aplicaÇÕes de matrizes no ensino mÉdiodspace.bc.uepb.edu.br/jspui/bitstream/123456789/9493/1/pdf...
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DA PARAIacuteBA
CENTRO DE CIEcircNCIAS E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE MATEMAacuteTICA
CURSO DE LICENCIATURA EM MATEMAacuteTICA
JOSEacute VALBER SILVINO DA SILVA
APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES NO ENSINO
MEacuteDIO
CAMPINA GRANDE ndash PB
2014
JOSEacute VALBER SILVINO DA SILVA
APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES NO ENSINO
MEacuteDIO
Trabalho de Conclusatildeo de Curso apresentado
ao curso de Licenciatura em Matemaacutetica da
Universidade Estadual da Paraiacuteba em
cumprimento agraves exigecircncias para obtenccedilatildeo do
grau de licenciado
Orientadora Profordf Ms Kaacutetia Suzana Medeiros Graciano
CAMPINA GRANDE ndash PB
2014
DEDICATOacuteRIA
Agrave minha avoacute Dalvanira (in memoriam)
que me criou com muito amor e carinho e me
preparou para a vida Agrave ela sempre irei dedicar
todas as minhas conquistas
AGRADECIMENTOS
A Deus que sempre esteve ao meu lado me dando sabedoria acircnimo proteccedilatildeo e forccedila
para enfrentar todas as batalhas com as quais me deparei ao longo desta caminhada por ter
permitido a realizaccedilatildeo do meu sonho de ser professor de matemaacutetica e principalmente pelo
dom da vida
Aos meus avoacutes Manoel e Dalvanira (in memoriam) que me criaram me educaram e
me incentivaram a estudar para alcanccedilar os meus objetivos
Aos meus pais Rosilda e Genaacuterio que mesmo distantes sempre torceram pela minha
realizaccedilatildeo pessoal
Aos meus tios Rinaldo Joseacute Rosana Roberval Roseane Rosivan Reginaldo
Rosenilda Rosivaldo e Ronaldo pelo apoio e incentivo
Aos meus professores de matemaacutetica do ensino baacutesico Jalon e Jurandir que
despertaram em mim o gosto pela matemaacutetica e me motivaram a fazer esse curso
Aos meus colegas Luciene Rodrigo Josecircnelle Claudenor Juscelino Michelly Ataiz
Jane Fabiana Fabriacutecio e Daniela pela a amizade construiacuteda o apoio me dado e os bons
momentos vividos durante esses quatro anos e meio de curso
Ao motorista Carlinhos pela responsabilidade paciecircncia e compreensatildeo
Aos amigos e colegas da minha cidade com os quais viajei durante esse periacuteodo pra
Campina Grande pelo companheirismo e uniatildeo principalmente nos momentos em que
tivemos dificuldades pra conseguir transporte
Agrave minha orientadora professora Kaacutetia Suzana pela competecircncia disponibilidade e
valiosa contribuiccedilatildeo para a realizaccedilatildeo desse trabalho
Aos professores da banca examinadora Fernando Luiz e Joselma pela disponibilidade
e indispensaacuteveis sugestotildees dadas para o aprimoramento desse trabalho
Enfim a todos que contribuiacuteram de forma direta ou indireta para a minha formaccedilatildeo
profissional
ldquoNatildeo haacute ramo da Matemaacutetica por mais abstrato que seja
que natildeo possa um dia vir a ser aplicado aos fenocircmenos do
mundo realrdquo
Nicolai Lobachevsky
R E S U M O
O estudo de matrizes no ensino meacutedio geralmente eacute enfocado na teacutecnica de operaccedilotildees e pouco
se recorre agrave situaccedilatildeo-problema e contextualizaccedilatildeo Essa abordagem natildeo permite ao aluno
perceber a aplicabilidade deste conteuacutedo o que pode ser um fator desfavoraacutevel em sua
aprendizagem Aleacutem disso haacute escassez de materiais didaacuteticos que deem subsiacutedio ao professor
nesse sentido O presente trabalho tem como objetivo mostrar algumas aplicaccedilotildees de matrizes
que se datildeo no controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais criptografia e
computaccedilatildeo graacutefica Seraacute apresentada ainda uma siacutentese da histoacuteria das matrizes e uma visatildeo
geral de sua teoria atraveacutes da definiccedilatildeo de matriz representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees e
propriedades Espera-se dessa forma auxiliar o professor a despertar maior interesse em seus
alunos pelo conteuacutedo e uma melhor aprendizagem assim como promover discussotildees e
reflexotildees sobre o estudo de matrizes no ensino meacutedio
PALAVRAS-CHAVE Matrizes Operaccedilotildees Aplicaccedilotildees Ensino meacutedio
A B S T R A C T
The study about Matrices in High School is usually focused on the approach of operations and
it is hardly ever regarded as a problem situation and contextualization This approach does not
allow the student to notice this content applicability which may be a negative factor in their
learning Thus there is a shortage of teaching materials that support teacher on this way This
paperrsquos objective is to show some Matrices applications that occur within traffic control
system endocrinology population models encryption and computer Graphics It is also
presented a Matrices History summary and an overview of its theory through Matrix
definition representation types operations and properties It is expected to aid teachers to
awaken studentsrsquo greater interest to the content and to reach better learning results as well as
to promote discussions and reflection on the Matrices study at High School
KEYWORDS Matrices Operations Applications High School
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 ndash Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros 39
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 ndash Nota dos alunos hellip 19
TABELA 2 ndash Origem eacutetnica Ensino fundamental hellip 23
TABELA 3 ndash Origem eacutetnica Ensino meacutedio hellip 23
TABELA 4 ndash Origem eacutetnica dos alunos da escola hellip 24
TABELA 5 ndash Grupo A (1ordf fase) hellip 27
TABELA 6 ndash Resultados e pontos correspondentes hellip 27
TABELA 7 ndash
TABELA 8 ndash
Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica hellip
Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
37
37
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ndash Arthur Cayley helliphellip 17
FIGURA 2 ndash Cruzamento de ruas 35
FIGURA 3 ndash Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30ordm no sentido anti-horaacuterio em
torno da origem
42
FIGURA 4 ndash Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50 43
FIGURA 5 ndash Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e
2 unidades para cima
44
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 13
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES 15
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz 15
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo 15
23 A origem da teoria das matrizes 16
24 Biografia de Arthur Cayley 17
3 MATRIZES 19
31 Definiccedilatildeo 19
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica 19
33 Tipos de matrizes 20
331 Matriz quadrada 20
332 Matriz nula 21
333 Matriz linha 21
334 Matriz coluna 21
335 Matriz diagonal 21
336 Matriz identidade 21
337 Matriz triangular superior 22
338 Matriz triangular inferior 22
34 Igualdade entre matrizes 22
35 Operaccedilotildees com matrizes 23
351 Adiccedilatildeo 23
3511 Definiccedilatildeo 23
3512 Propriedades 24
3513 Matriz oposta 25
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes 25
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar 25
3521 Definiccedilatildeo 25
3522 Propriedades 26
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes 27
3531 Definiccedilatildeo 27
3532 Propriedades 29
36 Matriz transposta 31
361 Definiccedilatildeo 31
362 Propriedades 31
363 Matriz simeacutetrica 32
364 Matriz anti-simeacutetrica 32
37 Inversa de uma matriz 32
371 Definiccedilatildeo 32
372 Teorema 33
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES 35
41 Matrizes e o Controle de traacutefego 35
42 Matrizes e Endocrinologia 37
43 Matrizes e Modelos populacionais 38
44 Matrizes e Criptografia 39
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica 42
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS47
REFEREcircNCIAS 48
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
JOSEacute VALBER SILVINO DA SILVA
APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES NO ENSINO
MEacuteDIO
Trabalho de Conclusatildeo de Curso apresentado
ao curso de Licenciatura em Matemaacutetica da
Universidade Estadual da Paraiacuteba em
cumprimento agraves exigecircncias para obtenccedilatildeo do
grau de licenciado
Orientadora Profordf Ms Kaacutetia Suzana Medeiros Graciano
CAMPINA GRANDE ndash PB
2014
DEDICATOacuteRIA
Agrave minha avoacute Dalvanira (in memoriam)
que me criou com muito amor e carinho e me
preparou para a vida Agrave ela sempre irei dedicar
todas as minhas conquistas
AGRADECIMENTOS
A Deus que sempre esteve ao meu lado me dando sabedoria acircnimo proteccedilatildeo e forccedila
para enfrentar todas as batalhas com as quais me deparei ao longo desta caminhada por ter
permitido a realizaccedilatildeo do meu sonho de ser professor de matemaacutetica e principalmente pelo
dom da vida
Aos meus avoacutes Manoel e Dalvanira (in memoriam) que me criaram me educaram e
me incentivaram a estudar para alcanccedilar os meus objetivos
Aos meus pais Rosilda e Genaacuterio que mesmo distantes sempre torceram pela minha
realizaccedilatildeo pessoal
Aos meus tios Rinaldo Joseacute Rosana Roberval Roseane Rosivan Reginaldo
Rosenilda Rosivaldo e Ronaldo pelo apoio e incentivo
Aos meus professores de matemaacutetica do ensino baacutesico Jalon e Jurandir que
despertaram em mim o gosto pela matemaacutetica e me motivaram a fazer esse curso
Aos meus colegas Luciene Rodrigo Josecircnelle Claudenor Juscelino Michelly Ataiz
Jane Fabiana Fabriacutecio e Daniela pela a amizade construiacuteda o apoio me dado e os bons
momentos vividos durante esses quatro anos e meio de curso
Ao motorista Carlinhos pela responsabilidade paciecircncia e compreensatildeo
Aos amigos e colegas da minha cidade com os quais viajei durante esse periacuteodo pra
Campina Grande pelo companheirismo e uniatildeo principalmente nos momentos em que
tivemos dificuldades pra conseguir transporte
Agrave minha orientadora professora Kaacutetia Suzana pela competecircncia disponibilidade e
valiosa contribuiccedilatildeo para a realizaccedilatildeo desse trabalho
Aos professores da banca examinadora Fernando Luiz e Joselma pela disponibilidade
e indispensaacuteveis sugestotildees dadas para o aprimoramento desse trabalho
Enfim a todos que contribuiacuteram de forma direta ou indireta para a minha formaccedilatildeo
profissional
ldquoNatildeo haacute ramo da Matemaacutetica por mais abstrato que seja
que natildeo possa um dia vir a ser aplicado aos fenocircmenos do
mundo realrdquo
Nicolai Lobachevsky
R E S U M O
O estudo de matrizes no ensino meacutedio geralmente eacute enfocado na teacutecnica de operaccedilotildees e pouco
se recorre agrave situaccedilatildeo-problema e contextualizaccedilatildeo Essa abordagem natildeo permite ao aluno
perceber a aplicabilidade deste conteuacutedo o que pode ser um fator desfavoraacutevel em sua
aprendizagem Aleacutem disso haacute escassez de materiais didaacuteticos que deem subsiacutedio ao professor
nesse sentido O presente trabalho tem como objetivo mostrar algumas aplicaccedilotildees de matrizes
que se datildeo no controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais criptografia e
computaccedilatildeo graacutefica Seraacute apresentada ainda uma siacutentese da histoacuteria das matrizes e uma visatildeo
geral de sua teoria atraveacutes da definiccedilatildeo de matriz representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees e
propriedades Espera-se dessa forma auxiliar o professor a despertar maior interesse em seus
alunos pelo conteuacutedo e uma melhor aprendizagem assim como promover discussotildees e
reflexotildees sobre o estudo de matrizes no ensino meacutedio
PALAVRAS-CHAVE Matrizes Operaccedilotildees Aplicaccedilotildees Ensino meacutedio
A B S T R A C T
The study about Matrices in High School is usually focused on the approach of operations and
it is hardly ever regarded as a problem situation and contextualization This approach does not
allow the student to notice this content applicability which may be a negative factor in their
learning Thus there is a shortage of teaching materials that support teacher on this way This
paperrsquos objective is to show some Matrices applications that occur within traffic control
system endocrinology population models encryption and computer Graphics It is also
presented a Matrices History summary and an overview of its theory through Matrix
definition representation types operations and properties It is expected to aid teachers to
awaken studentsrsquo greater interest to the content and to reach better learning results as well as
to promote discussions and reflection on the Matrices study at High School
KEYWORDS Matrices Operations Applications High School
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 ndash Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros 39
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 ndash Nota dos alunos hellip 19
TABELA 2 ndash Origem eacutetnica Ensino fundamental hellip 23
TABELA 3 ndash Origem eacutetnica Ensino meacutedio hellip 23
TABELA 4 ndash Origem eacutetnica dos alunos da escola hellip 24
TABELA 5 ndash Grupo A (1ordf fase) hellip 27
TABELA 6 ndash Resultados e pontos correspondentes hellip 27
TABELA 7 ndash
TABELA 8 ndash
Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica hellip
Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
37
37
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ndash Arthur Cayley helliphellip 17
FIGURA 2 ndash Cruzamento de ruas 35
