordan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055
E Respuestas a ejercicios seleccionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073
Lista de símbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105
Alfabeto griego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1108
Lista de aplicaciones adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1109
Lista de programas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1110
Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1111
Índice analítico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1113
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Agradecimientos
Deseo primeramente agradecer a Miguel Ángel Toledo y a Ramón Orduña, quienes me invitaron a rea-
lizar este proyecto con McGraw-Hill, por el gran apoyo y paciencia que tuvieron desde el inicio hasta la
culminación de la obra, sin ellos hubiera sido imposible terminarla. Este libro lo escribı́ en el procesador
de texto matemático y cientı́fico LATEX y el trabajo editorial para su formación fue considerable; deseo
dar las gracias a Marcela Rocha y a Pablo Roig por todo el esfuerzo que hicieron para que el proyecto
pudiera editarse en ese formato y por toda la ayuda que me brindaron en el transcurso de su elaboración.
La mayorı́a de la las figuras las construı́ utilizando los programas LaTeXPiX, TeXCad, GNUPLOT,
TeXCad32 o LaTeX-CAD; deseo dar crédito y reconocimiento a los autores de estos paquetes —de
distribución gratuita— por la magnı́fica tarea que han realizado en esas herramientas de dibujo en el
ambiente LATEX, las cuales facilitaron enormemente el trabajo gráfico en este libro. También quiero
reconocer la excelente labor de maquetación por parte de Mercè Aicart Martı́nez.
Las imágenes 3D —la máquina de la página 416 y los depósitos interconectados de la figura
6-20—, fueron diseñadas por Ernesto Byas Lizardo y Ramón Nuñez Serrania. Todos los dibujos de
los circuitos eléctricos y los digrafos del capı́tulo 6 los realizaron Miriam Del Valle y Samantha Del
Valle. Los planos en tres dimensiones de la figura 1-2 los construyó Elién Rodrı́guez Del Valle. Ernesto
y Miriam hicieron la revisión, en computadora, de las respuestas numéricas de muchos de los ejercicios
propuestos y Miriam leyó el texto en su totalidad para localizar erratas. Mi más sincero agradecimiento
a todos ellos por la desinteresada ayuda que me brindaron.
Doy gracias a las autoridades del campus Estado de México, del Instituto Tecnológico y de Estudios
Superiores de Monterrey, por las facilidades que me dieron para la realización de esta obra; y a Enrique
Ortiz, de HP Calculators Latin America, por el soporte otorgado para la realización de la sección 7.1.
El doctor Francisco Delgado Cepeda, profesor del campus Estado de México, leyó por completo el
primer capı́tulo; le agradezco mucho su colaboración y valiosos comentarios.
El doctor Fermı́n Acosta Magallanes, profesor del campus Estado de México y de la UPIITA del
IPN, sacrificó mucho de su tiempo al leer casi en su totalidad el libro. Sus comentarios, observaciones y
correcciones fueron de un enorme valor. Obviamente cualquier error técnico en el texto es absolutamente
mi responsabilidad. El interés constante que mantuvo Fermı́n en la realización de esta obra fue un gran
estı́mulo para su culminación y estaré siempre agradecido con él.
Cuando estaba escribiendo este trabajo, se presentaron algunos problemas serios en mi salud, y
gracias a los cuidados y apoyo de mis hermanas Rosa Marı́a y Gabriela, mi hermano Manuel, mi cuñado
José Manuel Lara, mi doctora de cabecera Daniela Lara Del Valle, mis sobrinos Emmanuel Lara, Etzel
Rodrı́guez, Rosa Marı́a Lara, Noemı́ Del Valle, Alejandro Urban, y mis hijas Samantha y Miriam, ahora
estoy escribiendo estas últimas lı́neas. Espero que ellos sepan que pueden contar siempre conmigo como
yo conté con ellos.
XIII
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XIV AGRADECIMIENTOS
Escribir un libro, especialmente uno como éste, es una labor en la que hay gran sacrificio no sólo
del autor, sino también de los que son más cercanos a él: su familia; en este caso mis hijas Samantha
y Miriam. Su paciencia, amor y comprensión fueron el principal incentivo para llegar al final de este
proyecto.
Finalmente quiero agradecer a Rubén Dario Santiago Acosta, director del Departamento de Ma-
temáticas y Fı́sica del campus Estado de México, por su valiosa cooperación para la realización de este
libro. En la vida de todo ser humano existen periodos en que los avatares son más intensos y frecuentes;
el lapso para realizar esta obra fue una de esas etapas para mı́. Rubén fue en todo momento un apoyo y,
aunque la suerte no siempre está de mi lado, soy muy afortunado por tener a un gran amigo como él.
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Prólogo
Este libro tiene su germen en las notas del curso semestral de álgebra lineal que he impartido a lo largo
de varios años en el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Estado de
México, las cuales son el esqueleto de lo que ahora pretendo mostrar como un cuerpo ya con piel y
completo, que se desarrolló gracias a la experiencia adquirida a través de todos esos años.
El objetivo principal es presentar a detalle y profundidad los principales temas del álgebra lineal,
mostrando la utilidad de esta materia por medio de una gran variedad de aplicaciones a otros campos y a
las propias matemáticas. Integrando la teorı́a, la práctica, el uso de tecnologı́a y los métodos númericos
de esta disciplina.
El libro está diseñado de tal manera que se puede usar para un curso de uno o dos semestres, depen-
diendo de los programas de estudio de cada institución y de la profundidad con la que se desee tratar
cada tema. En el primer caso conviene cubrir las partes I y II, exceptuando los apartados 4.2, 5.3.3 y
5.3.4. Para el segundo caso, se recomiendan todos los temas de las partes I y II, las formas canónicas
de Jordan del apéndice D y el material adicional que se incluye en el sitio web del libro. En ambas
modalidades se pueden incluir las secciones que se consideren adecuadas de la parte III, especialmente
las aplicaciones del capı́tulo 6.
Como su nombre lo indica, Álgebra lineal para estudiantes de ingenierı́a y ciencias está orientado
para ser utilizado tanto en escuelas de ingenierı́a como en escuelas de ciencias, ya sea a nivel licenciatura
o posgrado. Los requisitos académicos para la comprensión del material son las matemáticas elementa-
les que se cubren a nivel medio superior (álgebra, geometrı́a analı́tica y cálculo diferencial e integral).
La mayorı́a de los estudiantes que toman un curso de álgebra lineal, salvo los que cursan la ca-
rrera de matemáticas, se enfrentan por primera vez a una materia en la que se tienen que hacer de-
mostraciones de teoremas y proposiciones matemáticas utilizando el método lógico-deductivo; es la
principal dificultad que entraña un curso de esta naturaleza para el lector profano en el campo del
rigor matemático. Sin embargo, en álgebra lineal la mayorı́a de las demostraciones son constructi-
vas; es decir, la prueba de un teorema es en sı́ un algoritmo para resolver una serie de importan-
tes problemas; lo cual representa una ventaja didáctica para poder iniciarse en el rigor lógico de las
matemáticas. Aun tomando en consideración esa ventaja, aprender en qué consiste probar rigurosa-
mente proposiciones matemáticas no es fácil. Para apoyar al estudiante en esta tarea, el apéndice A.2
contiene una breve introducción al método deductivo y a los métodos de demostración en matemáti-
cas —diseñada para que el lector pueda estudiarla por cuenta propia o con un poco de ayuda de
su profesor—, a través de casos concretos y con un mı́nimo de conocimientos previos que segura-
mente todo estudiante, a este nivel, posee. En estos tiempos, donde la credulidad y las pseudocien-
cias son estimuladas mediáticamente como instrumentos de mercadotecnia para vender productos que
“curan” todos los males —incluyendo los polı́ticos y sociales—, el escepticismo, como una cultu-
ra de lo que se afirma se demuestra, deberı́a ser cultivado por el Homo sapiens moderno y el álge-
bra lineal es una excelente oportunidad para iniciarse, al menos en la parte matemática, en esa cultura.
