📘 Bloque 1: Álgebra · Tema 1.1 Matrices

1.1.1 Definición y orden de una matriz

Concepto de matriz como tabla de números reales, dimensión de filas y columnas, notación de elementos e identificación de matrices cuadradas.

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1. Concepto Fundamental de Matriz

Una matriz es una disposición u ordenación rectangular de números reales distribuidos en $$ m $$ filas horizontales y $$ n $$ columnas verticales. Cada uno de los valores numéricos que integran la estructura se denomina elemento o entrada de la matriz.

Al número de filas y de columnas se le denomina dimensión u orden de la matriz, y se expresa formalmente como:

$$\text{ord}(A) = m \times n \quad \iff \quad A \in \mathcal{M}_{m \times n}(\mathbb{R})$$
📌 Ejemplo Concreto de Dimensión:

Enunciado: Determinar la dimensión de la matriz $$ A = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 5 \\ 2 & 6 & 4 \end{pmatrix} $$ e identificar formalmente el espacio vectorial numérico al que pertenece.

Explicación: Para resolver este ejercicio empezaremos por contar el número de líneas horizontales para establecer el número de filas de la matriz. A continuación contaremos las líneas verticales para determinar el número de columnas. Para terminar expresaremos el orden matricial en la notación canónica $$ m \times n $$ y formalizaremos su pertenencia al conjunto $$ \mathcal{M}_{m \times n}(\mathbb{R}) $$.

Paso 1: Conteo exhaustivo de filas y columnas

Analizamos las líneas horizontales y verticales que estructuran la matriz:

  • Líneas horizontales (filas): Fila 1 = $$ (1, 3, 5) $$, Fila 2 = $$ (2, 6, 4) $$ → $$ m = 2 $$ filas.
  • Líneas verticales (columnas): Columna 1 = $$ \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix} $$, Columna 2 = $$ \begin{pmatrix} 3 \\ 6 \end{pmatrix} $$, Columna 3 = $$ \begin{pmatrix} 5 \\ 4 \end{pmatrix} $$ → $$ n = 3 $$ columnas.
Paso 2: Expresión formal del orden dimensional

Combinamos el número de filas $$ m = 2 $$ con el número de columnas $$ n = 3 $$ bajo el formato estandarizado:

$$\text{ord}(A) = 2 \times 3 \implies A \in \mathcal{M}_{2 \times 3}(\mathbb{R})$$

Conclusión: La matriz $$ A $$ posee dimensión rectangular $$ 2 \times 3 $$ (2 filas y 3 columnas) y pertenece de forma rigurosa al espacio matricial $$ \mathcal{M}_{2 \times 3}(\mathbb{R}) $$.

2. Notación de Elementos

Las matrices se designan habitualmente mediante letras mayúsculas ($$ A, B, C, \dots $$). Cada número individual de la matriz se designa con la misma letra en minúscula acompañada de dos subíndices:

$$a_{ij}$$
📌 Ejemplo Concreto de Lectura de Posición de Elementos:

Enunciado: En la matriz rectangular $$ A = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 5 \\ 2 & 6 & 4 \end{pmatrix} $$, identificar la posición y valor de los elementos $$ a_{12} $$, $$ a_{23} $$ y $$ a_{21} $$.

Explicación: Para resolver este ejercicio empezaremos por recordar la regla nemotécnica de subíndices donde el primer índice designa la fila y el segundo la columna. A continuación localizaremos las coordenadas posicionales de cada entrada en la matriz. Para terminar extraeremos el valor numérico correspondiente a cada par de coordenadas.

Paso 1: Localización del cruce de fila y columna

Aplicamos el convenio posicional $$ a_{ij} $$ (fila $$ i $$, columna $$ j $$):

  • Para $$ a_{12} $$: Intersección de la 1ª fila horizontal $$ (1, 3, 5) $$ con la 2ª columna vertical $$ \begin{pmatrix} 3 \\ 6 \end{pmatrix} $$.
  • Para $$ a_{23} $$: Intersección de la 2ª fila horizontal $$ (2, 6, 4) $$ con la 3ª columna vertical $$ \begin{pmatrix} 5 \\ 4 \end{pmatrix} $$.
  • Para $$ a_{21} $$: Intersección de la 2ª fila horizontal $$ (2, 6, 4) $$ con la 1ª columna vertical $$ \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix} $$.
Paso 2: Extracción de los valores numéricos
$$a_{12} = 3, \quad a_{23} = 4, \quad a_{21} = 2$$

Conclusión: Los coeficientes extraídos son $$ a_{12} = 3 $$, $$ a_{23} = 4 $$ y $$ a_{21} = 2 $$, verificando que el primer subíndice rige la fila y el segundo la columna.