FIGURA 3 ndash Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30ordm no sentido anti-horaacuterio em
torno da origem
42
FIGURA 4 ndash Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50 43
FIGURA 5 ndash Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e
2 unidades para cima
44
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 13
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES 15
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz 15
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo 15
23 A origem da teoria das matrizes 16
24 Biografia de Arthur Cayley 17
3 MATRIZES 19
31 Definiccedilatildeo 19
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica 19
33 Tipos de matrizes 20
331 Matriz quadrada 20
332 Matriz nula 21
333 Matriz linha 21
334 Matriz coluna 21
335 Matriz diagonal 21
336 Matriz identidade 21
337 Matriz triangular superior 22
338 Matriz triangular inferior 22
34 Igualdade entre matrizes 22
35 Operaccedilotildees com matrizes 23
351 Adiccedilatildeo 23
3511 Definiccedilatildeo 23
3512 Propriedades 24
3513 Matriz oposta 25
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes 25
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar 25
3521 Definiccedilatildeo 25
3522 Propriedades 26
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes 27
3531 Definiccedilatildeo 27
3532 Propriedades 29
36 Matriz transposta 31
361 Definiccedilatildeo 31
362 Propriedades 31
363 Matriz simeacutetrica 32
364 Matriz anti-simeacutetrica 32
37 Inversa de uma matriz 32
371 Definiccedilatildeo 32
372 Teorema 33
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES 35
41 Matrizes e o Controle de traacutefego 35
42 Matrizes e Endocrinologia 37
43 Matrizes e Modelos populacionais 38
44 Matrizes e Criptografia 39
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica 42
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS47
REFEREcircNCIAS 48
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
DEDICATOacuteRIA
Agrave minha avoacute Dalvanira (in memoriam)
que me criou com muito amor e carinho e me
preparou para a vida Agrave ela sempre irei dedicar
todas as minhas conquistas
AGRADECIMENTOS
A Deus que sempre esteve ao meu lado me dando sabedoria acircnimo proteccedilatildeo e forccedila
para enfrentar todas as batalhas com as quais me deparei ao longo desta caminhada por ter
permitido a realizaccedilatildeo do meu sonho de ser professor de matemaacutetica e principalmente pelo
dom da vida
Aos meus avoacutes Manoel e Dalvanira (in memoriam) que me criaram me educaram e
me incentivaram a estudar para alcanccedilar os meus objetivos
Aos meus pais Rosilda e Genaacuterio que mesmo distantes sempre torceram pela minha
realizaccedilatildeo pessoal
Aos meus tios Rinaldo Joseacute Rosana Roberval Roseane Rosivan Reginaldo
Rosenilda Rosivaldo e Ronaldo pelo apoio e incentivo
Aos meus professores de matemaacutetica do ensino baacutesico Jalon e Jurandir que
despertaram em mim o gosto pela matemaacutetica e me motivaram a fazer esse curso
Aos meus colegas Luciene Rodrigo Josecircnelle Claudenor Juscelino Michelly Ataiz
Jane Fabiana Fabriacutecio e Daniela pela a amizade construiacuteda o apoio me dado e os bons
momentos vividos durante esses quatro anos e meio de curso
Ao motorista Carlinhos pela responsabilidade paciecircncia e compreensatildeo
Aos amigos e colegas da minha cidade com os quais viajei durante esse periacuteodo pra
Campina Grande pelo companheirismo e uniatildeo principalmente nos momentos em que
tivemos dificuldades pra conseguir transporte
Agrave minha orientadora professora Kaacutetia Suzana pela competecircncia disponibilidade e
valiosa contribuiccedilatildeo para a realizaccedilatildeo desse trabalho
Aos professores da banca examinadora Fernando Luiz e Joselma pela disponibilidade
e indispensaacuteveis sugestotildees dadas para o aprimoramento desse trabalho
Enfim a todos que contribuiacuteram de forma direta ou indireta para a minha formaccedilatildeo
profissional
ldquoNatildeo haacute ramo da Matemaacutetica por mais abstrato que seja
que natildeo possa um dia vir a ser aplicado aos fenocircmenos do
mundo realrdquo
Nicolai Lobachevsky
R E S U M O
O estudo de matrizes no ensino meacutedio geralmente eacute enfocado na teacutecnica de operaccedilotildees e pouco
se recorre agrave situaccedilatildeo-problema e contextualizaccedilatildeo Essa abordagem natildeo permite ao aluno
perceber a aplicabilidade deste conteuacutedo o que pode ser um fator desfavoraacutevel em sua
aprendizagem Aleacutem disso haacute escassez de materiais didaacuteticos que deem subsiacutedio ao professor
nesse sentido O presente trabalho tem como objetivo mostrar algumas aplicaccedilotildees de matrizes
que se datildeo no controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais criptografia e
computaccedilatildeo graacutefica Seraacute apresentada ainda uma siacutentese da histoacuteria das matrizes e uma visatildeo
geral de sua teoria atraveacutes da definiccedilatildeo de matriz representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees e
propriedades Espera-se dessa forma auxiliar o professor a despertar maior interesse em seus
alunos pelo conteuacutedo e uma melhor aprendizagem assim como promover discussotildees e
reflexotildees sobre o estudo de matrizes no ensino meacutedio
PALAVRAS-CHAVE Matrizes Operaccedilotildees Aplicaccedilotildees Ensino meacutedio
A B S T R A C T
The study about Matrices in High School is usually focused on the approach of operations and
it is hardly ever regarded as a problem situation and contextualization This approach does not
allow the student to notice this content applicability which may be a negative factor in their
learning Thus there is a shortage of teaching materials that support teacher on this way This
paperrsquos objective is to show some Matrices applications that occur within traffic control
system endocrinology population models encryption and computer Graphics It is also
presented a Matrices History summary and an overview of its theory through Matrix
definition representation types operations and properties It is expected to aid teachers to
awaken studentsrsquo greater interest to the content and to reach better learning results as well as
to promote discussions and reflection on the Matrices study at High School
KEYWORDS Matrices Operations Applications High School
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 ndash Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros 39
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 ndash Nota dos alunos hellip 19
TABELA 2 ndash Origem eacutetnica Ensino fundamental hellip 23
TABELA 3 ndash Origem eacutetnica Ensino meacutedio hellip 23
TABELA 4 ndash Origem eacutetnica dos alunos da escola hellip 24
TABELA 5 ndash Grupo A (1ordf fase) hellip 27
TABELA 6 ndash Resultados e pontos correspondentes hellip 27
TABELA 7 ndash
TABELA 8 ndash
Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica hellip
Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
37
37
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ndash Arthur Cayley helliphellip 17
FIGURA 2 ndash Cruzamento de ruas 35
FIGURA 3 ndash Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30ordm no sentido anti-horaacuterio em
torno da origem
42
FIGURA 4 ndash Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50 43
FIGURA 5 ndash Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e
2 unidades para cima
44
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 13
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES 15
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz 15
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo 15
23 A origem da teoria das matrizes 16
24 Biografia de Arthur Cayley 17
3 MATRIZES 19
31 Definiccedilatildeo 19
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica 19
33 Tipos de matrizes 20
331 Matriz quadrada 20
332 Matriz nula 21
333 Matriz linha 21
334 Matriz coluna 21
335 Matriz diagonal 21
336 Matriz identidade 21
337 Matriz triangular superior 22
338 Matriz triangular inferior 22
34 Igualdade entre matrizes 22
35 Operaccedilotildees com matrizes 23
351 Adiccedilatildeo 23
3511 Definiccedilatildeo 23
3512 Propriedades 24
3513 Matriz oposta 25
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes 25
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar 25
3521 Definiccedilatildeo 25
3522 Propriedades 26
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes 27
3531 Definiccedilatildeo 27
3532 Propriedades 29
36 Matriz transposta 31
361 Definiccedilatildeo 31
362 Propriedades 31
363 Matriz simeacutetrica 32
364 Matriz anti-simeacutetrica 32
37 Inversa de uma matriz 32
371 Definiccedilatildeo 32
372 Teorema 33
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES 35
41 Matrizes e o Controle de traacutefego 35
42 Matrizes e Endocrinologia 37
43 Matrizes e Modelos populacionais 38
44 Matrizes e Criptografia 39
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica 42
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS47
REFEREcircNCIAS 48
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
AGRADECIMENTOS
A Deus que sempre esteve ao meu lado me dando sabedoria acircnimo proteccedilatildeo e forccedila
para enfrentar todas as batalhas com as quais me deparei ao longo desta caminhada por ter
permitido a realizaccedilatildeo do meu sonho de ser professor de matemaacutetica e principalmente pelo
dom da vida
Aos meus avoacutes Manoel e Dalvanira (in memoriam) que me criaram me educaram e
me incentivaram a estudar para alcanccedilar os meus objetivos
Aos meus pais Rosilda e Genaacuterio que mesmo distantes sempre torceram pela minha
realizaccedilatildeo pessoal
Aos meus tios Rinaldo Joseacute Rosana Roberval Roseane Rosivan Reginaldo
Rosenilda Rosivaldo e Ronaldo pelo apoio e incentivo
Aos meus professores de matemaacutetica do ensino baacutesico Jalon e Jurandir que
despertaram em mim o gosto pela matemaacutetica e me motivaram a fazer esse curso
Aos meus colegas Luciene Rodrigo Josecircnelle Claudenor Juscelino Michelly Ataiz
Jane Fabiana Fabriacutecio e Daniela pela a amizade construiacuteda o apoio me dado e os bons
momentos vividos durante esses quatro anos e meio de curso
Ao motorista Carlinhos pela responsabilidade paciecircncia e compreensatildeo
Aos amigos e colegas da minha cidade com os quais viajei durante esse periacuteodo pra
Campina Grande pelo companheirismo e uniatildeo principalmente nos momentos em que
tivemos dificuldades pra conseguir transporte
Agrave minha orientadora professora Kaacutetia Suzana pela competecircncia disponibilidade e
valiosa contribuiccedilatildeo para a realizaccedilatildeo desse trabalho
Aos professores da banca examinadora Fernando Luiz e Joselma pela disponibilidade
e indispensaacuteveis sugestotildees dadas para o aprimoramento desse trabalho
Enfim a todos que contribuiacuteram de forma direta ou indireta para a minha formaccedilatildeo
profissional
ldquoNatildeo haacute ramo da Matemaacutetica por mais abstrato que seja
que natildeo possa um dia vir a ser aplicado aos fenocircmenos do
mundo realrdquo
Nicolai Lobachevsky
R E S U M O
O estudo de matrizes no ensino meacutedio geralmente eacute enfocado na teacutecnica de operaccedilotildees e pouco
se recorre agrave situaccedilatildeo-problema e contextualizaccedilatildeo Essa abordagem natildeo permite ao aluno
perceber a aplicabilidade deste conteuacutedo o que pode ser um fator desfavoraacutevel em sua
aprendizagem Aleacutem disso haacute escassez de materiais didaacuteticos que deem subsiacutedio ao professor
nesse sentido O presente trabalho tem como objetivo mostrar algumas aplicaccedilotildees de matrizes
que se datildeo no controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais criptografia e
computaccedilatildeo graacutefica Seraacute apresentada ainda uma siacutentese da histoacuteria das matrizes e uma visatildeo
geral de sua teoria atraveacutes da definiccedilatildeo de matriz representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees e
propriedades Espera-se dessa forma auxiliar o professor a despertar maior interesse em seus
alunos pelo conteuacutedo e uma melhor aprendizagem assim como promover discussotildees e
reflexotildees sobre o estudo de matrizes no ensino meacutedio
PALAVRAS-CHAVE Matrizes Operaccedilotildees Aplicaccedilotildees Ensino meacutedio
A B S T R A C T
The study about Matrices in High School is usually focused on the approach of operations and
it is hardly ever regarded as a problem situation and contextualization This approach does not
allow the student to notice this content applicability which may be a negative factor in their
learning Thus there is a shortage of teaching materials that support teacher on this way This
paperrsquos objective is to show some Matrices applications that occur within traffic control
system endocrinology population models encryption and computer Graphics It is also
presented a Matrices History summary and an overview of its theory through Matrix
definition representation types operations and properties It is expected to aid teachers to
awaken studentsrsquo greater interest to the content and to reach better learning results as well as
to promote discussions and reflection on the Matrices study at High School
KEYWORDS Matrices Operations Applications High School
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 ndash Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros 39
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 ndash Nota dos alunos hellip 19
TABELA 2 ndash Origem eacutetnica Ensino fundamental hellip 23