XV
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XVI PRÓLOGO
He divididoel libro en tres partes que, desde mi punto de vista, conforman lo que es el álgebra lineal.
Las primeras dos contienen el núcleo teórico de la materia. La parte I —matrices, sistemas lineales, de-
terminantes e inversas de matrices— es la más elemental y es la columna vertebral en la que se apoya el
resto del libro; mientras que la II —espacios vectoriales, producto interior, normas, valores y vectores
propios— es el corpus de ese núcleo que incluye los temas más relevantes del álgebra lineal. Estos dos
segmentos constituyen los primeros cinco capı́tulos de la obra, y en ellos he intentado exponer el signifi-
cado matemático del álgebra lineal. En la parte III —que contiene los últimos tres capı́tulos del texto—,
a través de diversas aplicaciones en el capı́tulo 6, he tratado de hacer patente la utilidad práctica que
tiene esta importante materia. Los cálculos numéricos en álgebra lineal pueden llegar a ser muy com-
plejos aritméticamente y tomar demasiado tiempo realizarlos; afortunadamente en esta época contamos
con tecnologı́a para apoyarnos en esta tarea. En el capı́tulo 7, incluı́ el uso de la tecnologı́a en el álgebra
lineal, especı́ficamente con MATLAB y la calculadora HP 50g; y EXCEL, para programación lineal. Sin
embargo, una exposición del álgebra lineal que no muestra las dificultades inherentes que se presentan
al hacer cálculos numéricos en esta materia y cómo resolverlas matemáticamente, es incompleta. Por
esta razón, el capı́tulo final contiene una introducción relativamente profunda de los principales métodos
numéricos que se utilizan en álgebra lineal; con más de 32 programas en MATLAB de esos algoritmos
para ser utilizados o modificados, en este u otro lenguaje, por el estudiante a su conveniencia.
Al escribir esta obra intenté tener siempre presentes los obstáculos a los que se enfrentan la mayorı́a
de los estudiantes de álgebra lineal, el principal es el alto nivel de abstracción de la materia. Para soslayar
esta dificultad, el libro contiene más de 200 figuras con el propósito de crear imágenes que puedan
ayudar al lector a visualizar fı́sica y geométricamente entes abstractos y convertirlos en conceptos más
concretos. Además, a lo largo de sus 8 capı́tulos y 5 apéndices, incluı́ más de 450 ejemplos para apoyarlo
a comprender la materia. Sin embargo, pensé que esto no era suficiente, pues el estudiante necesita
ver cómo se resuelven ejercicios en álgebra lineal, sobre todo aquellos que tienen contenidos altos de
abstracción; por esta razón incorporé, en la última sección de cada uno de los primeros cinco capı́tulos
—que conforman el núcleo principal del libro— un grupo de ejercicios resueltos con detalle; en total
forman un conjunto de más de 230 ejercicios de cálculos directos, demostraciones, etc., que junto con
los ejemplos del texto suman un total de más de 680 problemas completamente resueltos que el lector
puede consultar según lo necesite. Naturalmente, no basta con “ver”, se necesita “hacer” y, para ello,
el libro contiene —al final de cada capı́tulo— una sección de ejercicios propuestos al estudiante —con
respuestas a los ejercicios seleccionados en el apéndice E— para que practique a discreción o de acuerdo
con las instrucciones de su profesor; en total el libro cuenta con más de 2300 ejercicios propuestos.
Con el propósito de no interrumpir la exposición de la teorı́a en el texto y para facilitar su consulta,
coloqué aparte, en el capı́tulo 6, las aplicaciones. Al principio de cada una de ellas se hacen explı́citos
los requisitos —del material del texto y de otras disciplinas— que se necesitan para su estudio. El nivel
de las aplicaciones aumenta gradualmente desde el muy elemental hasta un nivel que demanda mucho
más esfuerzo para su comprensión; sin embargo, confı́o que la utilidad final que el estudiante encuentre
en ellas bien valdrá la pena el tiempo invertido para su estudio. De hecho, este capı́tulo se puede abordar
inmediatamente después de que se cumplan los requisitos que señala la aplicación correspondiente; por
ejemplo, las aplicaciones de las secciones 6.1, 6.2, 6.4, 6.5 y 6.6, se pueden tratar en seguida que se
ha cubierto el material de matrices y sistemas lineales (o en forma simultánea). Sin embargo, en el
texto hay algunas aplicaciones que en realidad están concatenadas a la teorı́a —por ejemplo, el tema de
aproximación óptima en espacios normados, o la interesante teorı́a de detección y corrección de errores
en códigos binarios que está al final del apéndice B—, esas no las incluı́ en el capı́tulo 6 y se encuentran
dispersas a lo largo del libro; en la página 1109 hay una lista de ellas con referencias al lugar donde se
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PRÓLOGO XVII
localizan en el texto. Una función semejante cumple el listado de la página 1110, que es una descripción
de los principales programas en MATLAB que contiene el libro y señala su ubicación.
Además, esta obra cuenta con una página donde el estudiante tendrá acceso a diversos recursos:
www.mhhe.com/uni/delvalleag1e.
Espero que Álgebra lineal para estudiantes de ingenierı́a y ciencias cumpla con los propósitos para
los que fue creado, sirva de apoyo a la labor docente de los profesores que trabajan educando en esta
materia y que vosotros, estudiantes, encuentren en él no sólo dónde aprender álgebra lineal, sino que
también disfruten de ese proceso como yo lo hice al escribir cada una de las lı́neas de este libro (también
sufrı́, ojalá ustedes no).
México D.F., primavera de 2011
JUAN CARLOS DEL VALLE SOTELO
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I
Matrices, sistemas y
determinantes
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1 Matrices y
sistemas lineales
En este capı́tulo se introducen los conceptos básicos que se requieren para estudiar álgebra lineal. Co-
menzamos en la primera sección con el tema fundamental de matrices. Las matrices se crearon para
operar ciertos arreglos numéricos que aparecen tanto en aplicaciones como en las propias matemáti-
cas. Continuamos en la segunda sección con el estudio general de sistemas de ecuaciones lineales. Los
sistemas de ecuaciones lineales tienen una gran variedad de aplicaciones en ciencias e ingenierı́a y se-
guramente el lector ya tuvo algún contacto con ellos en forma elemental en secundaria y bachillerato;
aquı́ nos abocamos a un estudio general y profundo de este importante tema. La tercera sección con-
tiene un compendio de ejercicios resueltos de las dos secciones precedentes para que el lector consulte
el mayor número de ejemplos resueltos y un conjunto de ejercicios propuestos para que los resuelva el
estudiante.
1.1 Matrices
1.1.1 Definiciones y ejemplos
Definición 1.1 Una matriz A es un arreglo de m-renglones o filas y n-columnas de m× n números
reales:
A =
⎡
⎢⎢⎢⎣
a11 a12 · · · a1n
a21 a22 · · · a2n
...
...
. . .
...
am1 am2 · · · amn
⎤
⎥⎥⎥⎦ .
Se dice entonces que A es una matriz de tamaño m×n y simbólicamente se escribe
A = [ai j] ,
i = 1,2, ...,m; j = 1,2, ...,n. Esto es, ai j representa el número que se encuentra en la fila i y en la
columna j. A los elementos ai j se les llaman las componentes (entradas) de la matriz A.