🔍 Observación Crítica de Nomenclatura

El orden de los subíndices es sagrado e inalterable: siempre se nombra primero la fila y en segundo lugar la columna. Una regla nemotécnica infalible para recordar el orden es el acrónimo FC (Fila antes que Columna) o la palabra Fútbol Club.

3. Matrices Cuadradas, Diagonales y Traza

Cuando el número de filas coincide exactamente con el número de columnas ($$ m = n $$), la matriz recibe el nombre de matriz cuadrada de orden $$ n $$, y se denota como $$ B \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R}) $$.

En toda matriz cuadrada distinguimos dos diagonales y su traza:

📌 Ejemplo Concreto de Matriz Cuadrada y Diagonales:

Enunciado: Dada la matriz cuadrada de orden 3, $$ B = \begin{pmatrix} 3 & 5 & 6 \\ 7 & 4 & 2 \\ 9 & 8 & 1 \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_3(\mathbb{R}) $$, identificar formalmente sus diagonales principal y secundaria y calcular el valor de su traza.

Explicación: Para resolver este ejercicio empezaremos por identificar los elementos donde coinciden los índices de fila y columna para delimitar la diagonal principal. A continuación localizaremos los elementos cuya suma de índices sea igual a orden más uno para la diagonal secundaria. Para terminar sumaremos todos los términos de la diagonal principal para determinar la traza.

Paso 1: Identificación de la diagonal principal y secundaria

Para la diagonal principal ($$ i = j $$):

$$\text{Diag Principal: } \{b_{11} = 3, \; b_{22} = 4, \; b_{33} = 1\}$$

Para la diagonal secundaria ($$ i + j = 3 + 1 = 4 $$):

$$\text{Diag Secundaria: } \{b_{13} = 6, \; b_{22} = 4, \; b_{31} = 9\}$$
Paso 2: Cálculo aritmético de la traza

Aplicamos la definición de traza sumando los coeficientes de la diagonal principal:

$$\text{tr}(B) = b_{11} + b_{22} + b_{33} = 3 + 4 + 1 = 8$$

Conclusión: La diagonal principal está formada por los valores $$ \{3, 4, 1\} $$, la diagonal secundaria por $$ \{6, 4, 9\} $$ y la traza de la matriz es $$ \text{tr}(B) = 8 $$.

Ejemplos Prácticos con Diferentes Órdenes

Para asimilar plenamente el concepto, analizamos tres casos reales con matrices de órdenes completamente distintos:

Ejemplo 1 · Matriz Rectangular de Orden 2 × 3
Identificación de filas, columnas y lectura de elementos específicos

Enunciado: Consideramos la matriz real dada por $$ A = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 5 \\ 2 & 6 & 4 \end{pmatrix} $$. Determinar su dimensión y extraer ordenadamente los elementos $$ a_{13} $$, $$ a_{22} $$ y $$ a_{21} $$.

Explicación: Para resolver este ejercicio empezaremos por contar las filas y columnas para deducir el orden formal de la matriz. A continuación aplicaremos el sistema posicional de subíndices para ubicar las entradas solicitadas. Para terminar enunciaremos los valores numéricos correspondientes.

Paso 1: Determinación de la dimensión

Contamos cuántas líneas horizontales y verticales componen la matriz:

  • Filas: $$ F_1 = (1, 3, 5) $$, $$ F_2 = (2, 6, 4) $$ → 2 filas.
  • Columnas: $$ C_1 = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix} $$, $$ C_2 = \begin{pmatrix} 3 \\ 6 \end{pmatrix} $$, $$ C_3 = \begin{pmatrix} 5 \\ 4 \end{pmatrix} $$ → 3 columnas.

Por tanto, su orden es $$ 2 \times 3 $$ y pertenece al espacio vectorial $$ \mathcal{M}_{2 \times 3}(\mathbb{R}) $$.

Paso 2: Extracción posicional de elementos

Identificamos la intersección de cada fila y columna indicada:

  • Elemento de la 1ª fila y 3ª columna: $$ a_{13} = 5 $$.
  • Elemento de la 2ª fila y 2ª columna: $$ a_{22} = 6 $$.
  • Elemento de la 2ª fila y 1ª columna: $$ a_{21} = 2 $$.

Conclusión: La matriz posee orden $$ 2 \times 3 $$ y los elementos seleccionados son $$ a_{13} = 5 $$, $$ a_{22} = 6 $$ y $$ a_{21} = 2 $$.