TABELA 3 ndash Origem eacutetnica Ensino meacutedio hellip 23
TABELA 4 ndash Origem eacutetnica dos alunos da escola hellip 24
TABELA 5 ndash Grupo A (1ordf fase) hellip 27
TABELA 6 ndash Resultados e pontos correspondentes hellip 27
TABELA 7 ndash
TABELA 8 ndash
Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica hellip
Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
37
37
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ndash Arthur Cayley helliphellip 17
FIGURA 2 ndash Cruzamento de ruas 35
FIGURA 3 ndash Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30ordm no sentido anti-horaacuterio em
torno da origem
42
FIGURA 4 ndash Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50 43
FIGURA 5 ndash Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e
2 unidades para cima
44
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 13
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES 15
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz 15
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo 15
23 A origem da teoria das matrizes 16
24 Biografia de Arthur Cayley 17
3 MATRIZES 19
31 Definiccedilatildeo 19
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica 19
33 Tipos de matrizes 20
331 Matriz quadrada 20
332 Matriz nula 21
333 Matriz linha 21
334 Matriz coluna 21
335 Matriz diagonal 21
336 Matriz identidade 21
337 Matriz triangular superior 22
338 Matriz triangular inferior 22
34 Igualdade entre matrizes 22
35 Operaccedilotildees com matrizes 23
351 Adiccedilatildeo 23
3511 Definiccedilatildeo 23
3512 Propriedades 24
3513 Matriz oposta 25
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes 25
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar 25
3521 Definiccedilatildeo 25
3522 Propriedades 26
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes 27
3531 Definiccedilatildeo 27
3532 Propriedades 29
36 Matriz transposta 31
361 Definiccedilatildeo 31
362 Propriedades 31
363 Matriz simeacutetrica 32
364 Matriz anti-simeacutetrica 32
37 Inversa de uma matriz 32
371 Definiccedilatildeo 32
372 Teorema 33
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES 35
41 Matrizes e o Controle de traacutefego 35
42 Matrizes e Endocrinologia 37
43 Matrizes e Modelos populacionais 38
44 Matrizes e Criptografia 39
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica 42
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS47
REFEREcircNCIAS 48
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
ldquoNatildeo haacute ramo da Matemaacutetica por mais abstrato que seja
que natildeo possa um dia vir a ser aplicado aos fenocircmenos do
mundo realrdquo
Nicolai Lobachevsky
R E S U M O
O estudo de matrizes no ensino meacutedio geralmente eacute enfocado na teacutecnica de operaccedilotildees e pouco
se recorre agrave situaccedilatildeo-problema e contextualizaccedilatildeo Essa abordagem natildeo permite ao aluno
perceber a aplicabilidade deste conteuacutedo o que pode ser um fator desfavoraacutevel em sua
aprendizagem Aleacutem disso haacute escassez de materiais didaacuteticos que deem subsiacutedio ao professor
nesse sentido O presente trabalho tem como objetivo mostrar algumas aplicaccedilotildees de matrizes
que se datildeo no controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais criptografia e
computaccedilatildeo graacutefica Seraacute apresentada ainda uma siacutentese da histoacuteria das matrizes e uma visatildeo
geral de sua teoria atraveacutes da definiccedilatildeo de matriz representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees e
propriedades Espera-se dessa forma auxiliar o professor a despertar maior interesse em seus
alunos pelo conteuacutedo e uma melhor aprendizagem assim como promover discussotildees e
reflexotildees sobre o estudo de matrizes no ensino meacutedio
PALAVRAS-CHAVE Matrizes Operaccedilotildees Aplicaccedilotildees Ensino meacutedio
A B S T R A C T
The study about Matrices in High School is usually focused on the approach of operations and
it is hardly ever regarded as a problem situation and contextualization This approach does not
allow the student to notice this content applicability which may be a negative factor in their
learning Thus there is a shortage of teaching materials that support teacher on this way This
paperrsquos objective is to show some Matrices applications that occur within traffic control
system endocrinology population models encryption and computer Graphics It is also
presented a Matrices History summary and an overview of its theory through Matrix
definition representation types operations and properties It is expected to aid teachers to
awaken studentsrsquo greater interest to the content and to reach better learning results as well as
to promote discussions and reflection on the Matrices study at High School
KEYWORDS Matrices Operations Applications High School
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 ndash Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros 39
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 ndash Nota dos alunos hellip 19
TABELA 2 ndash Origem eacutetnica Ensino fundamental hellip 23
TABELA 3 ndash Origem eacutetnica Ensino meacutedio hellip 23
TABELA 4 ndash Origem eacutetnica dos alunos da escola hellip 24
TABELA 5 ndash Grupo A (1ordf fase) hellip 27
TABELA 6 ndash Resultados e pontos correspondentes hellip 27
TABELA 7 ndash
TABELA 8 ndash
Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica hellip
Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
37
37
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ndash Arthur Cayley helliphellip 17
FIGURA 2 ndash Cruzamento de ruas 35
FIGURA 3 ndash Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30ordm no sentido anti-horaacuterio em
torno da origem
42
FIGURA 4 ndash Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50 43
FIGURA 5 ndash Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e
2 unidades para cima
44
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 13
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES 15
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz 15
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo 15
23 A origem da teoria das matrizes 16
24 Biografia de Arthur Cayley 17
3 MATRIZES 19
31 Definiccedilatildeo 19
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica 19
33 Tipos de matrizes 20
331 Matriz quadrada 20
332 Matriz nula 21
333 Matriz linha 21
334 Matriz coluna 21
335 Matriz diagonal 21
336 Matriz identidade 21
337 Matriz triangular superior 22
338 Matriz triangular inferior 22
34 Igualdade entre matrizes 22
35 Operaccedilotildees com matrizes 23
351 Adiccedilatildeo 23
3511 Definiccedilatildeo 23
3512 Propriedades 24
3513 Matriz oposta 25
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes 25
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar 25
3521 Definiccedilatildeo 25
3522 Propriedades 26
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes 27
3531 Definiccedilatildeo 27
3532 Propriedades 29
36 Matriz transposta 31
361 Definiccedilatildeo 31
362 Propriedades 31
363 Matriz simeacutetrica 32
364 Matriz anti-simeacutetrica 32
37 Inversa de uma matriz 32
371 Definiccedilatildeo 32
372 Teorema 33
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES 35
41 Matrizes e o Controle de traacutefego 35
42 Matrizes e Endocrinologia 37
43 Matrizes e Modelos populacionais 38
44 Matrizes e Criptografia 39
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica 42
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS47
REFEREcircNCIAS 48
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
R E S U M O
O estudo de matrizes no ensino meacutedio geralmente eacute enfocado na teacutecnica de operaccedilotildees e pouco
se recorre agrave situaccedilatildeo-problema e contextualizaccedilatildeo Essa abordagem natildeo permite ao aluno
perceber a aplicabilidade deste conteuacutedo o que pode ser um fator desfavoraacutevel em sua
aprendizagem Aleacutem disso haacute escassez de materiais didaacuteticos que deem subsiacutedio ao professor
nesse sentido O presente trabalho tem como objetivo mostrar algumas aplicaccedilotildees de matrizes
que se datildeo no controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais criptografia e
computaccedilatildeo graacutefica Seraacute apresentada ainda uma siacutentese da histoacuteria das matrizes e uma visatildeo
geral de sua teoria atraveacutes da definiccedilatildeo de matriz representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees e
propriedades Espera-se dessa forma auxiliar o professor a despertar maior interesse em seus
alunos pelo conteuacutedo e uma melhor aprendizagem assim como promover discussotildees e
reflexotildees sobre o estudo de matrizes no ensino meacutedio
PALAVRAS-CHAVE Matrizes Operaccedilotildees Aplicaccedilotildees Ensino meacutedio
A B S T R A C T
The study about Matrices in High School is usually focused on the approach of operations and
it is hardly ever regarded as a problem situation and contextualization This approach does not
allow the student to notice this content applicability which may be a negative factor in their
learning Thus there is a shortage of teaching materials that support teacher on this way This
paperrsquos objective is to show some Matrices applications that occur within traffic control
system endocrinology population models encryption and computer Graphics It is also
presented a Matrices History summary and an overview of its theory through Matrix
definition representation types operations and properties It is expected to aid teachers to
awaken studentsrsquo greater interest to the content and to reach better learning results as well as
to promote discussions and reflection on the Matrices study at High School
KEYWORDS Matrices Operations Applications High School
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 ndash Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros 39
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 ndash Nota dos alunos hellip 19
TABELA 2 ndash Origem eacutetnica Ensino fundamental hellip 23
TABELA 3 ndash Origem eacutetnica Ensino meacutedio hellip 23
TABELA 4 ndash Origem eacutetnica dos alunos da escola hellip 24
TABELA 5 ndash Grupo A (1ordf fase) hellip 27
TABELA 6 ndash Resultados e pontos correspondentes hellip 27
TABELA 7 ndash
TABELA 8 ndash
Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica hellip
Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
37
37
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ndash Arthur Cayley helliphellip 17
FIGURA 2 ndash Cruzamento de ruas 35
FIGURA 3 ndash Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30ordm no sentido anti-horaacuterio em
torno da origem
42
FIGURA 4 ndash Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50 43
FIGURA 5 ndash Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e
2 unidades para cima
44
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 13
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES 15
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz 15
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo 15
23 A origem da teoria das matrizes 16
24 Biografia de Arthur Cayley 17
3 MATRIZES 19
31 Definiccedilatildeo 19
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica 19
33 Tipos de matrizes 20
331 Matriz quadrada 20
332 Matriz nula 21
333 Matriz linha 21
334 Matriz coluna 21
335 Matriz diagonal 21
336 Matriz identidade 21
337 Matriz triangular superior 22
338 Matriz triangular inferior 22
34 Igualdade entre matrizes 22
35 Operaccedilotildees com matrizes 23
351 Adiccedilatildeo 23
3511 Definiccedilatildeo 23
3512 Propriedades 24
3513 Matriz oposta 25
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes 25
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar 25
3521 Definiccedilatildeo 25
3522 Propriedades 26
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes 27
3531 Definiccedilatildeo 27
3532 Propriedades 29
36 Matriz transposta 31
361 Definiccedilatildeo 31
362 Propriedades 31
363 Matriz simeacutetrica 32
364 Matriz anti-simeacutetrica 32
37 Inversa de uma matriz 32
371 Definiccedilatildeo 32
372 Teorema 33
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES 35
41 Matrizes e o Controle de traacutefego 35
42 Matrizes e Endocrinologia 37
43 Matrizes e Modelos populacionais 38
44 Matrizes e Criptografia 39
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica 42
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS47
REFEREcircNCIAS 48
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
A B S T R A C T
The study about Matrices in High School is usually focused on the approach of operations and
it is hardly ever regarded as a problem situation and contextualization This approach does not
allow the student to notice this content applicability which may be a negative factor in their
learning Thus there is a shortage of teaching materials that support teacher on this way This
paperrsquos objective is to show some Matrices applications that occur within traffic control
system endocrinology population models encryption and computer Graphics It is also
presented a Matrices History summary and an overview of its theory through Matrix
definition representation types operations and properties It is expected to aid teachers to
awaken studentsrsquo greater interest to the content and to reach better learning results as well as
to promote discussions and reflection on the Matrices study at High School
KEYWORDS Matrices Operations Applications High School
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 ndash Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros 39