Nota 1.1
1. Los paréntesis rectangulares se pueden suplir por paréntesis circulares en notaciones matriciales.
En este libro emplearemos paréntesis rectangulares.
3
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4 CAPÍTULO 1 Matrices y sistemas lineales
2. En el caso particular de que una matriz tenga tamaño 1× 1 escribiremos simplemente a en lugar
de [a]; es decir, identificaremos toda matriz [a] con el número real a.
� Ejemplo 1.1 Si
A =
[ −2 3 5
−4 2 1
]
,
A es una matriz 2×3 y, para este caso, a11 =−2, a12 = 3, a13 = 5, a21 =−4, a22 = 2, a23 = 1.�
Nota 1.2 Al conjunto de matrices de tamaño m×n lo denotaremos, en este libro, por Mm×n.
Definición1.2 Dos matrices A = [ai j], B = [bi j] son iguales (A = B) si y sólo si:
• A y B tienen el mismo tamaño y
• ai j = bi j ∀i , j.
� Ejemplo 1.2 De acuerdo con la definición precedente
[
1 3 9
5 7 2
]
�=
[
1 3 9
5 6 2
]
. �
� Ejemplo 1.3 Determinar el valor de a para que las matrices A =
[
a 1
−1 2a
]
y B =
[
2 1
−1 4
]
sean iguales.�
Solución Dado que ambas matrices tienen el mismo tamaño ellas serán iguales si y sólo si coinciden
componente a componente; para lo cual es suficiente que a = 2 y 2a = 4; esto es, para a = 2.
� Ejemplo 1.4 Resolver el ejemplo anterior si A =
[
a 0
3 3a
]
y B =
[
1 0
3 4
]
.�
Solución Para que las matrices sean iguales se requiere, en este caso, que a = 1 y 3a = 4, luego se
debe tener simultáneamente a = 1 y a = 4/3; lo cual es imposible. Por tanto A �= B para cualquier valor
de a.
1.1.2 Operaciones con matrices
1. Multiplicación de un escalar1 con una matriz. Si λ ∈ R y A = [ai j] ∈Mm×n se define λA =
[λai j]. Es decir, el resultado de multiplicar una matriz con un escalar es la matriz que tiene como
componentes cada una de las entradas de la matriz original multiplicada por dicho escalar.
2. Suma de matrices. Si A ,B ∈Mm×n, A = [ai j], B = [bi j]; se define la suma de A con B como
A+B = [ci j], con ci j = ai j +bi j ∀i , j. Ası́, la suma de dos matrices sólo se puede realizar cuando
éstas tienen el mismo tamaño y el resultado es también una matriz m×n.
11Diremos que todo número real es un escalar.
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SECCIÓN 1.1 Matrices 5
3. Multiplicación de una matriz fila por matriz columna.2
[
a11 a12 · · · a1n
]
⎡
⎢⎢⎢⎢⎢⎣
b11
b21
·
·
·
bn1
⎤
⎥⎥⎥⎥⎥⎦= a11b11 +a12b21 + · · ·a1nbn1.
De acuerdo con esta definición, el producto de una matriz fila con una matriz columna sólo se pue-
de llevar a cabo cuando la primera tiene tamaño 1×n y la segunda n×1 (las dos tienen el mismo
número de componentes) y el resultado de la operación será una matriz 1× 1 (un número real).
4. Producto de una matriz m×n con una matriz n× p. Si A = [ai j] ∈Mm×n y B = [bi j] ∈Mn×p,
el producto de A con B se define como AB = [ci j] donde
ci j =
n
∑
k=1
aikbk j ,
para i = 1,2, . . . ,m y j = 1,2, . . . , p. Es decir, la componente ci j del producto AB es el resultado
de multiplicar la i-ésima fila de A con la j-ésima columna de B. Además, para poder efectuar el
producto, la primera matriz debe tener el mismo número de columnas que de filas la segunda y la
matriz AB tiene entonces tamaño m× p. En forma equivalente, si Fi, i = 1, . . . ,m, son las filas de A
y Cj, j = 1, . . . , p, son las columnas de B, entonces
AB =
⎡
⎢⎢⎢⎣
F1C1 F1C2 · · · F1Cp
F2C1 F2C2 · · · F1Cp
...
...
. . .
...
FmC1 F2C2 · · · FmCp
⎤
⎥⎥⎥⎦ (1.1)
� Ejemplo 1.5 Hola
• √2
⎡
⎣ −1 0 −1 22 −4 1 3√
2 −4 0 5
⎤
⎦=
⎡
⎣ −
√
2 0 −√2 2√2
2
√
2 −4√2 √2 3√2
2 −4√2 0 5√2
⎤
⎦
• Si A =
[ −2 −4 −1
5 −2 0
]
y B =
[ −4 −5 2
−1 0 −1
]
, entonces A+B =
[ −6 −9 1
4 −2 −1
]
.
• [ −1 0 −2 4 5 ]
⎡
⎢⎢⎢⎢⎣
2
−1
0
0
−4
⎤
⎥⎥⎥⎥⎦ =
=
(−1)(2)+(0)(−1)+(−2)(0)
+ (4)(0)+(5)(−4)
−22.
Note que en este caso la matriz fila tiene tamaño 1× 5 y la columna 5× 1 (las dos tienen el mismo
número de componentes).�
12Una matriz fila es una matriz que tiene solamente un renglón y una matriz columna es una matriz que tiene una sola columna
(cfr. inciso 3 de la pág. 8).
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6 CAPÍTULO 1 Matrices y sistemas lineales
� Ejemplo 1.6 Si
A =
[ −1 −2 4
0 2 1
]
y B =
⎡
⎣ 1 −2 4 50 −1 0 2
−1 0 0 1
⎤
⎦ ,
A ∈M2×3, B ∈M3×4; el producto AB está definido (el número de columnas de A es igual al número de
filas de B, en este caso 3) y el producto AB será una matriz 2×4, dos filas y cuatro columnas (tantas filas
como A y tantas columnas como B). Para obtener las componentes ci j de las filas de la matriz producto
AB procedemos de la manera siguiente.
La primera fila de AB: Los elementos de la primera fila de AB se obtienen multiplicando, sucesi-
vamente, la primera fila de A con la primera, segunda, tercera y cuarta columas de B:
c11 =
[ −1 −2 4 ]
⎡
⎣ 10
−1
⎤
⎦= −5,
c12 =
[ −1 −2 4 ]
⎡
⎣ −2−1
0
⎤
⎦= 4,
c13 =
[ −1 −2 4 ]
⎡
⎣ 40
0
⎤
⎦=−4,
c14 =
[ −1 −2 4 ]
⎡
⎣ 52
1
⎤
⎦=−5.
La segunda fila de AB: Los elementos de la segunda fila de AB se obtienen multiplicando, sucesi-
vamente, la segunda fila de A con la primera, segunda, tercera y cuarta columas de B:
c21 =
[
0 2 1
]⎡⎣ 10
−1
⎤
⎦=−1,
c22 =
[
0 2 1
]⎡⎣ −2−1
0
⎤
⎦=−2,
c23 =
[
0 2 1
]⎡⎣ 40
0
⎤
⎦= 0,
c24 =
[
0 2 1
]⎡⎣ 52
1
⎤
⎦= 5.