Ejemplo 2 · Matriz Cuadrada de Orden 3 × 3
Diagonal principal, diagonal secundaria y cálculo de la traza

Enunciado: Consideramos la matriz cuadrada $$ B = \begin{pmatrix} 3 & 5 & 6 \\ 7 & 4 & 2 \\ 9 & 8 & 1 \end{pmatrix} $$. Comprobar su orden cuadrado, listar sus diagonales y hallar su traza.

Explicación: Para resolver este ejercicio empezaremos por certificar que el número de filas coincide con el de columnas para confirmar su naturaleza cuadrada. A continuación extraeremos ordenadamente los elementos de la diagonal principal y secundaria. Para terminar sumaremos los elementos de la diagonal principal para calcular la traza.

Paso 1: Verificación de orden cuadrado

Dado que la matriz consta de 3 filas y 3 columnas ($$ m = n = 3 $$), es una matriz cuadrada perteneciente a $$ \mathcal{M}_3(\mathbb{R}) $$.

Paso 2: Identificación de diagonales y traza

La diagonal principal está formada por los elementos con subíndices iguales ($$ i = j $$):

$$\text{Diag Principal: } \{b_{11}=3, \; b_{22}=4, \; b_{33}=1\}$$

La diagonal secundaria está formada por los elementos donde $$ i + j = 4 $$:

$$\text{Diag Secundaria: } \{b_{13}=6, \; b_{22}=4, \; b_{31}=9\}$$

Calculamos su traza sumando los coeficientes diagonales:

$$\text{tr}(B) = b_{11} + b_{22} + b_{33} = 3 + 4 + 1 = 8$$

Conclusión: La matriz es cuadrada de orden 3 con traza igual a $$ \text{tr}(B) = 8 $$, coincidiendo la intersección de ambas diagonales en el elemento central $$ b_{22} = 4 $$.

Ejemplo 3 · Matriz Rectangular Vertical de Orden 4 × 2
Construcción analítica paso a paso a partir de una fórmula algebraica

Enunciado: Construir rigurosamente la matriz $$ C \in \mathcal{M}_{4 \times 2}(\mathbb{R}) $$ sabiendo que sus entradas se calculan mediante la fórmula algebraica: $$ c_{ij} = 2i - j $$.

Explicación: Para resolver este ejercicio empezaremos por definir el número total de filas y columnas que fija el orden $$ 4 \times 2 $$. A continuación evaluaremos la expresión aritmética $$ 2i - j $$ para cada par de coordenadas $$ (i, j) $$. Para terminar organizaremos los 8 resultados numéricos en una matriz de 4 filas y 2 columnas.

Paso 1: Dimensiones de partida y recorrido de índices

El orden $$ 4 \times 2 $$ indica que la matriz tendrá 4 filas ($$ i \in \{1, 2, 3, 4\} $$) y 2 columnas ($$ j \in \{1, 2\} $$), totalizando $$ 4 \times 2 = 8 $$ elementos.

Paso 2: Evaluación exhaustiva de cada posición

Calculamos cada término aplicando estrictamente la fórmula sin omitir pasos:

  • Fila 1 ($$ i = 1 $$):
    $$ c_{11} = 2(1) - 1 = 2 - 1 = 1 $$
    $$ c_{12} = 2(1) - 2 = 2 - 2 = 0 $$
  • Fila 2 ($$ i = 2 $$):
    $$ c_{21} = 2(2) - 1 = 4 - 1 = 3 $$
    $$ c_{22} = 2(2) - 2 = 4 - 2 = 2 $$
  • Fila 3 ($$ i = 3 $$):
    $$ c_{31} = 2(3) - 1 = 6 - 1 = 5 $$
    $$ c_{32} = 2(3) - 2 = 6 - 2 = 4 $$
  • Fila 4 ($$ i = 4 $$):
    $$ c_{41} = 2(4) - 1 = 8 - 1 = 7 $$
    $$ c_{42} = 2(4) - 2 = 8 - 2 = 6 $$
Paso 3: Ensamblado de la matriz final

Organizando los 8 valores en sus respectivas filas y columnas obtenemos la matriz rectangular vertical:

$$C = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 3 & 2 \\ 5 & 4 \\ 7 & 6 \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_{4 \times 2}(\mathbb{R})$$

Conclusión: La matriz construida a partir de la ley posicional $$ c_{ij} = 2i - j $$ es $$ C = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 3 & 2 \\ 5 & 4 \\ 7 & 6 \end{pmatrix} $$.

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