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 ndash Nota dos alunos hellip 19
TABELA 2 ndash Origem eacutetnica Ensino fundamental hellip 23
TABELA 3 ndash Origem eacutetnica Ensino meacutedio hellip 23
TABELA 4 ndash Origem eacutetnica dos alunos da escola hellip 24
TABELA 5 ndash Grupo A (1ordf fase) hellip 27
TABELA 6 ndash Resultados e pontos correspondentes hellip 27
TABELA 7 ndash
TABELA 8 ndash
Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica hellip
Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
37
37
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ndash Arthur Cayley helliphellip 17
FIGURA 2 ndash Cruzamento de ruas 35
FIGURA 3 ndash Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30ordm no sentido anti-horaacuterio em
torno da origem
42
FIGURA 4 ndash Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50 43
FIGURA 5 ndash Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e
2 unidades para cima
44
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 13
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES 15
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz 15
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo 15
23 A origem da teoria das matrizes 16
24 Biografia de Arthur Cayley 17
3 MATRIZES 19
31 Definiccedilatildeo 19
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica 19
33 Tipos de matrizes 20
331 Matriz quadrada 20
332 Matriz nula 21
333 Matriz linha 21
334 Matriz coluna 21
335 Matriz diagonal 21
336 Matriz identidade 21
337 Matriz triangular superior 22
338 Matriz triangular inferior 22
34 Igualdade entre matrizes 22
35 Operaccedilotildees com matrizes 23
351 Adiccedilatildeo 23
3511 Definiccedilatildeo 23
3512 Propriedades 24
3513 Matriz oposta 25
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes 25
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar 25
3521 Definiccedilatildeo 25
3522 Propriedades 26
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes 27
3531 Definiccedilatildeo 27
3532 Propriedades 29
36 Matriz transposta 31
361 Definiccedilatildeo 31
362 Propriedades 31
363 Matriz simeacutetrica 32
364 Matriz anti-simeacutetrica 32
37 Inversa de uma matriz 32
371 Definiccedilatildeo 32
372 Teorema 33
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES 35
41 Matrizes e o Controle de traacutefego 35
42 Matrizes e Endocrinologia 37
43 Matrizes e Modelos populacionais 38
44 Matrizes e Criptografia 39
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica 42
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS47
REFEREcircNCIAS 48
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 ndash Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros 39
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 ndash Nota dos alunos hellip 19
TABELA 2 ndash Origem eacutetnica Ensino fundamental hellip 23
TABELA 3 ndash Origem eacutetnica Ensino meacutedio hellip 23
TABELA 4 ndash Origem eacutetnica dos alunos da escola hellip 24
TABELA 5 ndash Grupo A (1ordf fase) hellip 27
TABELA 6 ndash Resultados e pontos correspondentes hellip 27
TABELA 7 ndash
TABELA 8 ndash
Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica hellip
Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
37
37
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ndash Arthur Cayley helliphellip 17
FIGURA 2 ndash Cruzamento de ruas 35
FIGURA 3 ndash Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30ordm no sentido anti-horaacuterio em
torno da origem
42
FIGURA 4 ndash Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50 43
FIGURA 5 ndash Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e
2 unidades para cima
44
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 13
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES 15
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz 15
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo 15
23 A origem da teoria das matrizes 16
24 Biografia de Arthur Cayley 17
3 MATRIZES 19
31 Definiccedilatildeo 19
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica 19
33 Tipos de matrizes 20
331 Matriz quadrada 20
332 Matriz nula 21
333 Matriz linha 21
334 Matriz coluna 21
335 Matriz diagonal 21
336 Matriz identidade 21
337 Matriz triangular superior 22
338 Matriz triangular inferior 22
34 Igualdade entre matrizes 22
35 Operaccedilotildees com matrizes 23
351 Adiccedilatildeo 23
3511 Definiccedilatildeo 23
3512 Propriedades 24
3513 Matriz oposta 25
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes 25
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar 25
3521 Definiccedilatildeo 25
3522 Propriedades 26
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes 27
3531 Definiccedilatildeo 27
3532 Propriedades 29
36 Matriz transposta 31
361 Definiccedilatildeo 31
362 Propriedades 31
363 Matriz simeacutetrica 32
364 Matriz anti-simeacutetrica 32
37 Inversa de uma matriz 32
371 Definiccedilatildeo 32
372 Teorema 33
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES 35
41 Matrizes e o Controle de traacutefego 35
42 Matrizes e Endocrinologia 37
43 Matrizes e Modelos populacionais 38
44 Matrizes e Criptografia 39
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica 42
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS47
REFEREcircNCIAS 48
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 ndash Nota dos alunos hellip 19
TABELA 2 ndash Origem eacutetnica Ensino fundamental hellip 23
TABELA 3 ndash Origem eacutetnica Ensino meacutedio hellip 23
TABELA 4 ndash Origem eacutetnica dos alunos da escola hellip 24
TABELA 5 ndash Grupo A (1ordf fase) hellip 27
TABELA 6 ndash Resultados e pontos correspondentes hellip 27
TABELA 7 ndash
TABELA 8 ndash
Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica hellip
Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
37
37
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ndash Arthur Cayley helliphellip 17
FIGURA 2 ndash Cruzamento de ruas 35
FIGURA 3 ndash Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30ordm no sentido anti-horaacuterio em
torno da origem
42
FIGURA 4 ndash Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50 43
FIGURA 5 ndash Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e
2 unidades para cima
44
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 13
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES 15
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz 15
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo 15
23 A origem da teoria das matrizes 16
24 Biografia de Arthur Cayley 17
3 MATRIZES 19
31 Definiccedilatildeo 19
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica 19
33 Tipos de matrizes 20
331 Matriz quadrada 20
332 Matriz nula 21
333 Matriz linha 21
334 Matriz coluna 21
335 Matriz diagonal 21
336 Matriz identidade 21
337 Matriz triangular superior 22
338 Matriz triangular inferior 22
34 Igualdade entre matrizes 22
35 Operaccedilotildees com matrizes 23
351 Adiccedilatildeo 23
3511 Definiccedilatildeo 23
3512 Propriedades 24
3513 Matriz oposta 25
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes 25
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar 25
3521 Definiccedilatildeo 25
3522 Propriedades 26
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes 27
3531 Definiccedilatildeo 27
3532 Propriedades 29
36 Matriz transposta 31
361 Definiccedilatildeo 31
362 Propriedades 31
363 Matriz simeacutetrica 32
364 Matriz anti-simeacutetrica 32
37 Inversa de uma matriz 32
371 Definiccedilatildeo 32
372 Teorema 33
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES 35
41 Matrizes e o Controle de traacutefego 35
42 Matrizes e Endocrinologia 37
43 Matrizes e Modelos populacionais 38
44 Matrizes e Criptografia 39
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica 42
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS47
REFEREcircNCIAS 48
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ndash Arthur Cayley helliphellip 17
FIGURA 2 ndash Cruzamento de ruas 35
FIGURA 3 ndash Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30ordm no sentido anti-horaacuterio em
torno da origem
42
FIGURA 4 ndash Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50 43
FIGURA 5 ndash Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e
2 unidades para cima
44
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 13
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES 15
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz 15
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo 15
23 A origem da teoria das matrizes 16
24 Biografia de Arthur Cayley 17
3 MATRIZES 19
31 Definiccedilatildeo 19
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica 19
33 Tipos de matrizes 20
331 Matriz quadrada 20
332 Matriz nula 21
333 Matriz linha 21
334 Matriz coluna 21
335 Matriz diagonal 21
336 Matriz identidade 21
337 Matriz triangular superior 22
338 Matriz triangular inferior 22
34 Igualdade entre matrizes 22
35 Operaccedilotildees com matrizes 23
351 Adiccedilatildeo 23
3511 Definiccedilatildeo 23
3512 Propriedades 24
3513 Matriz oposta 25
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes 25
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar 25
3521 Definiccedilatildeo 25
3522 Propriedades 26
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes 27
3531 Definiccedilatildeo 27
3532 Propriedades 29
36 Matriz transposta 31
361 Definiccedilatildeo 31
362 Propriedades 31
363 Matriz simeacutetrica 32
364 Matriz anti-simeacutetrica 32
37 Inversa de uma matriz 32
371 Definiccedilatildeo 32
372 Teorema 33
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES 35
41 Matrizes e o Controle de traacutefego 35
42 Matrizes e Endocrinologia 37
43 Matrizes e Modelos populacionais 38
44 Matrizes e Criptografia 39
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica 42
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS47
REFEREcircNCIAS 48
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 13
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES 15
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz 15
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo 15
23 A origem da teoria das matrizes 16
24 Biografia de Arthur Cayley 17
3 MATRIZES 19
31 Definiccedilatildeo 19
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica 19
33 Tipos de matrizes 20
331 Matriz quadrada 20
332 Matriz nula 21
333 Matriz linha 21
334 Matriz coluna 21
335 Matriz diagonal 21
336 Matriz identidade 21
337 Matriz triangular superior 22
338 Matriz triangular inferior 22
34 Igualdade entre matrizes 22
35 Operaccedilotildees com matrizes 23
351 Adiccedilatildeo 23
3511 Definiccedilatildeo 23
3512 Propriedades 24
3513 Matriz oposta 25
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes 25
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar 25
3521 Definiccedilatildeo 25
3522 Propriedades 26
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes 27
3531 Definiccedilatildeo 27
3532 Propriedades 29
36 Matriz transposta 31
361 Definiccedilatildeo 31
362 Propriedades 31
363 Matriz simeacutetrica 32
364 Matriz anti-simeacutetrica 32
37 Inversa de uma matriz 32
371 Definiccedilatildeo 32
372 Teorema 33
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES 35
41 Matrizes e o Controle de traacutefego 35
42 Matrizes e Endocrinologia 37
43 Matrizes e Modelos populacionais 38
44 Matrizes e Criptografia 39
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica 42
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS47
REFEREcircNCIAS 48
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
43 Matrizes e Modelos populacionais 38
44 Matrizes e Criptografia 39
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica 42
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS47
REFEREcircNCIAS 48
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
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SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
13
1 INTRODUCcedilAtildeO
A abordagem de matrizes no ensino meacutedio quase sempre se daacute de forma mecacircnica e
dissociada da realidade o que impede que o aluno perceba a aplicabilidade desse conteuacutedo e
tenha maior interesse em aprendecirc-lo Muitas vezes o professor de matemaacutetica natildeo dispotildee de
ferramentas para trabalhar o conteuacutedo de matrizes de forma inovadora visto que os livros
didaacuteticos em sua maioria natildeo trazem atividades com foco nas aplicaccedilotildees
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas das muitas aplicaccedilotildees das
matrizes no dia-a-dia a fim de auxiliar o professor de matemaacutetica a despertar o interesse do
aluno pelo conteuacutedo para que este compreenda a finalidade do estudo das matrizes e suas
respectivas operaccedilotildees e consequentemente obtenha uma melhor aprendizagem
Como base de estudo e pesquisa as principais referecircncias foram Boldrini (1980)
Boyer (1996) Dante (2004) Iezzi (2004) e Kuerten (2002)
Este trabalho inicia-se com o capiacutetulo que expotildee uma siacutentese da histoacuteria das matrizes
onde eacute apresentado um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz o surgimento
do termo ldquomatrizrdquo a origem da teoria e tambeacutem a biografia do matemaacutetico inglecircs Arthur
Cayley a quem eacute conferido o meacuterito da invenccedilatildeo das matrizes
No capiacutetulo seguinte eacute abordada a definiccedilatildeo de matrizes as formas de representaacute-las
algebricamente seus principais tipos as operaccedilotildees baacutesicas exemplificadas e tambeacutem suas
propriedades com as respectivas demonstraccedilotildees
A ideia central deste trabalho eacute exibida em seu uacuteltimo capiacutetulo atraveacutes de sugestotildees de