Luego,
AB =
[ −5 4 −4 −5
−1 −2 0 5
]
.�
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SECCIÓN 1.1 Matrices 7
En realidad, la notación matricial está diseñada para ejecutar mecánica y mentalmente los cálculos
cuando el tamaño de las matrices no es muy grande; por eso el lector debe procurar, en la medida de
lo posible, aprovechar esta ventaja para efectuar las operaciones de esta manera. De hecho, a partir de
aquı́, el lector ya no encontrará un producto de matrices realizado con el detalle con el que se hizo en el
ejemplo precedente; pues utilizaremos sistemáticamente (1.1) para producto de matrices y haremos los
cálculos sin hacer explı́citas las operaciones.
� Ejemplo 1.7
⎡
⎣ −1 0 12 1 1
3 −2 0
⎤
⎦
⎡
⎣ 0 −1 11 1 −1
0 1 2
⎤
⎦ =
⎡
⎣ F1C1 F1C2 F1C3F2C1 F2C2 F2C3
F3C1 F3C2 F3C3
⎤
⎦
=
⎡
⎣ 0 2 11 0 3
−2 −5 5
⎤
⎦ .�
1.1.3 Matrices especiales
1. Matriz cero. La matriz cero de tamaño m× n se define como aquella que tiene las m× n compo-
nentes nulas; esto es,
O = [ai j]
donde ai j = 0 ∀i , j. Ası́, por ejemplo,
O =
[
0 0 0
0 0 0
]
es la matriz cero 2×3.
2. Matriz identidad n×n:
In =
⎡
⎢⎢⎢⎣
1 0 · · · 0
0 1 · · · 0
...
...
. . .
...
0 0 · · · 1
⎤
⎥⎥⎥⎦;
es decir, In = [ai j], donde
ai j =
{
1, si i = j;
0, si i �= j.
Ası́, por ejemplo,
I3 =
⎡
⎣1 0 00 1 0
0 0 1
⎤
⎦
es la matriz identidad 3×3.
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8 CAPÍTULO 1 Matrices y sistemas lineales
3. Como mencionamos en el inciso 3 de la subsección 1.1.2, a las matrices que tienen sólo una fila o
sólo una columna les llamaremos, respectivamente, matrices fila y matrices columna. Además,
en este libro utilizaremos una notación especial en el caso de las matrices columna (cuando tengan
más de un elemento) análoga a la notación vectorial
�b =
⎡
⎢⎢⎢⎣
a11
a21
...
an1
⎤
⎥⎥⎥⎦ .
La razón de esta notación se verá más adelante cuando se estudie el espacio vectorial Rn en el
capı́tulo 3.
A las matrices de tamaño n× n les llamaremos matrices cuadradas de orden n y al conjunto for-
mado por éstas lo denotaremos por Mn. Si A = [ai j] es una matriz cuadrada de orden n se dice que los
elementos a11, a22, a33,..., ann forman o están en la diagonal de la matriz A. Y si A = [ai j] ∈Mm×n,
diremos que los elementos ai j con i = j forman la diagonal principal de la matriz A.
� Ejemplo 1.8 Si
M =
⎡
⎢⎢⎣
−1 5 0 2
7 3 −1 1
3 0 4 2
1 −5 9 7
⎤
⎥⎥⎦
entoncesm11 =−1,m22 = 3,m33 = 4,m44 = 7 son los elementosde la diagonalde la matriz cuadrada M.�
Definición 1.3 Una matriz cuadrada A de orden n es triangular superior si las componentes que
están por debajo de la diagonal son todas nulas. La matriz es triangular inferior si las componentes
que están por arriba de la diagonal son todas iguales a cero.
� Ejemplo 1.9 Si
A =
⎡
⎢⎢⎣
−1 5 0 2
0 3 −1 1
0 0 4 2
0 0 0 7
⎤
⎥⎥⎦ y B =
⎡
⎢⎢⎣
−1 0 0 0
−5 3 0 0
2 0 4 0
6 0 4 0
⎤
⎥⎥⎦ ,
entonces A es una matriz triangular superior y B es una matriz triangular inferior.�
Definición 1.4 Sea A una matriz cuadrada de orden n. Se dice que A es una matriz diagonal si todas
las componentes fuera de su diagonal son nulas. Si aii = λi, i = 1,2, . . . ,n, son las componentes de la
diagonal de esta matriz se escribe
A = diag(λ1,λ2, . . . ,λn)
para representar a la matriz diagonal A.
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SECCIÓN 1.1 Matrices 9
� Ejemplo 1.10 La matriz cuadrada
⎡
⎣ 4 0 00 3 0
0 0 8
⎤
⎦ es diagonal. Esto es,
A = diag(4,3,8).�
Definición 1.5 Si A = [ai j] ∈Mm×nse define la matriz transpuesta de A como At = [bi j], donde
bi j = a ji para i = 1,2, ...,n y j = 1,2, ...,m.
De la definición 1.5 se desprende que At tiene tamaño n×m y que en la matriz transpuesta la primera
columna es la primera fila de A, la segunda columna es la segunda fila de A, etcétera.
Definición 1.6 Una matriz A es simétrica cuando At = A.
La definición 1.6 entraña que una matriz simétrica es necesariamente cuadrada; pues si A ∈Mm×n y
A es simétrica, entonces A = At ∈Mn×m, de donde m = n; ya que dos matrices que son iguales deben
tener el mismo tamaño.
� Ejemplo 1.11 Si
A =
[
1 2 3 4
5 6 7 8
]
,
At =
⎡
⎢⎢⎣
1 5
2 6
3 7
4 8
⎤
⎥⎥⎦ .�
� Ejemplo 1.12 La matriz
A =
[ −1 2
2 3
]
es simétrica pues claramente A = At .�
1.1.4 Propiedades de las operaciones
A continuación enunciamos las principales propiedades de las operaciones con matrices, las cuales son,
en general, fáciles de probar y su comprobación se deja como ejercicio al lector.
1. Si A ,B ,C ∈Mm×n y λ ,β ∈ R:
(a) A+B ∈Mm×n.
(b) A+(B+C) = (A+B)+C.
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10 CAPÍTULO 1 Matrices y sistemas lineales
(c) A+B = B+A.
(d) A+O = A, donde O es la matriz cero m×n.
(e) Existe una matriz −A ∈Mm×n tal que A+(−A) = O . De hecho, si A = [ai j], −A = [−ai j].
(f) λA ∈Mm×n.
(g) λ(βA) = (λβ)A.
(h) (λ+β)A = λA+βA.
(i) λ(A+B) = λA+λB.
(j)3 1A = A.
2. (a) Si A, B, C son matrices tales que los productos A(BC) y (AB)C están definidos, entonces
A(BC) = (AB)C.
(b) Si AB está definido se tiene: λ(AB) = (λA)B = A(λB).
(c) Si A ∈Mm×n, AIn = ImA = A.
(d) En general AB �= BA.
(e) Si A ∈Mm×n y B,C ∈Mn×p , entonces
A(B+C) = AB+AC.
3. (a) Si A y B son matrices del mismo tamaño (A+B)t = At +Bt .
(b) Si A, B son matrices tales que el producto AB está definido, entonces (AB)t = BtAt .
(c) (At)t = A ∀A ∈Mm×n.
Es conveniente que el lector tenga siempre presente la propiedad 2(d); es decir, la no conmutatividad
del producto de matrices. Pues es claro que en principio el hecho de que el producto AB esté definido,
no garantiza que ni siquiera el producto BA esté definido; por ejemplo, si A es una matriz 2×3 y B es
una matriz 3×4, el producto AB está definido y el producto BA no. Más aún, aunque los productos AB
y BA estén definidos éstos, en general, serán distintos como ilustramos en el siguiente ejemplo.
