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Álgebra 2024 Canarias

Rango de una matriz con parámetro y ecuación matricial

2B. Dada la siguiente matriz: $$M_k=\begin{pmatrix} k & 0 & k\\ 0 & k & 0\\ 2k-3 & 0 & k \end{pmatrix},\quad k\in\mathbb{R}$$ a) Estudiar el rango de la matriz $M_k$, dependiendo de los valores del parámetro $k$. 1.25 ptos b) Tomamos $M_1$ como la matriz anterior para el valor $k=1$, y $B=\begin{pmatrix}-4 & 2 & 0\\ 0 & 0 & 4\end{pmatrix}$, hallar la matriz $X$ que satisface la ecuación: $X\cdot M_1 + X\cdot M_1^T = B$ 1.25 ptos
Paso 1
Calcular el determinante para detectar cuándo el rango es 3
**a) [1.25 ptos] Estudiar el rango de la matriz $M_k$, dependiendo de los valores del parámetro $k$.** Para una matriz $3\times 3$, si $\det(M_k)\neq 0$ entonces $\operatorname{rg}(M_k)=3$. Calculamos el determinante. Observa que la **segunda columna** tiene dos ceros, así que conviene desarrollar por esa columna: $$\det(M_k)=k\,\det\begin{pmatrix} k & k\\ 2k-3 & k \end{pmatrix}.$$ Ahora el determinante $2\times 2$: $$\det\begin{pmatrix} k & k\\ 2k-3 & k \end{pmatrix}=k\cdot k-k(2k-3)=k^2-(2k^2-3k)=-k^2+3k=k(3-k).$$ Por tanto, $$\det(M_k)=k\cdot k(3-k)=k^2(3-k).$$ 💡 **Tip:** En determinantes, si una fila o columna tiene muchos ceros, desarrollar por ahí ahorra mucho trabajo.
Paso 2
Caso general: valores de k con rango 3
De $$\det(M_k)=k^2(3-k),$$ se tiene $$\det(M_k)\neq 0\iff k\neq 0\ \text{y}\ k\neq 3.$$ Luego, si $k\in\mathbb{R}\setminus\{0,3\}$, $$\boxed{\operatorname{rg}(M_k)=3}.$$ Ahora estudiamos los casos especiales $k=0$ y $k=3$ (cuando el determinante vale 0).
Paso 3
Casos especiales k = 0 y k = 3
**Caso 1: $k=0$.** $$M_0=\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0\\ -3 & 0 & 0 \end{pmatrix}.$$ Solo hay **una fila no nula**, así que el espacio fila está generado por $(-3,0,0)$. $$\boxed{\operatorname{rg}(M_0)=1}.$$ **Caso 2: $k=3$.** $$M_3=\begin{pmatrix} 3 & 0 & 3\\ 0 & 3 & 0\\ 3 & 0 & 3 \end{pmatrix}.$$ Aquí se ve que $F_1=F_3$, así que el rango **no puede ser 3**. Comprobamos que sí es 2 buscando un menor $2\times 2$ no nulo (por ejemplo, filas 1 y 2; columnas 1 y 2): $$\det\begin{pmatrix} 3 & 0\\ 0 & 3 \end{pmatrix}=9\neq 0.$$ Luego hay al menos dos filas independientes, y como no puede ser 3: $$\boxed{\operatorname{rg}(M_3)=2}.$$ ✅ **Conclusión del apartado a):** - Si $k\neq 0$ y $k\neq 3$, $\boxed{\operatorname{rg}(M_k)=3}$. - Si $k=3$, $\boxed{\operatorname{rg}(M_k)=2}$. - Si $k=0$, $\boxed{\operatorname{rg}(M_k)=1}$.
Paso 4
Sustituir k=1 y reescribir la ecuación matricial
**b) [1.25 ptos] Tomamos $M_1$ como la matriz anterior para el valor $k=1$, y $B=\begin{pmatrix}-4 & 2 & 0\\ 0 & 0 & 4\end{pmatrix}$, hallar la matriz $X$ que satisface: $X\cdot M_1 + X\cdot M_1^T = B$.** Primero calculamos $M_1$: $$M_1=\begin{pmatrix} 1 & 0 & 1\\ 0 & 1 & 0\\ -1 & 0 & 1 \end{pmatrix}.$$ Y su traspuesta: $$M_1^T=\begin{pmatrix} 1 & 0 & -1\\ 0 & 1 & 0\\ 1 & 0 & 1 \end{pmatrix}.$$ Usamos la propiedad distributiva (factor común $X$): $$X\cdot M_1+X\cdot M_1^T=X\,(M_1+M_1^T).$$ 💡 **Tip:** Siempre que veas $XA+XB$, piensa en factorizar: $XA+XB=X(A+B)$.
Paso 5
Calcular M1 + M1^T y despejar X
Sumamos: $$M_1+M_1^T= \begin{pmatrix} 1 & 0 & 1\\ 0 & 1 & 0\\ -1 & 0 & 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 1 & 0 & -1\\ 0 & 1 & 0\\ 1 & 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 & 0 & 0\\ 0 & 2 & 0\\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}=2I_3.$$ Entonces la ecuación queda: $$X(M_1+M_1^T)=X(2I_3)=2X=B.$$ Así, $$X=\frac{1}{2}B=\frac{1}{2}\begin{pmatrix}-4 & 2 & 0\\ 0 & 0 & 4\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}-2 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 2\end{pmatrix}.$$ ✅ **Resultado (apartado b):** $$\boxed{X=\begin{pmatrix}-2 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 2\end{pmatrix}}.$$ 💡 **Tip:** Si consigues que aparezca $I$ (la identidad), despejar matrices suele ser tan fácil como despejar números.
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