aplicaccedilotildees para a abordagem de matrizes no ensino meacutedio Tais aplicaccedilotildees se datildeo em
situaccedilotildees do cotidiano como controle de traacutefego endocrinologia modelos populacionais
criptografia e computaccedilatildeo graacutefica
A aplicaccedilatildeo no controle de traacutefego acontece por meio de operaccedilotildees com matrizes para
indicar o tempo em que cada semaacuteforo deve permanecer aberto e fechado controlando assim
o fluxo de veiacuteculos
Na Endocrinologia as matrizes auxiliam na prescriccedilatildeo de dietas e programas de
exerciacutecios aleacutem disso satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional
A criptografia eacute um meacutetodo usado para codificar e decodificar mensagens que pode
ser efetuado por meio de matrizes
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
14
Eacute atraveacutes de operaccedilotildees com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos
pixels que compotildeem uma imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala o que na
computaccedilatildeo graacutefica recebe o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
Estas satildeo algumas das inuacutemeras aplicaccedilotildees das matrizes no dia-a-dia que geralmente
passam despercebidas devido ao ensino descontextualizado deste conteuacutedo
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
15
2 UM POUCO DA HISTOacuteRIA DAS MATRIZES
21 O livro ldquoNove capiacutetulos sobre a arte matemaacuteticardquo e a ideia de matriz
Um dos mais antigos registros referentes agrave ideia de matriz encontra-se no livro chinecircs
Chui-Chang Suan-Shu (Nove Capiacutetulos sobre a Arte Matemaacutetica) Escrito por volta de
250 aC o livro conteacutem problemas sobre diversos assuntos como mensuraccedilatildeo de terras
agricultura engenharia impostos etc Satildeo ao todo 246 problemas dentre os quais um eacute
resolvido atraveacutes de caacutelculos efetuados em uma tabela (matriz) Veja o problema
Existem trecircs tipos de milho dos quais trecircs feixes do primeiro tipo dois do segundo e
um do terceiro fazem 39 medidas Dois do primeiro trecircs do segundo e um do terceiro fazem
34 medidas E um do primeiro dois do segundo e trecircs do terceiro fazem 26 medidas Quantas
medidas de milho estatildeo contidas em um pacote de cada tipo
O problema resulta no seguinte sistema linear
2632
3432
3923
zyx
zyx
zyx
Para resolvecirc-lo efetuaram-se operaccedilotildees sobre colunas da primeira tabela para reduzi-
la agrave segunda conforme ilustrado abaixo
393426
113
232
321
392499
1136
250
300
Eacute notaacutevel que a segunda tabela representa as equaccedilotildees 9936z 245 zy e
3923 zyx a partir das quais foram determinados os valores de x y e z
22 Como surgiu o termo ldquomatrizrdquo
O nome ldquomatrizrdquo foi dado por James Joseph Sylvester em 1850 que adotou o
significado coloquial da referida palavra qual seja local onde algo se gera ou cria Com
efeito via-as como ldquo um bloco retangular de termos o que natildeo representa um
determinante mas eacute como se fosse uma MATRIZ a partir da qual podemos formar vaacuterios
sistemas de determinantes ao fixar um nuacutemero p e escolher agrave vontade p linhas e p
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
16
colunasrdquo (artigo publicado na Philosophical Magazine de 1850 pag 363-370) Nesse trecho
eacute possiacutevel observar que Sylvester ainda via as matrizes simplesmente como ingrediente dos
determinantes
23 A origem da teoria das matrizes
A teoria das matrizes teve origem com um artigo do inglecircs Arthur Cayley em 1855
Cayley salientou o fato de mesmo que pela loacutegica a noccedilatildeo de matriz anteceda a de
determinante historicamente ocorreu o inverso pois os determinantes jaacute eram usados na
resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares haacute muito tempo
Vaacuterios matemaacuteticos deram a sua contribuiccedilatildeo para o desenvolvimento da teoria das
matrizes como James Joseph Sylvester (1814-1897) Benjamin Peirce (1809-1880) e seu
filho Charles S Peirce (1839-1914) no entanto o meacuterito da invenccedilatildeo eacute geralmente conferido
a Cayley
Quanto agraves matrizes Cayley definiu a ideia de operaacute-las como na aacutelgebra e introduziu-
as para simplificar a notaccedilatildeo de uma transformaccedilatildeo linear Assim ao inveacutes de
dycxy
byaxx
escrevia yx
dc
bayx
A partir da observaccedilatildeo do efeito de duas transformaccedilotildees sucessivas definiu o produto
de matrizes Em seguida chegou a ideia de matriz inversa o que obviamente pressupotildee a de
elemento neutro (a matriz identidade) Trecircs anos depois em outro artigo Cayley introduziu os
conceitos de adiccedilatildeo de matrizes e de multiplicaccedilatildeo de matrizes por escalares enfatizando as
propriedades algeacutebricas dessas operaccedilotildees Anos depois Cayley se encarregou de encontrar
inuacutemeras aplicaccedilotildees para as matrizes
Entretanto antes de Cayley iniciar estudar matrizes muitos resultados da teoria jaacute
haviam sido descobertos por matemaacuteticos dos seacuteculos XVIII e XIX quando estes passaram a
investigar a Teoria das Formas Quadraacuteticas
Naquela eacutepoca as formas quadraacuteticas eram tratadas escalarmente hoje se faz uso da
notaccedilatildeo e metodologia matricial no estudo dessas Veja a representaccedilatildeo de uma forma
quadraacutetica de duas variaacuteveis via essas duas notaccedilotildees (escalar e matricial)
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
17
y
x
cb
baxycybxyaxyxq 22 2
A noccedilatildeo de matriz foi usada implicitamente pela primeira vez por Lagrange (1790)
quando o mesmo reduziu a caracterizaccedilatildeo dos maacuteximos e miacutenimos de uma funccedilatildeo real de
vaacuterias variaacuteveis ao estudo do sinal da forma quadraacutetica associada agrave matriz das segundas
derivadas dessa funccedilatildeo A conclusatildeo a qual chegou trabalhando escalarmente hoje eacute expressa
em termos de ldquomatriz positiva definidardquo
Pode-se afirmar que a Teoria das Matrizes teve como matildee a Teoria das Formas
Quadraacuteticas Poreacutem hoje o estudo das formas quadraacuteticas eacute simplesmente um capiacutetulo dessa
teoria Aleacutem disso constata-se que os determinantes natildeo contribuiacuteram em nada para o
desenvolvimento da Teoria das Matrizes
24 Biografia de Arthur Cayley
O matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley nasceu em 16
de agosto de 1821 na cidade de Richmond Surrey e
estudou no Trinity College Cambridge onde se destacou
e concluiu a graduaccedilatildeo em 1842 Tempos depois resolveu
estudar direito e trabalhar na aacuterea mesmo assim continuou
os seus estudos em matemaacutetica Enquanto aluno de direito
assistiu a palestras de Hamilton sobre os quateacuternios No
ano de 1863 decidiu abandonar a praacutetica juriacutedica e
dedicar-se exclusivamente agrave matemaacutetica apoacutes ter sido
convidado a reger a caacutetedra sadleriana de Cambridge
Em volume de produccedilatildeo matemaacutetica em toda a histoacuteria Cayley ocupa o terceiro
lugar sendo superado apenas por Euler e Cauchy Suas primeiras publicaccedilotildees ocorreram
quando ainda era graduando em Cambridge durante o periacuteodo em que se dedicou agrave praacutetica
juriacutedica publicou entre 200 e 300 artigos e continuou pelo resto da vida proliacutefico nessa
atividade Suas obras completas foram publicadas em Cambridge distribuiacutedas em 13
volumes e receberam o tiacutetulo ldquoThe Collected Mathematical papers of Arthur Cayleyrdquo
(Coletacircnea dos escritos matemaacuteticos de Arthur Cayley)
Muitas aacutereas da matemaacutetica foram abordadas e enriquecidas por Cayley como a
geometria analiacutetica a teoria das transformaccedilotildees teoria dos determinantes teoria das curvas e
superfiacutecies teoria das funccedilotildees abelianas etc Aleacutem disso jaacute consideramos neste capiacutetulo o seu
Figura 1 - Arthur Cayley
Fonte Biblioteca do Congresso
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
18
trabalho na aacutelgebra das matrizes Contudo considera-se o seu trabalho mais importante a
criaccedilatildeo e desenvolvimento da teoria dos invariantes cuja origem eacute encontrada em estudos
feitos por Lagrange Gauss e em particular Boole O interesse por esta aacuterea foi
compartilhado com Sylvester e os dois que na eacutepoca moravam em Londres fizeram novas
descobertas que contribuiacuteram de forma significativa para o desenvolvimento desta teoria
As caracteriacutesticas dos artigos que Cayley escreveu refletem a sua formaccedilatildeo juriacutedica e
marcaram seu estilo matemaacutetico Possuiacutea uma capacidade de memorizaccedilatildeo extraordinaacuteria era
calmo equilibrado e educado Cayley recebeu o nome ldquoo matemaacutetico dos matemaacuteticosrdquo
Cayley gostava de ler romances natildeo somente em inglecircs como tambeacutem em outras
liacutenguas alematildeo francecircs italiano e grego Entre seus mais variados talentos destaca-se o de
pintar aquarelas Apreciava a natureza de uma forma geral e era considerado um alpinista por
ter feito diversas viagens para grandes caminhadas e para escalar montanhas Conta-se que
uma vez Cayley declarou que o motivo que o levava a escalar montanhas era a sensaccedilatildeo
proporcionada pela chegada ao cume que considerava ser idecircntica a de solucionar um
problema matemaacutetico difiacutecil ou concluir uma teoria matemaacutetica complexa
Cayley faleceu em Cambridge no dia 26 de janeiro de 1895 antes mesmo de suas
obras serem publicadas totalmente
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
19
3 MATRIZES
31 Definiccedilatildeo
Verifique a tabela a seguir que indica as notas de Joseacute Maria e Ricardo em quatro
disciplinas (Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica e Fiacutesica)
Tabela 1- Nota dos alunos
Nome Portuguecircs Matemaacutetica Quiacutemica Fiacutesica
Joseacute 85 90 100 95
Maria 90 100 85 80
Ricardo 80 70 85 75
Fonte Elaborada pelo autor
Uma tabela desse tipo em que os nuacutemeros estatildeo dispostos em 3 linhas e 4 colunas
denomina-se matriz 3times4 (lecirc-se trecircs por quatro) e podemos representaacute-la por
57
08
59
58
58
010
07
010
09
08
09
58
M
Definiccedilatildeo Sejam m e n dois nuacutemeros naturais e natildeo nulos chama-se matriz m por n
(indica-se m times n) toda tabela M de elementos (nuacutemeros funccedilotildees etc) dispostos em m linhas e
n colunas
Outros exemplos
30
72A matriz 2times2
2082
7413
3151
B matriz 3times3 e
42
13
015
C matriz 3times2
32 Representaccedilatildeo algeacutebrica
Usam-se sempre letras maiuacutesculas para denotar matrizes Cada elemento eacute indicado
por aij O iacutendice i indica a linha e o iacutendice j a coluna agraves quais o elemento pertence Com a
convenccedilatildeo de que as linhas sejam numeradas de cima para baixo (de 1 ateacute m) e as colunas da
esquerda para a direita (de 1 ateacute n) uma matriz mtimesn eacute representada por
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
21
22221
11211
ou
21
22221
11211
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
M
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
20
Pode-se abreviadamente representar uma matriz por M = ( aij ) i 1 2 3 m e
j 1 2 3 n ou ainda M = ( aij )n x m
Exemplo Vamos construir a matriz A = ( aij )3 x 3 tal que aij = i + j
Soluccedilatildeo
Temos por definiccedilatildeo
a11 = 1 + 1 = 2 a12 = 1 + 2 = 3 a13 = 1 + 3 = 4
a21 = 2 + 1 = 3 a22 = 2 + 2 = 4 a23 = 2 + 3 = 5
a31 = 3 + 1 = 4 a32 = 3 + 2 = 5 a33 = 3 + 3 = 6
Logo a matriz procurada eacute
654
543
432
A
33 Tipos de matrizes
Eacute notaacutevel que algumas matrizes possuam propriedades que as diferenciam de uma
matriz qualquer como o nuacutemero de linhas ou colunas ou ainda a natureza de seus elementos
e por apresentarem uma utilidade maior nesse estudo recebem nomes especiais
331 Matriz quadrada
Toda matriz que tem o mesmo nuacutemero de linhas e colunas isto eacute m = n recebe o
nome de matriz quadrada
Exemplos
60
39A
805
7110
432
B e
141300
1234
5678
9101112
C
Em uma matriz quadrada de ordem n o conjunto dos elementos que tecircm os dois
iacutendices iguais isto eacute aij | i = j= a11 a22 ann compotildeem a sua ldquodiagonal principalrdquo A
ldquodiagonal secundaacuteriardquo eacute formada pelo conjunto dos elementos que tecircm soma de iacutendices igual
a n+1 isto eacute aij | i+j= n+1= a1n a2n-1 a3n-2 an1
Exemplo A diagonal principal da matriz C dada no exemplo anterior eacute 12 7 2 14 jaacute sua
diagonal secundaacuteria eacute minus9 minus3 minus6 0
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
21
332 Matriz nula
Matriz nula eacute toda matriz que tem todos os elementos iguais a zero ou seja aij = 0
para todo i e j
Exemplos
00000
00000D
000
000
000
E e 00
00F
333 Matriz linha
A matriz que soacute tem uma linha isto eacute m = 1 recebe o nome de matriz linha
Exemplos
13117532G 15110H e 931J
334 Matriz coluna
Matriz coluna eacute toda matriz que possui uma uacutenica coluna ou seja n =1
Exemplos
13
2K
9
7
5
10
L e
9
97
8
1
0
M
335 Matriz diagonal
Matriz diagonal eacute toda matriz quadrada onde aij = 0 para todo i ne j isto eacute os
elementos que natildeo pertencem agrave diagonal principal satildeo iguais a zero
Exemplos
6000
0700
0080
0009
N
300
040
005
O e 10
02P
336 Matriz identidade
Matriz identidade eacute toda matriz diagonal em que os elementos da diagonal principal
satildeo iguais a 1 ou seja aij = 1 para todo i = j e aij = 0 para todo i ne j Uma matriz identidade
de ordem n eacute representada por In