� Ejemplo 1.13
[
1 1
3 2
][
1 0
2 4
]
=
[
3 4
7 8
]
,
[
1 0
2 4
][
1 1
3 2
]
=
[
1 1
14 10
]
;
esto es,
[
1 1
3 2
][
1 0
2 4
]
�=
[
1 0
2 4
][
1 1
3 2
]
�
Finalizamos este apartado con las demostraciones, en los siguientes dos ejemplos, de un par de
propiedades simples del producto de matrices que serán utilizadas más adelante.
13Más adelante, en el tema de espacios vectoriales, se verá la importancia de esta aparentemente inocua propiedad.
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SECCIÓN 1.1 Matrices 11
� Ejemplo 1.14 Sean A = [ai j] ∈Mm×n y C = [bi j] ∈Mn×p. Si�ck =
⎡
⎢⎢⎢⎣
b1k
b2k
...
bnk
⎤
⎥⎥⎥⎦ es la columna k de C y
�dk es la columna k de AC, k = 1,2, . . . , p, demostrar que
�dk = A�ck ∀k.
Esto es,
AC =
[
A�c1 A�c2 · · · A�cp
]
� (1.2)
DEMOSTRACIÓN Sean αi j las componentes del producto AC, entonces, para cada k = 1,2, . . . , p,
�dk =
⎡
⎢⎢⎢⎣
α1k
α2k
...
αmk
⎤
⎥⎥⎥⎦ ;
pero αik =
[
ai1 ai2 · · · ain
]
⎡
⎢⎢⎢⎣
b1k
b2k
...
bnk
⎤
⎥⎥⎥⎦
=
n
∑
j=1
ai jb jk;
por tanto,
�dk =
⎡
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣
n
∑
j=1
a1 jb jk
n
∑
j=1
a2 jb jk
...
n
∑
j=1
am jb jk
⎤
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
. (1.3)
Por otra parte,
A�ck =
⎡
⎢⎢⎢⎣
a11 a12 · · · a1n
a21 a22 · · · a2n
...
...
. . .
...
am1 am2 · · · amn
⎤
⎥⎥⎥⎦
⎡
⎢⎢⎢⎣
b1k
b2k
...
bnk
⎤
⎥⎥⎥⎦
=
⎡
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣
n
∑
j=1
a1 jb jk
n
∑
j=1
a2 jb jk
...
n
∑
j=1
am jb jk
⎤
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
. (1.4)
De (1.3) y (1.4) se tiene A�ck = �dk ∀k.
Page (PS/TeX): 12 / 12, COMPOSITE
12 CAPÍTULO 1 Matrices y sistemas lineales
� Ejemplo 1.15 Supongamos ahora que A = [ai j] ∈Mm×n y�c =
⎡
⎢⎢⎢⎣
x1
x2
...
xn
⎤
⎥⎥⎥⎦, entonces,
x1
⎡
⎢⎢⎢⎣
a11
a21
...
am1
⎤
⎥⎥⎥⎦+ x2
⎡
⎢⎢⎢⎣
a12
a22
...
am2
⎤
⎥⎥⎥⎦+ · · ·+ xn
⎡
⎢⎢⎢⎣
a1n
a2n
...
amn
⎤
⎥⎥⎥⎦=
⎡
⎢⎢⎢⎣
a11 a12 · · · a1n
a21 a22 · · · a2n
...
...
. . .
...
am1 am2 · · · amn
⎤
⎥⎥⎥⎦
⎡
⎢⎢⎢⎣
x1
x2
...
xn
⎤
⎥⎥⎥⎦ . (1.5)
En efecto:
x1
⎡
⎢⎢⎢⎣
a11
a21
...
am1
⎤
⎥⎥⎥⎦+ x2
⎡
⎢⎢⎢⎣
a12
a22
...
am2
⎤
⎥⎥⎥⎦+ · · ·+ xn
⎡
⎢⎢⎢⎣
a1n
a2n
...
amn
⎤
⎥⎥⎥⎦ =
⎡
⎢⎢⎢⎣
x1a11
x1a21
...
x1am1
⎤
⎥⎥⎥⎦+
⎡
⎢⎢⎢⎣
x2a12
x2a22
...
x2am2
⎤
⎥⎥⎥⎦+ · · ·+
⎡
⎢⎢⎢⎣
xna1n
xna2n
...
xnamn
⎤
⎥⎥⎥⎦
=
⎡
⎢⎢⎢⎣
a11x1 +a12x2 + · · ·+a1nxn
a21x1 +a22x2 + · · ·+a2nxn
...
am1x1 +am2x2 + · · ·+amnxn
⎤
⎥⎥⎥⎦
= A�c.�
1.1.5 Matrices con números complejos
En este apartado se introduce, por primera vez en este libro, el uso de números complejos en álgebra
lineal; especı́ficamente en el tema de matrices con componentes complejas. El ápendice B contiene
un breve estudio de este importante campo numérico y de sus principales propiedades, y el lector que
no esté habituado a trabajar con números complejos, o necesite repasar este tema, deberı́a consultar la
sección B.1 de este apéndice cuanto antes. A lo largo de este texto se incluyen apartados que contienen el
uso de números complejos en temas que ya se han tratado con números reales. En general, la transición
en cada caso será muy sencilla, pues una vez que se dominan los temas de álgebra lineal con números
reales los cambios para tratar éstos con números complejos son mı́nimos y, en realidad, las dificultades
tienen que ver más con la familiaridad que tenga el lector con el uso de números complejos que con
aspectos áridos de generalización. De hecho, el uso de este campo numérico en álgebra lineal se va
haciendo cada vez más necesario en la medida que se avanza en la materia, tanto en la teorı́a como en
las aplicaciones. Se han incluido este tipo de subsecciones para ir acostumbrando al lector al uso de los
números complejos en álgebra lineal. Obviamente, el lector que no desee en este momento abordar estos
temas puede omitirlos y regresar a ellos cuando lo juzgue pertinente.
Recordemos (cfr. apéndice B) que los números complejos tienen la forma
a+bi
Page (PS/TeX): 13 / 13, COMPOSITE
SECCIÓN 1.1 Matrices 13
donde a,b son números reales e i es la unidad imaginaria. Al conjunto de estos números se les representa
porC y este campo incluye de manera natural a los números reales mediante la identificación del número
real a con el número complejo a+ 0i. Estos números se operan algebraicamente de manera análoga a
los números reales, utilizando todas las propiedades de éstos y conviniendo en que la unidad imaginaria
en este sistema satisface4
i2 =−1.
De esta manera, operar algebraicamente matrices con componentes complejas es un proceso com-
pletamente análogo al que se utiliza cuando éstas tienen entradas que son números reales. Es decir, se
suman, restan, multiplican, etc., en la misma forma que las matrices reales, pero operando sus com-
ponentes con las reglas algebraicas de los números complejos. Al conjunto de matrices de tamaño
m×n con componentes complejas lo denotaremos por Mm×n(C). Todas las propiedades acerca de ma-
trices con componentes reales que vimos en esta sección siguen siendo válidas para las matrices con
entradas complejas.
� Ejemplo 1.16 Sean A,B ∈M2×3(C) las matrices definidas por
A =
[
1−2i −4i 2
3−5i 4+6i −9i
]
y B =
[
3−7i 5−4i 2−9i
5i 7−6i 1+ i
]
.
Entonces
1. A+B =
[
1−2i −4i 2
3−5i 4+6i −9i
]
+
[
3−7i 5−4i 2−9i
5i 7−6i 1+ i
]
=
[
4−9i 5−8i 4−9i
3 11 1−8i
]
.
