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Questão 2 (Matemática) da 2ª fase do ITA 2021

Matemática · Matemática: Matrizes e determinantes

Texto-base das questões 01 a 10 · Matemática

Notações

\mathbb{N} = \{1, 2, 3, \cdots\} : o conjunto dos números naturais.
\mathbb{R} : o conjunto dos números reais.
\mathbb{C} : o conjunto dos números complexos.
i : unidade imaginária, i^2 = -1.

Observação: Os sistemas de coordenadas considerados são os cartesianos retangulares.

Determine todos os valores do número real a para os quais a matriz

\begin{pmatrix} 1 & a^3 & -a & 3 & 2 \\ 2 & a^2 & 1 & a^3 & a \\ 0 & 0 & 0 & a & -a^2 \\ -a & 0 & 0 & 0 & 3 \\ a^2 & 0 & 0 & -3 & 0 \end{pmatrix}

é não singular.

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Resolução comentada

a) Observe que as colunas 2 e 3 só têm elementos não nulos nas linhas 1 e 2. Isso sugere o teorema de Laplace aplicado a essas duas colunas: só sobrevive o menor formado pelas linhas 1 e 2.

O sinal do termo é (-1)^{(1+2)+(2+3)}=(-1)^8=+1. Assim,

\det A=\begin{vmatrix} a^3 & -a\\ a^2 & 1\end{vmatrix}\cdot\begin{vmatrix} 0 & a & -a^2\\ -a & 0 & 3\\ a^2 & -3 & 0\end{vmatrix}.

O primeiro fator vale a^3+a^3=2a^3.

O segundo fator é o determinante das linhas 3, 4 e 5 nas colunas 1, 4 e 5. Pela regra de Sarrus ou por cofatores na primeira linha:

-a\,(0\cdot(-a)\ldots)\;\Rightarrow\; -a\big[(-a)\cdot 0-3a^2\big]+(-a^2)\big[(-a)(-3)-0\big]=3a^3-3a^3=0.

Outra forma de ver: essa matriz 3\times3 é antissimétrica (B^T=-B) e de ordem ímpar. Então \det B=\det B^T=\det(-B)=-\det B, ou seja, \det B=0.

Logo \det A=2a^3\cdot 0=0 para todo a real. A matriz é singular sempre, e não existe nenhum valor real de a que a torne não singular (conjunto vazio).

Assuntos: Matrizes e determinantes, Polinômios.

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Fonte: ITA 2ª fase 2021 · Matemática. Prova oficial ↗