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
22
Exemplos
I2 =10
01 I3 =
100
010
001
e I4 =
1000
0100
0010
0001
337 Matriz triangular superior
Matriz triangular superior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos abaixo
da diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i gtj
Exemplos
9000
6700
2050
3831
Q
900
740
256
R e 10
107S
338 Matriz triangular inferior
Matriz triangular inferior eacute toda matriz quadrada que tem todos os elementos acima da
diagonal principal iguais a zero isto eacute m = n e aij = 0 para todo i lt j
Exemplos
311
051T
9815
016
007
U e
7268
01043
0051
0009
V
34 Igualdade entre matrizes
Duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn satildeo iguais A = B quando satildeo do mesmo tipo
e todos os seus elementos correspondentes satildeo iguais isto eacute aij = bij
Exemplo Considere as matrizes abaixo
46
2250
2
A eB16
45
16
45C
Temos que A = B pois a11= b11 a12= b12 a21= b21 e a22 = b22 Por outro lado B ne C
pois b22 ne c22
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
23
35 Operaccedilotildees com matrizes
351 Adiccedilatildeo
3511 Definiccedilatildeo
Consideremos as tabelas a seguir que descrevem os resultados obtidos numa pesquisa
feita por uma escola para identificar a origem eacutetnica de seus alunos
Tabela 2 - Origem eacutetnica Ensino fundamental
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 280 315
Preta 117 102
Amarela 56 67
Fonte Elaborada pelo autor
Tabela 3 - Origem eacutetnica Ensino meacutedio
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 225 203
Preta 56 69
Amarela 73 88
Fonte Elaborada pelo autor
Se quisermos montar uma tabela que descreva a origem eacutetnica dos alunos dessa escola
apenas pelo gecircnero ou seja independente do niacutevel escolar teremos que somar os elementos
correspondentes das duas tabelas anteriores Escrevendo as matrizes correspondentes a essas
tabelas temos
155129
171173
518505
8873
6956
203225
6756
102117
315280
Assim podemos escrever a tabela a seguir
24
Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
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Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
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Acesso em 16 de abril de 2014
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Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
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Tabela 4 - Origem eacutetnica dos alunos da escola
Origem eacutetnica Meninos Meninas
Branca 505 518
Preta 173 171
Amarela 129 155
Fonte Elaborada pelo autor
Neste exemplo acabamos de aplicar uma operaccedilatildeo com matrizes a adiccedilatildeo
Definiccedilatildeo Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se soma da matriz A
com a matriz B (indica-se A+B) a matriz C = ( cij )mtimesn tal que cij = aij + bij para todo i
e todo j isto eacute cada elemento eacute obtido somando os elementos correspondentes em A e B
Exemplo Dadas as matrizes 6453
71308A e
1753
02123B temos
C = A + B = 71106
73425
167455)3(3
07211320)3(8
3512 Propriedades
As propriedades da adiccedilatildeo de matrizes satildeo semelhantes agraves da adiccedilatildeo de nuacutemeros reais
Quaisquer que sejam as matrizes A B e C do tipo m times n temos
i) (A + B) + C = A + (B + C) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo (A + B) + C = X e A + (B + C) = Y temos
xij = (aij + bij) + cij = aij + (bij + cij) = yij para todo i e todo j
ii) A + B = B + A (comutatividade)
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = X e B + A = Y temos
xij = aij + bij = bij + aij = yij para todo i e todo j
iii) O A + O = A (Existecircncia do elemento neutro)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + O = A temos
aij + oij = aij oij = 0 para todo i e todo j ou seja a matriz nula do tipo mtimesn eacute o
elemento neutro da adiccedilatildeo de matrizes
iv) Arsquo A + Arsquo = O (Existecircncia do elemento simeacutetrico)
Demonstraccedilatildeo Partindo da hipoacutetese que A + Arsquo = O temos
aij + arsquoij = 0 arsquoij = minusaij p todo i e todo j ou seja a simeacutetrica da matriz A para a
adiccedilatildeo eacute a matriz Arsquo na qual cada elemento eacute simeacutetrico do correspondente em A
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
25
3513 Matriz oposta
Denomina-se matriz oposta de uma matriz A = ( aij )mtimesn (indica-se ndashA) a matriz
Arsquo = ( arsquoij )mtimesn tal que A + Arsquo = O isto eacute a matriz cujos elementos satildeo os simeacutetricos dos
elementos correspondentes em A
Exemplos
047
6103
159
047
6103
159
AA e 29
52
29
52BB
3514 Subtraccedilatildeo de matrizes
Dadas duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn denomina-se diferenccedila A ndash B a matriz
resultante da adiccedilatildeo de A com a oposta de B
Exemplo Sejam as matrizes 479
512A e
651
038B temos
651
038
479
512BA
21210
5410
651
038
479
512
352 Multiplicaccedilatildeo de uma matriz por um escalar
3521 Definiccedilatildeo
Dada a matriz 853
426M vamos determinar M + M Temos
16106
8412
853
426
853
426MM
Considerando que M + M = 2M temos
16106
8412
825232
422262
853
42622M
Observamos entatildeo que a multiplicaccedilatildeo de um escalar por uma matriz resulta em uma
nova matriz cujos elementos satildeo obtidos multiplicando o escalar por cada um dos elementos
da matriz dada
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
26
Definiccedilatildeo Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn e um escalar k o produto kA eacute uma matriz
B = ( bij )mtimesn cujos elementos satildeo bij = kaij p todo i e todo j
Exemplo Sejam as matrizes
09
73
41
A e 212408B temos
i)
045
3515
205
05)9(5
7535
45)1(5
5A
ii) 1620422
1)12(
2
14
2
10
2
1)8(
2
1
2
1B
3522 Propriedades
Dadas as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn e os escalares wk temos
i) (k + w)A = kA + wA ( distributividade)
Demonstraccedilatildeo
Seja (k + w)A = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e wA = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = (k+w)aij = (kaij) + (waij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja (k + w)A =
= kA + wA
ii) k(A + B) = kA + kB ( distributividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(A + B) = X = ( xij )mtimesn kA = Y = ( yij )mtimesn e kB = Z = ( zij )mtimesn temos
xij = k(aij + bij) = (kaij) + (kbij) = yij + zij p todo i e p todo j ou seja k(A + B) =
= kA + kB
iii) k(wA) = (kw)A ( associatividade )
Demonstraccedilatildeo
Seja k(wA) = X = ( xij )mtimesn e (kw)A = Y = ( yij )mtimesn temos
xij = k(waij) = (kw)aij = yij p todo i e p todo j ou seja k(wA) = (kw)A
iv) 1 A = A ( existecircncia do elemento neutro )
Demonstraccedilatildeo
Temos 1aij = aij p todo i e p todo j ou seja 1A = A
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
27
353 Multiplicaccedilatildeo de matrizes
3531 Definiccedilatildeo
Veja a situaccedilatildeo a seguir
Durante a primeira fase da Copa do Mundo de futebol realizada no Brasil em 2014 o
grupo A era formado por Brasil Croaacutecia Meacutexico e Camarotildees Observe na tabela os
resultados de cada um desses quatro paiacuteses (nuacutemero de vitoacuterias empates e derrotas)
Tabela 5 - Grupo A (1ordf fase)
Paiacutes Vitoacuterias Empates Derrotas
Brasil 2 1 0
Croaacutecia 1 0 2
Meacutexico 2 1 0
Camarotildees 0 0 3
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz R vamos representar esses resultados
300
012
201
012
R
De acordo com o regulamento da Copa cada vitoacuteria empate e derrota corresponde a
3 pontos 1 ponto e 0 ponto respectivamente Veja a tabela
Tabela 6 - Resultados e pontos correspondentes
Resultado Pontos
Vitoacuteria 3
Empate 1
Derrota 0
Fonte Elaborada pelo autor
Com a matriz P vamos registrar esse fato
0
1
3
P
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
28
Veja como foi verificado o total de pontos feitos por cada seleccedilatildeo apoacutes o teacutermino da
1ordf fase
Brasil 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Croaacutecia 1 3 + 0 1 + 2 0 = 3
Meacutexico 2 3 + 1 1 + 0 0 = 7
Camarotildees 0 3 + 0 1 + 3 0 = 0
Essa pontuaccedilatildeo pode ser registrada numa matriz que eacute resultante da multiplicaccedilatildeo de R
por P
0
7
3
7
031030
001132
021031
001132
0
1
3
300
012
201
012
PR
Note que o Brasil fez 7 pontos a Croaacutecia 3 pontos o Meacutexico 7 pontos e o Camarotildees
natildeo pontuou
Esse exemplo sugere como deve ser feita a multiplicaccedilatildeo de matrizes Veja agora a
definiccedilatildeo matemaacutetica
Definiccedilatildeo Sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp chama-se produto AB a matriz
C = ( cik )mtimesp tal que
Cik = ai1 b1k + ai2 b2k + ai3 b3k + + ain bnk = n
j
jkij ba1
para todo i 1 2 3 m e todo k 1 2 3 p
Observaccedilotildees
a) soacute podemos efetuar a multiplicaccedilatildeo de duas matrizes A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp
se o nuacutemero de colunas da primeira for igual ao nuacutemero de linhas da segunda
Aleacutem disso a matriz C = AB seraacute de ordem m times p
b) o elemento cij (i-eacutesima linha e j-eacutesima coluna da matriz C) eacute obtido multiplicando
os elementos da i-eacutesima linha da primeira matriz pelos elementos correspondentes
da j-eacutesima coluna da segunda matriz e somando estes produtos
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
29
Exemplos
i) Dadas as matrizes
210
59
71
A e 08
43B temos
4046
3613
453
02)4(1082310
0)5()4(98)5(39
07)4)(1(873)1(
08
43
210
59
71
BAC
ii) Dadas as matrizes 2058A e
7
4
1
3
B temos
15)7)(2(401)5()3(8
7
4
1
3
2058BAC
iii) Sejam as matrizes
206
34
511
07
X e
015
520
1025
Y
Natildeo eacute possiacutevel efetuar a multiplicaccedilatildeo X Y pois o nuacutemero de colunas da primeira
matriz eacute diferente do nuacutemero de linhas da segunda matriz
3532 Propriedades
A multiplicaccedilatildeo de matrizes apresenta as seguintes propriedades
i) AIn = A e ImA = A
Demonstraccedilatildeo Sendo A = ( aij )mtimesn In = ( xij )n times n e B = AIn = ( bij )m times n Temos
bij = ai1x1j + ai2x2j + ai3x3j + + aiixii + + ainxnj e como In eacute a matriz identidade
xij = 1 se i = j e xij = 0 se i ne j temos
bij = ai10 + ai20 + ai30 + + aii1 + + ain0 = aii p todo i e todo j
Entatildeo A In = A Analogamente mostra-se que Im A = A
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
30
ii) ( AB )C = A( BC ) (associatividade)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bjk )ntimesp e
C = ( ckl )ptimesr Fazendo D = AB = ( dik )mtimesp E = ( AB )C = ( eil )mtimesr e F = BC = ( fjl )ntimesr
temos
p
k
n
j
kljkijkl
p
k
n
j
jkijkl
p
k
ikil cbacbacde1 11 11
n
j
jlij
p
k
kljk
n
j
ij facba111
Entatildeo ( AB )C = A( BC )
iii) ( A + B )C = AC + BC (distributividade agrave direita em relaccedilatildeo agrave adiccedilatildeo)
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam as matrizes A = ( aij )mtimesn B = ( bij )mtimesn e
C = ( cjk )ntimesp Fazendo D = ( A + B )C = ( dik )mtimesp temos
jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkijjkijjk
n
j
ijijik cbcacbcacbad1111
Entatildeo ( A + B )C = AC + BC
iv) C( A + B ) = CA + CB (distributividade agrave esquerda)
Demonstraccedilatildeo Anaacuteloga a iii)
v) ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Demonstraccedilatildeo Quaisquer que sejam o nuacutemero k e as matrizes A = ( aij )mtimesn
B = ( bjk )ntimesp Fazendo C = kA = ( cij )mtimesn D = kB = ( dik )mtimesp E = AB = ( eik )mtimesp
( Ka )B = ( fik )mtimesp A( Kb ) = ( gik )mtimesp e k( AB ) = ( hik )ntimesp temos
fik = jk
n
j
ijjk
n
j
ij
n
j
jkij bakbakbc111
= hik ou seja ( kA )B = A( kB )
e
gik = n
j
jkij
n
j
jkijjk
n
j
ij bakbkada111
)( = hik ou seja A( kB ) = k( AB )
Entatildeo ( kA )B = A( kB ) = k( AB )
Observaccedilotildees
a) a multiplicaccedilatildeo de matrizes natildeo eacute comutativa isto eacute existem matrizes A e B tais
que AB ne BA Veja
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
31
Se 51
23A e
14
20B entatildeo AB ne BA pois
720
48AB e
1311
102BA
b) se ocorrer AB = BA dizemos que as matrizes A e B comutam Observe
42
13A e
32
14B comutam pois
100
010AB e
100
010BA
c) note ainda que AB = 0 ( matriz nula ) sem que A = 0 ou B = 0 Veja
Se 03
05A e
02
00B entatildeo
00
00AB A ne 0 e B ne 0
36 Matriz transposta
361 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz A = ( aij )mtimesn denomina-se transposta de A a matriz At = ( arsquoji )ntimesm
em que arsquoji = aij para todo i e todo j Isto significa que a matriz At eacute obtida a partir de A
trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas
Exemplo Dadas as matrizes
53
122
08
A e 3517
7964B temos
5120
328tA e
37
59
16
74
tB
362 Propriedades
A matriz transposta apresenta as seguintes propriedades
i) ( At )
t = A para toda matriz A = ( aij )mtimesn
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( At )
t = ( arsquorsquoij )mtimesn resulta
arsquorsquoij = arsquoji = aij para todo i j ou seja ( At )
t = A
ii) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bij )mtimesn entatildeo ( A + B )t = A
t + B
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo A + B = C = ( cij )mtimesn e ( A + B )t = C
t = ( crsquoji )ntimesm temos
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
32
crsquoji = cij = aij + bij =arsquoji + brsquoji para todo i j ou seja ( A + B )t = A
t + B
t
iii) Se A = ( aij )mtimesn e k entatildeo ( kA )t = kA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo ( kA )t = ( arsquorsquoji )ntimesm resulta
arsquorsquoji = kaij = karsquoji para todo i j ou seja ( kA )t = kA
t
iv) Se A = ( aij )mtimesn e B = ( bjk )ntimesp entatildeo ( AB )t = B
tA
t
Demonstraccedilatildeo Fazendo AB = C = ( cik )mtimesp e ( AB )t = C