2. 5A = 5
[
1−2i −4i 2
3−5i 4+6i −9i
]
=
[
5−10i −20i 10
15−25i 20+30i −45i
]
.
3. (3+2i)B = (3+2i)
[
1−2i −4i 2
3−5i 4+6i −9i
]
=
[
7−4i 8−12i 6+4i
19−9i 26i 18−27i
]
.
Aquı́ hemos realizado las operaciones
(3+2i)(1−2i) = 3−6i+2i−4i2
= 3−4i−4(−1)
= 3−4i+4
= 7−4i,
14En la sección B.1 del apéndice B se hace un estudio más detallado y formal de los números complejos.
Page (PS/TeX): 14 / 14, COMPOSITE
14 CAPÍTULO 1 Matrices y sistemas lineales
para obtener la componentec11 de (3+2i)B;
(3+2i)(−4i) = −12i−8i2
= −12i−8(−1)
= 8−12i,
para obtener la componente c12 de (3+2i)B; etcétera.�
� Ejemplo 1.17 Sean
A =
[
1+ i 2
−i 2−3i
]
y B =
[ −i 3 2+5i
2i 1− i 0
]
,
entonces
AB =
[
1+ i 2
−i 2−3i
][−i 3 2+5i
2i 1− i 0
]
=
[
(1+ i)(−i)+2(2i) (1+ i)(3)+2(1− i) (1+ i)(2+5i)+2(0)
(−i)(−i)+(2−3i)(2i) (−i)(3)+(2−3i)(1− i) (−i)(2+5i)+(2−3i)(0)
]
=
[
1+3i 5+ i −3+7i
5+4i −1−8i 5−2i
]
.�
1.2 Sistemas lineales
Seguramente el lector está familiarizado, por cursos
más elementales, con sistemas simultáneos de dos o
tres ecuaciones lineales con dos o tres incógnitas. Se
les llama sistemas lineales porque, para el caso de dos
incógnitas, digamos x, y, las ecuaciones tienen la for-
ma ax+by= c, cuyos lugares geométricos correspon-
den a lı́neas rectas en el plano. Cuando se resuelve
un sistema lineal de dos ecuaciones con dos incógni-
tas, se busca el punto de intersección de dos lı́neas
rectas (si es que éstas no son paralelas). Aquı́ estu-
diaremos sistemas lineales generales de m ecuacio-
nes con n incógnitas siendo m y n cualquier par de
números enteros no negativos. Los sistemas lineales
tienen una gran variedad de aplicaciones en ingenierı́a
y ciencias; veremos algunas de estas aplicaciones en
el capı́tulo seis.
y
x
x− y = 1
x+ y = 3
Page (PS/TeX): 15 / 15, COMPOSITE
SECCIÓN 1.2 Sistemas lineales 15
1.2.1 Definiciones, soluciones y forma matricial de sistemas lineales
Definición 1.7 Un sistema de m-ecuaciones con n-incógnitas que tiene la forma
a11x1 + a12x2 + · · · + a1nxn = b1
a21x1 + a22x2 + · · · + a2nxn = b2
· · · · · · · · · · ·
· · · · · · · · · · ·
· · · · · · · · · · ·
am1x1 + am2x2 + · · · + amnxn = bm
(1.6)
donde los ai j ,bi ∈ R, i = 1,2, . . . ,m, j = 1,2, . . . ,n, están dados, es lineal. Una solución de este
sistema de ecuaciones es una n-ada ordenada (α1,α2, . . . ,αn) de números reales, tales que al hacer
las sustituciones
x1 = α1
x2 = α2
...
xn = αn
en cada una de las m-ecuaciones las convierte en identidades.
� Ejemplo 1.18 El sistema de dos ecuaciones con tres incógnitas
2x1−3x2− x3=−4 (1.7)
x1 + x2 + x3=−3 (1.8)
es lineal y (−1,2,−4) es una solución del mismo. En efecto, al sustituir x1 =−1, x2 = 2 y x3 =−4 en
la primera ecuación (1.7) se tiene
2(−1)−3(2)− (−4) =−4
y al hacer las mismas sustituciones en la segunda ecuación (1.8),
(−1)+(2)+(−4) =−3.�
� Ejemplo 1.19 El sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas
x21 − 3x2 = 1
x1/21 + x2 = π
no es lineal (¿por qué?).�
Si se tiene el sistema lineal (1.6) a
A =
⎡
⎢⎢⎢⎣
a11 a12 · · · a1n
a21 a22 · · · a2n
...
...
. . .
...
am1 am2 · · · amn
⎤
⎥⎥⎥⎦
Page (PS/TeX): 16 / 16, COMPOSITE
16 CAPÍTULO 1 Matrices y sistemas lineales
se le llama la matriz de coeficientes del sistema. En tal caso, si ponemos
�x =
⎡
⎢⎢⎢⎢⎢⎣
x1
x2
·
·
·
xn
⎤
⎥⎥⎥⎥⎥⎦ y
�b =
⎡
⎢⎢⎢⎢⎢⎣
b1
b2
·
·
·
bm
⎤
⎥⎥⎥⎥⎥⎦ ,
entonces el sistema lineal se puede escribir en forma matricial como
A�x =�b ,
pues al hacer el producto se obtiene
⎡
⎢⎢⎢⎢⎢⎣
a11x1 + a12x2 + · · · + a1nxn
a21x1 + a22x2 + · · · + a2nxn
· · · · · ·
· · · · · · ·
· · · · · ·
am1x1 + am2x2 + · · · + amnxn
⎤
⎥⎥⎥⎥⎥⎦=
⎡
⎢⎢⎢⎢⎢⎣
b1
b2
·
·
·
bm
⎤
⎥⎥⎥⎥⎥⎦
que equivale, por definición de igualdad de matrices, al sistema (1.6).
� Ejemplo 1.20 Para el sistema 3×3
x1 + x2 + 2x3 = 9
2x1 + 4x2 − 3x3 = 1
3x1 + 6x2 − 5x3 = 0
la matriz de coeficientes es
A =
⎡
⎣ 1 1 22 4 −3
3 6 −5
⎤
⎦
y la ecuación matricial correspondiente es
⎡
⎣ 1 1 22 4 −3
3 6 −5
⎤
⎦
⎡
⎣ x1x2
x3
⎤
⎦=
⎡
⎣ 91
0
⎤
⎦ .�
Definición 1.8 El sistema m×n A�x =�b es:
• Consistente: si tiene al menos una solución.
• Inconsistente: si no tiene soluciones.
En la figura 1-1 se ilustran los lugares geométricos de cuatro sistemas lineales en el plano: con solución
única (a), inconsistentes (b) y (c) y con una infinidad de soluciones (d).
Page (PS/TeX): 17 / 17, COMPOSITE
SECCIÓN 1.2 Sistemas lineales 17
(a) (b)
(c) (d)
Figura 1-1 • (a) dos lı́neas que se intersecan en un solo punto, (b) dos lı́neas paralelas que no se intersecan,
(c) tres lı́neas que no se intersecan simultáneamente y (d) dos lı́neas que coinciden.
De manera análoga, una ecuación lineal con tres incógnitas, ax+ by+ cz = d, corresponde al lu-
gar geométrico de puntos que están en un plano en el espacio tridimensional. También en este caso,
cuando se resuelven sistemas lineales con tres incógnitas, se buscan intersecciones de los correspon-
dientes planos. Nuevamente los planos pueden no intersecarse, intersecarse en una infinidad de puntos
o intersecarse en un único punto. La figura 1-2 ilustra estas posibilidades.
Figura 1-2 • Planos que se intersecan, respectivamente, en una lı́nea recta, en un único punto y que no tienen
intersección simultánea.
