Matemáticas IIMedioProblema · 2,5 pts

Determinantes

También trata: Integrales
Castilla-La Mancha · 2023 · Junio
Enunciado
a) (1 punto) Calcula la siguiente integral:∫dx(1−3x)1/2−(1−3x)2/3\int \frac{dx}{(1 - 3x)^{1/2} - (1 - 3x)^{2/3}}Puedes utilizar el cambio de variable 1−3x=t61 - 3x = t^6.

b) (1,5 puntos) Sean las matrices A=(101010200)A = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 2 & 0 & 0 \end{pmatrix} y B=(100000211)B = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 2 & 1 & 1 \end{pmatrix}. Sin calcular A−1A^{-1}, razona por qué A−1A^{-1} existe y discute si la matriz A−1⋅BA^{-1} \cdot B tiene inversa.
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Resultado
a) (1−3x)1/3+2(1−3x)1/6+2ln⁡∣(1−3x)1/6−1∣+C\boxed{\text{a)}\ (1 - 3x)^{1/3} + 2(1 - 3x)^{1/6} + 2\ln\left|(1 - 3x)^{1/6} - 1\right| + C}b) ∣A∣=−2≠0⇒∃ A−1;∣A−1B∣=∣B∣∣A∣=0⇒no tiene inversa\boxed{\text{b)}\ |A| = -2 \neq 0 \Rightarrow \exists\,A^{-1};\quad |A^{-1}B| = \tfrac{|B|}{|A|} = 0 \Rightarrow \text{no tiene inversa}}
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Estrategia

a) Los exponentes 12\frac{1}{2} y 23\frac{2}{3} tienen denominadores 22 y 33; con 1−3x=t61 - 3x = t^6 (el 66 es su mínimo común múltiplo) las dos raíces se vuelven potencias enteras de tt: t3t^3 y t4t^4. Queda una integral racional en tt, que se resuelve dividiendo polinomios; al final se deshace el cambio.

b) Una matriz cuadrada tiene inversa si y solo si su determinante no es cero. Para AA basta calcular ∣A∣|A|. Para A−1BA^{-1}B no hace falta calcular el producto: usamos que el determinante de un producto es el producto de los determinantes y que ∣A−1∣=1∣A∣|A^{-1}| = \frac{1}{|A|}.
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Desarrollo

a) Cambio de variable: 1−3x=t61 - 3x = t^6 (con t>0t > 0). Derivando, −3 dx=6t5 dt-3\,dx = 6t^5\,dt, es decir, dx=−2t5 dtdx = -2t^5\,dt. Además(1−3x)1/2=(t6)1/2=t3,(1−3x)2/3=(t6)2/3=t4.(1 - 3x)^{1/2} = (t^6)^{1/2} = t^3, \qquad (1 - 3x)^{2/3} = (t^6)^{2/3} = t^4.Sustituyendo:∫dx(1−3x)1/2−(1−3x)2/3=∫−2t5t3−t4 dt=∫−2t5t3(1−t) dt=∫−2t21−t dt=∫2t2t−1 dt.\int \frac{dx}{(1 - 3x)^{1/2} - (1 - 3x)^{2/3}} = \int \frac{-2t^5}{t^3 - t^4}\,dt = \int \frac{-2t^5}{t^3(1 - t)}\,dt = \int \frac{-2t^2}{1 - t}\,dt = \int \frac{2t^2}{t - 1}\,dt.El grado del numerador no es menor que el del denominador, así que dividimos: 2t2=(t−1)(2t+2)+22t^2 = (t - 1)(2t + 2) + 2, luego2t2t−1=2t+2+2t−1.\frac{2t^2}{t - 1} = 2t + 2 + \frac{2}{t - 1}.Integrando término a término:∫(2t+2+2t−1)dt=t2+2t+2ln⁡∣t−1∣+C.\int \left(2t + 2 + \frac{2}{t - 1}\right)dt = t^2 + 2t + 2\ln|t - 1| + C.Deshacemos el cambio, t=(1−3x)1/6t = (1 - 3x)^{1/6}:∫dx(1−3x)1/2−(1−3x)2/3=(1−3x)1/3+2 (1−3x)1/6+2ln⁡∣(1−3x)1/6−1∣+C\int \frac{dx}{(1 - 3x)^{1/2} - (1 - 3x)^{2/3}} = (1 - 3x)^{1/3} + 2\,(1 - 3x)^{1/6} + 2\ln\left|(1 - 3x)^{1/6} - 1\right| + C(válida para x<13x < \frac{1}{3}, x≠0x \neq 0, donde el integrando está definido).

Comprobación: derivando t2+2t+2ln⁡∣t−1∣t^2 + 2t + 2\ln|t - 1| respecto de tt se obtiene 2t+2+2t−1=2t2t−12t + 2 + \frac{2}{t - 1} = \frac{2t^2}{t - 1}, y multiplicando por dtdx=−12t5\frac{dt}{dx} = -\frac{1}{2t^5} se recupera −1t3(t−1)=1t3−t4\frac{-1}{t^3(t - 1)} = \frac{1}{t^3 - t^4}, el integrando.

b) Calculamos ∣A∣|A| desarrollando por la segunda fila (solo tiene un elemento no nulo):∣A∣=∣101010200∣=1⋅(−1)2+2∣1120∣=1⋅(0−2)=−2≠0.|A| = \begin{vmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 2 & 0 & 0 \end{vmatrix} = 1\cdot(-1)^{2+2}\begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 2 & 0 \end{vmatrix} = 1\cdot(0 - 2) = -2 \neq 0.Como ∣A∣≠0|A| \neq 0, AA es regular y A−1A^{-1} existe, con ∣A−1∣=1∣A∣=−12|A^{-1}| = \dfrac{1}{|A|} = -\dfrac{1}{2}.

Para A−1BA^{-1}B: la matriz BB tiene la segunda fila formada solo por ceros, así que ∣B∣=0|B| = 0. Por la propiedad del determinante de un producto,∣A−1⋅B∣=∣A−1∣⋅∣B∣=−12⋅0=0.|A^{-1}\cdot B| = |A^{-1}|\cdot|B| = -\frac{1}{2}\cdot 0 = 0.Una matriz con determinante nulo no tiene inversa: A−1⋅BA^{-1}\cdot B no es invertible.

(Otra forma de verlo: si A−1BA^{-1}B tuviera inversa CC, entonces B=A (A−1B)B = A\,(A^{-1}B) sería producto de dos matrices regulares y sería regular, lo que es falso porque ∣B∣=0|B| = 0.)
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Consejo

En el cambio de variable no olvides transformar también el dxdx: aquí dx=−2t5 dtdx = -2t^5\,dt. Y cuando el grado del numerador no es menor que el del denominador, divide antes de integrar.

En b) el enunciado prohíbe calcular A−1A^{-1}: la puntuación está en usar ∣A−1B∣=∣A−1∣ ∣B∣|A^{-1}B| = |A^{-1}|\,|B| y ∣A−1∣=1/∣A∣|A^{-1}| = 1/|A|. Una fila de ceros da ∣B∣=0|B| = 0 sin hacer ninguna cuenta.
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