t = ( crsquoki )ptimesm resulta
111
n
j
jikjij
n
j
jk
n
j
jkijikki ababbacc
363 Matriz simeacutetrica
Denomina-se matriz simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que At = A
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz simeacutetrica entatildeo aij = aji para
todo i e todo j Segue exemplos
7035
0810
3142
50210
W
11115
192
1523
X e 510
105Y
364 Matriz anti-simeacutetrica
Denomina-se matriz anti-simeacutetrica toda matriz quadrada A de ordem n tal que
At = minusA
Decorre da definiccedilatildeo que se A = ( aij )ntimesn eacute uma matriz anti-simeacutetrica entatildeo aij = minusaji
para todo i e todo j
Exemplos
05
50A
017
103
730
B e
0841
8062
4603
1230
C
37 Inversa de uma matriz
371 Definiccedilatildeo
Dada uma matriz quadrada A de ordem n chama-se inversa de A a matriz A-1
de
mesma ordem tal que AA-1
= A-1
A = In
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
33
Quando existe a matriz inversa de A dizemos que A eacute uma matriz inversiacutevel ou natildeo-
singular
372 Teorema
Se A eacute inversiacutevel entatildeo eacute uacutenica a matriz A-1
tal que AA-1
= A-1
A = In
Demonstraccedilatildeo Admitamos que exista uma matriz B tal que AB = BA = In Temos
B = InB = ( A-1
A )B = A-1
( AB ) = A-1
In = A-1
ou seja B = A-1
Exemplos
i) A matriz 72
31A eacute inversiacutevel e
12
371A pois
AA-1
= 210
01
12
37
72
31I e A
-1A =
10
01
72
31
12
372I
ii) Sabendo que a matriz 115
73A eacute inversiacutevel vamos determinar a sua inversa
Fazendo dc
baA 1
temos
10
01
11753
11753
115
732
1
dcdc
baba
dc
baIAA
Pela definiccedilatildeo de igualdade de matrizes temos
2
11
0117
153a
ba
ba e
2
7b Aleacutem disso
2
5
1117
053c
dc
dc e
2
3d
Assim A-1
=
2
3
2
5
2
7
2
11
pois temos tambeacutem
10
01
2
3
2
5
2
7
2
11
115
732
1 IAA
iii) A matriz 84
21A eacute singular (natildeo eacute inversiacutevel) pois se
dc
baA 1
decorre
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
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SITES REFERIDOS
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Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
34
10
01
8484
22
84
21
dbca
dbca
dc
ba
E entatildeo
084
12
ca
ca (impossiacutevel) e
184
02
db
db (impossiacutevel)
Portanto natildeo existem a b c d satisfazendo a definiccedilatildeo
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
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SITES REFERIDOS
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httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
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UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
35
4 ALGUMAS APLICACcedilOtildeES DE MATRIZES
Neste capiacutetulo apresentamos sugestotildees de aplicaccedilotildees para a abordagem de Matrizes
no ensino meacutedio
41 Matrizes e o Controle de traacutefego
As matrizes podem servir de modelo para descrever muitas situaccedilotildees do nosso
cotidiano Veja um exemplo
Um cruzamento de duas ruas de matildeo dupla eacute representado na figura a seguir
Figura 2 - Cruzamento de ruas
Fonte httpobaricentrodamenteblogspotcom
Trecircs conjuntos de semaacuteforos controlam o fluxo de automoacuteveis nos pontos A B e C e o
tempo (em minutos) durante o qual estes semaacuteforos ficam ao mesmo tempo abertos eacute
indicado pelas matrizes S1 S2 e S3 conforme a sequecircncia em que aparecem
Em um primeiro momento ficam abertos (verdes) os semaacuteforos de A para B de A para
C e de B para A durante 1 minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
000
001
110
1
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
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Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
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TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
36
Logo apoacutes durante meio minuto ficam abertos os semaacuteforos de B para A de B para C
e de C para B
CBAPara
C
B
A
De
S
0210
21021
000
2
E por uacuteltimo ficam abertos os semaacuteforos de C para A de C para B e de A para C
durante meio minuto
CBAPara
C
B
A
De
S
02121
000
2100
3
Somando as matrizes S1 S2 e S3 obtemos uma matriz M que indica no periacuteodo de 2
minutos o tempo que cada semaacuteforo fica aberto em cada sentido
CBAPara
C
B
A
De
M
012
12
10
2
11
2
1110
O semaacuteforo de A para C fica aberto durante 1 minuto e meio a cada periacuteodo de 2
minutos por exemplo Se multiplicarmos a matriz M por 30 jaacute que o periacuteodo eacute de 2 minutos
obteremos o tempo em minutos em que cada semaacuteforo fica aberto durante 1 hora
N = 30 M
03015
15045
45300
Supondo que nestas ruas passam ateacute 20 carros por minuto cada vez que os semaacuteforos
abrem multiplicando a matriz N por 20 obteremos a quantidade maacutexima de veiacuteculos que
podem passar no periacuteodo de 1 hora por este cruzamento
0600300
300045
9006000
20 N
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
37
Eacute possiacutevel um engarrafamento nesse cruzamento caso o nuacutemero de veiacuteculos em
algum dos sentidos for maior que a quantidade maacutexima permitida Contudo este imprevisto
pode ser resolvido fazendo uma alteraccedilatildeo nos tempos de abertura dos semaacuteforos ou seja
alterando os valores das matrizes S1 S2 e S3
42 Matrizes e Endocrinologia
A tabela a seguir apresenta a quantidade aproximada de calorias que uma pessoa com
60 kg de massa corporal iraacute perder realizando cada atividade fiacutesica por um periacuteodo de 1 hora
Tabela 7 - Gasto caloacuterico por atividade fiacutesica
Peso Andar de bicicleta Caminhar acelerado Correr a 12 kmh Hidroginaacutestica
60 kg 252 calorias 552 calorias 890 calorias 300 calorias
Fonte Campos 2008
Suponhamos um acompanhamento de uma pessoa com este peso por meio de um
programa com estes exerciacutecios ao longo de uma semana conforme a tabela
Tabela 8 ndash Tempo diaacuterio pra cada atividade (horas)
Dia da semana Andar de
bicicleta
Caminhar
acelerado
Correr a 12
kmh
Hidroginaacutestica
segunda-feira 1 0 0 1
terccedila-feira 0 0 1 0
quarta-feira 05 05 0 0
quinta-feira 0 0 05 15
sexta-feira 05 1 0 0
Fonte Campos2008
Podemos construir uma matriz 4 times 1 com as informaccedilotildees da Tabela 7 e uma matriz
5 times 4 com as informaccedilotildees da tabela 8 Sendo assim para determinarmos quantas calorias esta
pessoa queimaraacute em cada dia de exerciacutecio fiacutesico basta fazer o produto entre essas matrizes
678
895
1016
890
552
30000890005520125250
30051890505520025200
30000890005525025250
30000890015520025200
30001890005520025201
300
890
552
252
00000150
51500000
00005050
00010000
01000001
Logo com este programa de exerciacutecios a pessoa a que nos referimos nesta situaccedilatildeo
queimaraacute 552 calorias na segunda-feira 890 calorias na terccedila-feira 1016 calorias na quarta-
feira 895 calorias na quinta-feira e 678 calorias na sexta-feira
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
38
43 Matrizes e Modelos populacionais
As matrizes satildeo um instrumento importante para a anaacutelise do crescimento
populacional Podemos determinar por exemplo como os grupos etaacuterios eacutetnicos de
determinada populaccedilatildeo de indiviacuteduos se modificam a cada ano
Considera-se o mais simples o caso da populaccedilatildeo homogecircnea com iniacutecio no tempo
t = 0 com um nuacutemero p0 de indiviacuteduos aumentando ou diminuindo a uma taxa anual
constante Isto eacute existe um nuacutemero k tal que depois de 1 ano a populaccedilatildeo seraacute p1 = kp0 apoacutes
2 anos seraacute p2 = kp1 = k2p0 e assim sucessivamente A populaccedilatildeo do ano seguinte eacute definida
simplesmente multiplicando a populaccedilatildeo do ano atual por k Apoacutes n anos a populaccedilatildeo inicial
p0 foi multiplicada pelo fator k n vezes e portanto a populaccedilatildeo pn seraacute dada por
pn = knp0
Caso a populaccedilatildeo esteja subdividida em grupos a populaccedilatildeo pn eacute substituiacuteda por uma
matriz Pn cujos elementos especificam os nuacutemeros de indiviacuteduos nos diferentes grupos O
ldquonuacutemero de transiccedilatildeordquo k eacute entatildeo substituiacutedo pela ldquomatriz de transiccedilatildeo Ardquo tal que a ldquomatriz
populaccedilatildeordquo de cada ano seja multiplicada pela matriz A para se obter a matriz populaccedilatildeo do
ano seguinte
Vejamos um simples exemplo dessa aplicaccedilatildeo
Exemplo A populaccedilatildeo total constante de 500000 pessoas de um municiacutepio eacute dividida entre a
zona urbana e a zona rural Seja Un a populaccedilatildeo da zona urbana e Rn a populaccedilatildeo da zona
rural apoacutes n anos A distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo desse municiacutepio apoacutes n anos eacute descrita pela
matriz populaccedilatildeo
n
n
nR
UP
O nosso objetivo eacute analisar a modificaccedilatildeo das populaccedilotildees urbanas e rurais ao longo de
dois anos
Suponha que a cada ano 15 da populaccedilatildeo da cidade se mudem para a zona rural e
que 10 da populaccedilatildeo rural se mudem para a cidade Entatildeo a populaccedilatildeo da cidade no
proacuteximo ano Un+1 seraacute igual a 85 da populaccedilatildeo da cidade deste ano Un mais 10 da
populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
Un+1 = (085)Un + (010)Rn para qualquer n ge 0 (1)
E a populaccedilatildeo rural no proacuteximo ano Rn+1 seraacute igual a 15 da populaccedilatildeo urbana Un
deste ano mais 90 da populaccedilatildeo rural Rn deste ano de modo que
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
39
Rn+1 = (015)Un + (090)Rn para qualquer n ge 0 (2)
Escrevendo as equaccedilotildees (1) e (2) em forma matricial obtemos
900150
100850
1
1
n
n
n
n
R
U
R
U (3)
A matriz de transiccedilatildeo para este exemplo eacute
900150
100850A
Supondo que as populaccedilotildees iniciais urbana e rural sejam U0 = 350000 e
R0 = 150000 Vamos determinar a distribuiccedilatildeo da populaccedilatildeo deste municiacutepio resultante das
taxas de migraccedilatildeo dadas Para os primeiros dois anos encontramos que
500187
500312
000150
000350
900150
100850
1
1
R
U
e
625215
375284
500187
500312
900150
100850
2
2
R
U
Portanto a populaccedilatildeo urbana estaacute diminuindo e a populaccedilatildeo rural estaacute aumentando
durante este intervalo de tempo
44 Matrizes e Criptografia
A criptografia eacute o conjunto de princiacutepios e teacutecnicas usadas para codificar e decodificar
mensagens utilizando pares de caracteres de modo que apenas os que tecircm acesso agraves
convenccedilotildees combinadas possam lecirc-la evitando assim que tabelas de frequumlecircncia de letras e
outros meacutetodos possibilitem a um decodificador natildeo-amigaacutevel decifraacute-la
Dada uma mensagem para ser codificada o primeiro passo eacute convertecirc-la da forma
alfabeacutetica para a forma numeacuterica Para isso utilizaremos a correspondecircncia indicada no
Quadro 1
Quadro 1 - Correspondecircncia entre letras e nuacutemeros
A B C D E F G H I J K L M N
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14
O P Q R S T U V W X Y Z
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Fonte Elaborado pelo autor
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
40
Esta correspondecircncia pode ser alterada mas para isso eacute necessaacuterio que o remetente e o
destinataacuterio combinem-na antes Para melhor entendimento usamos o siacutembolo para indicar
a inexistecircncia de letras (espaccedilos entre as palavras etc)
Escolhe-se um par de matrizes quadradas A e A-1
tal que AA1 = I = A
-1A cujos
elementos devem ser nuacutemeros inteiros O remetente vai usar a matriz A para codificar a
mensagem e o destinataacuterio vai usar a matriz A-1
para decodificaacute-la
Exemplo 1 Vamos supor que a mensagem a ser transmitida seja ldquoACREDITE EM VOCEcircrdquo e
que as matrizes (codificadora e decodificadora) sejam respectivamente 12
13A e
32
111A
A matriz em que se escreve a mensagem seraacute denominada M e teraacute seus elementos
dispostos em duas linhas pois a matriz codificadora A eacute de ordem 2
282705031522281305
280520090405180301M
Para codificaccedilatildeo da mensagem fazemos o produto AM e chamamos essa matriz de N
282705031522281305
280520090405180301
12
13AMN
843745212332641907
1124265302737822208N
Quando esta mensagem codificada chegar ao destinataacuterio este deveraacute utilizar a matriz
A-1
(matriz decodificadora) para decifrar a mensagem pois
A-1
N = A-1
AM = IM = M
Sendo assim fazendo o produto A-1
N o destinataacuterio iraacute obter a matriz M do remetente
843745212332641907
1124265302737822208
32
111NA
282705031522281305
280520090405180301
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
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2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
41
O passo final de decodificaccedilatildeo eacute
01 03 18 05 04 09 20 05 28 05 13 28 22 15 03 05 27 28
A C R E D I T E E M V O C Ecirc
Veremos a seguir outro exemplo agora utilizando uma matriz de ordem 3
Exemplo 2 Suponhamos que a mensagem a ser transmitida eacute ldquoLICENCIATURA EM
MATEMAacuteTICArdquo Sejam
311
010
201
A e
111
010
2231A
Como as matrizes codificadora e decodificadora satildeo de ordem 3 a matriz M teraacute seus
elementos dispostos em 3 linhas
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
M
Para codificar a mensagem efetuamos a multiplicaccedilatildeo AM para obter
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
313
112
213
AMN
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
N
Quando esta mensagem chegar ao destinataacuterio o mesmo iraacute decifraacute-la calculando o