Definición 1.9 Dos sistemas lineales del mismo tamaño, A�x =�b, H�x =�c, son equivalentes si tienen
el mismo conjunto de soluciones.
En el siguiente ejemplo resolveremos un sistema lineal de manera análoga a como el lector, segu-
ramente, ya lo ha hecho en cursos de bachillerato; sin embargo, lo haremos con un método que intro-
ducirá el importante algoritmo de Gauss; el cual consiste, esencialmente, en ir haciendo “pivotes” para
eliminar variables (incógnitas) y obtener un sistema equivalente en forma “escalonada” y finalmente
resolverlo por sustitución regresiva.
Page (PS/TeX): 18 / 18, COMPOSITE
18 CAPÍTULO 1 Matrices y sistemas lineales
� Ejemplo 1.21 Resolvamos el sistema lineal
x1 + x2 +2x3 = 9 (1.9)
2x1 +4x2−3x3 = 1 (1.10)
3x1 +6x2−5x3 = 0 (1.11)
Para ello, con la ecuación (1.9), eliminemos la variable x1 de las ecuaciones (1.10) y (1.11) multi-
plicando5 (1.9) por −2 y sumando con (1.10); luego multiplicando (1.9) por −3 y sumando con (1.11);
obteniendo el sistema equivalente:
x1 + x2 +2x3 =−19
2x2−7x3 =−17 (1.12)
3x2−11x3 =−27 (1.13)
De manera análoga, multiplicando (1.12) por −3, (1.13) por 2 y sumando los resultados, habremos
hecho un “pivote” con la variable x2 de la ecuación (1.12) para eliminar la variable x2 de la ecuación
(1.13), produciendo el sistema equivalente “escalonado”
x1 + x2 + x3 = 9
2x2 − 7x3 = −17
− x3 = −27
Finalmente, haciendo sustitución regresiva, es decir, despejando y sustituyendo variables de este
último sistema de abajo hacia arriba, tenemos
x3 = 3;
x2 =
−17+7(x3)
2
=
−17+7(3)
2
= 2;
x1 = 9− x2−2x3
= 9− (2)−2(3)
= 1.
Ası́, el sistema es consistente con solución única
�x =
⎡
⎣ 12
3
⎤
⎦ .�
Podemos sintetizar el método del ejemplo precedente de la siguiente manera. Denotemos por Ri
la i-ésima ecuación de un sistema lineal; la notación Ri ↔ αRi + βRj significa que la ecuación Ri se
sustituye por la ecuación que se obtiene de sumar α veces la ecuación Ri con β veces la ecuación Rj.
Las operaciones algebraicas que hicimos en el ejemplo anterior se resumen en el siguiente esquema.
15Cuando se multiplica una ecuación por un número, significa que ambos lados de la igualdad en dicha ecuación se multiplican
por ese número; y cuando se suman dos ecuaciones, quiere decir que se suman miembro a miembro los correspondientes lados de
la igualdad.
Page (PS/TeX): 19 / 19, COMPOSITE
SECCIÓN 1.2 Sistemas lineales 19
x1 + x2 +2x3 = 9
2x1 +4x2−3x3 = 1
3x1 +6x2−5x3 = 0
←−−−−−−→
R2↔−2R1 +R2
R3↔−3R1 +R3
x1 + x2 +2x3 = 9
2x2−7x3 = −17
3x2−11x3 = −27
←−−−−−−−→
R3↔−3R2 +2R3
x1 + x2 +2x3 = 9
2x2−7x3 = −17
−x3 = −3
En cada paso del proceso anterior se obtiene un sistema equivalente; es decir, con las mismas solu-
ciones pero más sencillo, hasta que el último sistema equivalente está escalonado y se puede resolver
haciendo sustitución regresiva.
Es claro que en el ejemplo 1.21 y en la discusión anterior sólo se trabajó con los coeficientes, y que
de las variables x1, x2 y x3 únicamente se utiliza la posición que tienen en el arreglo. Se ve entonces
que para resolver un sistema lineal A�x =�b, basta trabajar con la matriz de coeficientes A y el término
independiente�b.6 Paraello, a continuación damos el siguiente concepto.
Definición 1.10 Para el sistema lineal
a11x1 + a12x2 + · · · + a1nxn = b1
a21x1 + a22x2 + · · · + a2nxn = b2
· · · · · · · · · · ·
· · · · · · · · · · ·
· · · · · · · · · · ·
am1x1 + am2x2 + · · · + amnxn = bm
o, en forma matricial, A�x =�b con
�x =
⎡
⎢⎢⎢⎢⎢⎣
x1
x2
·
·
·
xn
⎤
⎥⎥⎥⎥⎥⎦ y
�b =
⎡
⎢⎢⎢⎢⎢⎣
b1
b2
·
·
·
bm
⎤
⎥⎥⎥⎥⎥⎦,
se define la matriz aumentada (también se le llama matriz ampliada) del mismo como
[A |�b ] =
⎡
⎢⎢⎢⎢⎢⎣
a11 a12 · · · a1n
a21 a22 · · · a2n
· · · · · ·
· · · · · ·
· · · · · ·
am1 am2 · · · amn
∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣
b1
b2
·
·
·
bm
⎤
⎥⎥⎥⎥⎥⎦
El lado izquierdo en la partición [A |�b ] contiene la matriz de coeficientes [ai j] y el lado derecho con-
tiene los términos independientes bi del sistema lineal. La definición anterior provee una notación muy
simple para evitar, en un sistema lineal, escribir las variables y únicamente trabajar con los coeficientes.
La primera fila de la matriz ampliada equivale a la ecuación a11x1+a12x2+ · · ·+a1nxn = b1, la segunda
16Llamaremos término independiente en un sistema lineal A�x =�b, a la matriz columna�b y términos independientes del mismo
sistema a las respectivas componentes de este vector.
Page (PS/TeX): 20 / 20, COMPOSITE
20 CAPÍTULO 1 Matrices y sistemas lineales
fila equivale a la ecuación a21x1 + a22x2 + · · ·+ a2nxn = b2, etc., y la última fila equivale a la ecuación
am1x1 + am2x2 + · · ·+ amnxn = bm. La lı́nea vertical en la partición [A |�b ] únicamente sirve para hacer
notoria la columna que contiene los términos independientes bi del sistema lineal; y de hecho se puede
omitir, si ası́ se desea, cuando se conviene en que la última columna de la matriz aumentada contenga el
término independiente�b del sistema.
Resolveremos ahora, en el siguiente ejercicio, el ejemplo 1.21 utilizando la matriz aumentada.
� Ejemplo 1.22 Para este caso, haciendo las mismas operaciones que en la discusión posterior al ejem-
plo 1.21, pero esta vez a los renglones de la matriz ampliada se tiene:
⎡
⎣ 1 1 22 4 −3
3 6 −5
∣∣∣∣∣∣
9
1
0
⎤
⎦ ←−−−−−−→
R2↔−2R1 +R2
R3↔−3R1 +R3
⎡
⎣ 1 1 20 2 −7
0 3 −11
∣∣∣∣∣∣
9
−17
−27
⎤
⎦
←−−−−−−−→
R3↔−3R2 +2R3
⎡
⎣ 1 1 20 2 −7
0 0 −1
∣∣∣∣∣∣
9
−17
−3
⎤
⎦
y, al hacer sustitución regresiva como se hizo en ese ejemplo (cfr. pág. 18),
⎡
⎣x1x2
x3
⎤
⎦=
⎡
⎣12
3
⎤
⎦ .�
Hasta aquı́, aunque se ha utilizado en forma intuitiva el significado de sistema escalonado, no se ha
precisado con exactitud. En la siguiente subsección nos abocamos a ello.