produto A-1
N Ou seja
142196449107464950117
14144310133763125
1151861408745365597
111
010
2231NA
M
270103092001130520
011328130528011821
200109031405030912
Note que o produto eacute de fato a matriz M enviada pelo remetente portanto a mensagem
codificada eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03
01 27
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
1
y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
2
100
410
101
100
02
2
2
2
02
2
2
2
100
410
101
1
y
x
100
410
101
100
42
2
2
2
12
2
2
2
1
2
2
2
23
1
6
2
100
2
23
2
2
2
2
2
25
2
2
2
2
1
6
2
Logo B seraacute 2
2
2
23
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
42
Logo a mensagem original eacute
12 09 03 05 14 03 09 01 20 21 18 01 28 05 13 28 13 01 20 05 13 01 20 09 03 01 27
L I C E N C I A T U R A E M M A T E M Aacute T I C A
Este meacutetodo pode ser feito de forma raacutepida e automaacutetica por computador aumentando
assim a sua seguranccedila Mas tambeacutem pode ser feito apenas com laacutepis e papel o que
demonstra a sua utilidade Tudo o que precisa ser mantido em sigilo satildeo as matrizes
codificadora e decodificadora
45 Matrizes e Computaccedilatildeo graacutefica
As matrizes tecircm muitas aplicaccedilotildees na computaccedilatildeo graacutefica Se ampliarmos uma
imagem na tela de um computador o maacuteximo possiacutevel iremos perceber que a imagem eacute
formada por pequenos pontos Esses pontos satildeo chamados ldquopixelsrdquo e por incriacutevel que pareccedila
satildeo elementos de uma matriz Por exemplo uma imagem de resoluccedilatildeo 1024 times 768 tecircm
1024 768 = 786432 pixels ordenados em 1024 colunas e 768 linhas Eacute atraveacutes de operaccedilotildees
com matrizes que um programa graacutefico altera a posiccedilatildeo dos pixels que compotildeem uma
imagem fazendo-a girar mudar de posiccedilatildeo ou de escala Na computaccedilatildeo graacutefica isso recebe
o nome de transformaccedilatildeo geomeacutetrica
451 Transformaccedilotildees geomeacutetricas
As transformaccedilotildees geomeacutetricas baacutesicas no plano satildeo rotaccedilatildeo escala e translaccedilatildeo
4511 Rotaccedilatildeo
Figura 3 - Rotaccedilatildeo do triacircngulo ABC de 30deg no sentido anti-horaacuterio em torno da origem
Fonte DANTE 2004 p 223
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
8
4
3
7
5
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
100
00
00
Ey
Ex
E e
100
10
01
Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
1
5
2
100
001
010
100
020
002
100
310
601
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y
x
100
001
010
100
320
602
1
1
4
1
5
2
100
302
620
1
5
2
Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
46
1
6
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101
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02
2
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02
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y
x
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410
101
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Logo B seraacute 2
2
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5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
43
Uma rotaccedilatildeo de α graus de um ponto (xy) em torno da origem no sentido anti-horaacuterio
eacute feita a partir do produto da matriz cos
cos
sen
senR com a matriz
y
xP que resulta
em uma matriz
y
xP a qual indica a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a rotaccedilatildeo
Prsquo = RP
Exemplo Encontrar a nova posiccedilatildeo do ponto (45) apoacutes uma rotaccedilatildeo de 180deg no sentido
anti-horaacuterio em torno da origem
5
4
5
4
10
01
5
4
180cos180
180180cos
sen
sen
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus4minus5)
4512 Escala
Figura 4 - Mudanccedila de escala do triacircngulo ABC em 50
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma mudanccedila de escala de um ponto (xy) em relaccedilatildeo agrave origem usando um fator
multiplicativo Ex para a coordenada x e um fator Ey para a coordenada y se daacute atraveacutes da
multiplicaccedilatildeo da matriz Ey
ExE
0
0 pela matriz
y
xP de modo que P
rsquo = EP
Exemplo Escalar as duas coordenadas do ponto (minus15) em 100
Aumentar 100 eacute multiplicar por 2 Assim Ex = 2 e Ey = 2 Entatildeo
10
2
5
1
20
02
y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus210)
44
4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
11
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y
x
Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
x
Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
0cos
0cos
sen
sen
R
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Ey
Ex
E e
100
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Ty
Tx
T
Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
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Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
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Logo B seraacute 2
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5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
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4513 Translaccedilatildeo
Figura 5 - Translaccedilatildeo do triacircngulo ABC em 2 unidades para a esquerda e 2 unidades para cima
Fonte DANTE 2004 p 223
Uma translaccedilatildeo de um ponto (xy) de Tx unidades para direita na coordenada x e Ty
unidades para cima na coordenada y se daacute por meio da soma das matrizes Ty
TxT e
y
xP da qual resulta uma matriz
y
xP com a nova posiccedilatildeo (x
rsquoy
rsquo) do ponto apoacutes a
translaccedilatildeo Prsquo = T + P
Exemplo Transladar o ponto (minus34) em 7 unidades para cima e 5 unidades para a esquerda
Sendo Tx = minus5 e Ty = 7 temos
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y
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Logo a nova posiccedilatildeo seraacute (minus811)
452 Combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas
A representaccedilatildeo matricial de transformaccedilotildees geomeacutetricas permite a combinaccedilatildeo de
matrizes de rotaccedilatildeo e escala em uma uacutenica matriz A translaccedilatildeo natildeo pode ser combinada com
as demais devido ao fato dessa transformaccedilatildeo natildeo ser efetuada por uma multiplicaccedilatildeo de
matrizes e sim por uma adiccedilatildeo
Com o intuito de fazer com que quaisquer das trecircs transformaccedilotildees sejam realizadas
com multiplicaccedilotildees e assim ser possiacutevel combinaacute-las em uma uacutenica matriz criou-se o
conceito de coordenadas homogecircneas
45
Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
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y
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Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
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Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
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Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
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5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
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REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
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Usando esse conceito um ponto (xy) do plano fica descrito pela matriz
1
y
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Jaacute as
matrizes R de rotaccedilatildeo E de escala e T de translaccedilatildeo ficam respectivamente
100
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Na combinaccedilatildeo de transformaccedilotildees geomeacutetricas com a utilizaccedilatildeo de coordenadas
homogecircneas simplesmente multiplica-se o ponto original pela sequecircncia contraacuteria das
transformaccedilotildees que modificaratildeo o(s) ponto(s) Por exemplo para rotacionar escalar e
transladar um ponto P nessa sequecircncia isto eacute primeiro rotacionar em seguida escalar e por
uacuteltimo transladar deve-se efetuar as seguintes multiplicaccedilotildees Prsquo = TERP
Exemplo 1 Dado o ponto (25) para primeiro rotacionaacute-lo em 90deg no sentido anti-horaacuterio
depois escalar as suas coordenadas em 100 e por uacuteltimo transladaacute-lo em 3 unidades para
baixo e 6 para a direita efetuam-se as seguintes multiplicaccedilotildees
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Logo as novas coordenadas do ponto P seratildeo (minus41)
Exemplo 2 Girar em 45ordm no sentido horaacuterio o segmento AB em torno do ponto A sabendo
que A(14) e B(26)
Como o ponto A natildeo eacute a origem deve-se primeiro transladar o segmento AB para
ArsquoBrsquo de tal forma que Arsquo(00) Depois rotaciona-se o ponto Brsquo e por uacuteltimo translada-se o
segmento devolvendo o ponto Arsquo para a coordenada original
Sendo assim as novas coordenadas do ponto B seratildeo obtidas de
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A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
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REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
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5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
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REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
SITES REFERIDOS
SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
47
5 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
A pesquisa referente agrave histoacuteria das matrizes revela o surpreendente fato alegado pelo
matemaacutetico inglecircs Arthur Cayley das matrizes terem surgido depois dos determinantes visto
que estes jaacute eram usados haacute muito tempo na resoluccedilatildeo de sistemas de equaccedilotildees lineares
embora que pela loacutegica a ideia de matriz preceda a de determinante
Revisar a teoria das matrizes possibilita uma maior compreensatildeo de suas definiccedilotildees
conceitos formas de representaccedilatildeo tipos operaccedilotildees baacutesicas e tambeacutem de suas propriedades
atraveacutes das demonstraccedilotildees
A elaboraccedilatildeo deste trabalho exigiu cautela Foram feitas diversas pesquisas para obter
aplicaccedilotildees claras apropriadas e de faacutecil entendimento para o aluno pois para modelar
algumas eacute necessaacuterio o conhecimento de teorias mais aprofundadas sobre matrizes como a
aacutelgebra linear Sendo o enfoque deste trabalho no ensino meacutedio foi preciso a utilizaccedilatildeo de
uma linguagem adequada a esse niacutevel de ensino respeitando o rigor matemaacutetico
Uma possiacutevel proposta de continuidade a esse trabalho seria o estudo de como o uso
de aplicaccedilotildees de matrizes influencia na aprendizagem deste conteuacutedo o que iria comprovar de
fato algumas das hipoacuteteses levantadas neste
Espera-se que as ideias aqui apresentadas promovam discussotildees e reflexotildees acerca do
estudo de matrizes no ensino meacutedio e que assim o professor possa construir a teoria matricial
recorrendo a aplicaccedilotildees atraveacutes de exemplos praacuteticos contextualizados ou ateacute mesmo da
menccedilatildeo em forma de histoacuteria
48
REFEREcircNCIAS
BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
lthttpwwwmackenziebrfileadminGraduacaoEEProducao2008intertech-
criptografia_1_pdfgt
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SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
httpobaricentrodamenteblogspotcombr201106matrizes-e-o-controle-de-trafegohtml
Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014
48
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BOLDRINI Joseacute Luiz COSTA Sueli Rodrigues Aacutelgebra linear 3 ed Satildeo Paulo Harbra
1980
BOYER C Histoacuteria da matemaacutetica 2 ed Trad Elza Gomide Satildeo Paulo Edgard Blucher
1996
CAMPOS Cristiani dos Santos Tratamento da diabetes uma aplicaccedilatildeo de matrizes
Jandaia do Sul 2008 23 p Artigo Universidade Estadual de Londrina
DANTE Luiz Roberto Matemaacutetica 1 ed Satildeo Paulo Aacutetica 2004
EVES Howard Introduccedilatildeo agrave histoacuteria da matemaacutetica Trad Hygino H Domingues
Campinas SP Editora da Unicamp 2004
IEZZI Gelson HAZZAN Samuel Fundamentos de matemaacutetica elementar 4 sequecircncias
matrizes determinantes sistemas 7 ed Satildeo Paulo Atual 2004
KRAIESKI Protasio Abordagem de matrizes no ensino meacutedio uma avaliaccedilatildeo criacutetica
atraveacutes dos livros didaacuteticos com sugestotildees de aplicaccedilotildees Florianoacutepolis 1999 82 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
KUERTEN Cristini Algumas aplicaccedilotildees de matrizes Florianoacutepolis 2002 67 p
Monografia (Licenciatura em Matemaacutetica) Centro de Ciecircncias Fiacutesicas e Matemaacutetica
Universidade Federal de Santa Catarina
NIETO Solange dos Santos LOPES Ceacutelia M Carvalho SILVA Alcides Ferreira da
Criptografia uma aplicaccedilatildeo de aacutelgebra linear Disponiacutevel em
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criptografia_1_pdfgt
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SURGIMENTO DA TEORIA DAS MATRIZES
httpwwwmatufrgsbr~portosilpassa3bhtml
Acesso em 16 de abril de 2014
UMA BREVE HISTOacuteRIA DAS MATRIZES E DETERMINANTES
httpfatosmatematicosblogspotcombr201110uma-breve-historia-das-matrizes-ehtml
Acesso em 16 de abril de 2014
MATRIZES E O CONTROLE DE TRAacuteFEGO
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Acesso em 02 de maio de 2014
TRANSFORMACcedilOtildeES GEOMEacuteTRICAS
httpwwwinfpucrsbr~pinhoCGAulasVis2dInstanciamentoInstanciamentohtm
Acesso em 08 de junho de 2014