1.2.2 Matrices escalonadas y sistemas escalonados
Definición 1.11 La matriz A ∈Mm×n está en forma escalonada si se cumplen las siguientes dos
condiciones.
• Las filas nulas (si existen)7 están por debajo de las filas no nulas.
• El primer elemento distinto de cero de cada fila no nula está a la derecha del primer elemento
diferente de cero de las filas precedentes.8
� Ejemplo 1.23 Si
A =
⎡
⎢⎢⎢⎢⎣
0 −1 2 3 −5 3
0 0 −1 0 2 4
0 0 0 0 0 1
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
⎤
⎥⎥⎥⎥⎦ y B =
⎡
⎢⎢⎢⎢⎣
−1 2 4 0 3
0 1 2 −3 4
0 0 1 0 2
0 0 2 −3 0
0 0 0 0 0
⎤
⎥⎥⎥⎥⎦ ,
A está en forma escalonada pero B no.�
17Una fila es nula si todas sus entradas son ceros; una fila es no nula si por lo menos una de sus componentes es distinta de cero.
18En el caso que el primer elemento distinto de cero esté en la primera fila, se sobreentiende que la condición se cumple por
vacuidad.
Page (PS/TeX): 21 / 21, COMPOSITE
SECCIÓN 1.2 Sistemas lineales 21
Definición 1.12 Al primer elemento distinto de cero de cada fila no nula, de una matriz en forma
escalonada, se le llama pivote.
Definición 1.13 Un sistema H�x = �c está escalonado si la matriz ampliada [H |�c ] es una matriz
escalonada. A las variables que correspondan a pivotes en un sistema escalonado se les llamarán
variables ligadas (o principales o básicas) y a las restantes variables libres (o no básicas).
� Ejemplo 1.24 En el sistema escalonado 4×6
⎡
⎢⎢⎢⎣
1 0 3 −2 1 5
0 0 5 0 1 1
0 0 0 0 7 6
0 0 0 0 0 5
∣∣∣∣∣∣∣∣
−2
3
7
0
⎤
⎥⎥⎦ ,
hay pivotes en las columnas 1, 3, 5 y 6; que corresponden, respectivamente, a las variables x1, x3, x5 y
x6. Ası́ que estas variables son ligadas y x2, x4 son variables libres.�
Entonces, para resolver un sistema escalonado al hacer sustitución regresiva, se despejan las varia-
bles ligadas dejándolas en función de las variables libres procediendo de abajo hacia arriba, en
el caso que el sistema tenga variables libres; en caso contrario, simplemente se despejan las variables
ligadas actuando también de abajo hacia arriba.
� Ejemplo 1.25 Resolver los siguientes sistemas lineales escalonados.
1.
⎡
⎣ −5 −1 30 3 5
0 0 2
∣∣∣∣∣∣
3
8
−4
⎤
⎦
2.
⎡
⎢⎢⎣
1 −3 0 5 0
0 0 1 2 0
0 0 0 0 1
0 0 0 0 0
∣∣∣∣∣∣∣∣
4
−7
1
0
⎤
⎥⎥⎦
3.
⎡
⎣ 1 −3 50 1 2
0 0 0
∣∣∣∣∣∣
3
2
−1
⎤
⎦�
Solución 1. En este caso, x1, x2 y x3 son todas variables ligadas, el sistema no tiene variables libres y
x3 =−4/2 =−2; x2 = 8−5x23 = 6; x1 = 3+x2−3x3−5 =−3. Es decir,⎡
⎣ x1x2
x3
⎤
⎦=
⎡
⎣ −36
−2
⎤
⎦
es la única solución.
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22 CAPÍTULO 1 Matrices y sistemas lineales
2. Para este sistema escalonado x1, x3 y x5 son las variables ligadas; mientras que x2 y x4 son las va-
riables libres. Entonces x5 = 1, x3 = −7−2x4, x1 = 4+3x2−5x4; lo cual indica que al dar valores
concretos arbitrarios a las variables libres x2 y x4 se obtiene una solución. Ası́, el conjunto de solu-
ciones de este sistema es infinito y está dado por:
{(x1,x2,x3,x4,x5) |x5 = 1, x3 =−7−2x4, x1 = 4+3x2−5x4; x2,x4 ∈ R} .
Una manera más compacta de expresar las soluciones es:⎡
⎢⎢⎢⎢⎣
x1
x2
x3
x4
x5
⎤
⎥⎥⎥⎥⎦=
⎡
⎢⎢⎢⎢⎣
4+3s−5r
s
−7−2r
r
1
⎤
⎥⎥⎥⎥⎦; r,s ∈ R.
Al dar valores concretos a r y s se obtendrá una solución particular; por ejemplo, si r = 0 y s = 0, es
fácil darse cuenta que ⎡
⎢⎢⎢⎢⎣
x1
x2
x3
x4
x5
⎤
⎥⎥⎥⎥⎦=
⎡
⎢⎢⎢⎢⎣
4
0
−7
0
1
⎤
⎥⎥⎥⎥⎦
resuelve el sistema de ecuaciones.
3. Para este sistema no pueden existir números reales x1,x2,x3 tales que 0x1+0x2+0x3 =−1; es decir,
el sistema no tiene solución, es inconsistente.
1.2.3 Operaciones de renglón para matrices, equivalencia por filas y soluciones
1.2.3 de sistemas escalonados
Motivados en los métodos de la subsección precedente para resolver sistemas lineales, definimos las
siguientes operaciones de renglón (fila) para matrices.
Operaciones elementales de renglón para matrices
1. Intercambio de filas: Ri←→ Rj.
2. Cambio de escala: Ri←→ αRi (α �= 0).
3. Suma de filas: Ri←→ αRi +βRj (α �= 0).
Las cuales significan, respectivamente:
• La fila i se intercambia con la fila j.
• La fila i se cambia por la misma fila multiplicada por α.
• La fila i se cambia por la suma de α-veces la fila i con β-veces la fila j.
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SECCIÓN 1.2 Sistemas lineales 23
Matrices equivalentes
Definición 1.14 Sean A , B ∈Mm×n. B es equivalente por filas a la matriz A (o simplemente equi-
valente a A), si B se puede obtener de la matriz A al aplicarle una sucesión finita de operaciones
elementales de renglón. Si B es equivalente a A escribiremos B∼ A o B↔ A.
� Ejemplo 1.26 Si
A =
[
1 2 3 4 5
2 −3 −1 0 1
]
y
B =
[
1 2 3 4 5
0 −7 −7 −8 −9
]
,
B∼ A; pues B se obtiene de A mediante la operación de renglón
R2←→−2R1 +R2�
No es difı́cil probar el siguiente teorema.
Teorema 1.1 Si A, B ∈Mm×n, entonces
1. A∼ A. (Reflexividad)
2. A∼ B⇒ B∼ A. (Simetrı́a)
3. A∼ B y B∼C⇒ A∼C. (Transitividad)
Del teorema precedente inciso 2, se ve que ya no es necesario decir que B es equivalente a A, pues
en tal caso simplemente podremos enunciar que A y B son equivalentes.
Al aplicar operaciones de renglón a un sistema se obtiene un sistema equivalente. Es decir:
Teorema 1.2 Si [A |�b ]∼ [H |�c ], entonces los sistemas A�x=�b y H�x=�c tienen las mismas soluciones.
Es claro que siempre se pueden aplicar operaciones de fila a una matriz A, de manera adecuada, para
obtener una matriz escalonada equivalente a ella. Lo cual hacemos patente en