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Álgebra (71) · Unidad 4 — Matrices, determinantes e insumo-producto

Matrices como modelo: tablas, encuestas y grafos

Una tabla de datos es una matriz, y las cuentas que se hacen con ella son productos: multiplicar por una columna de unos suma cada fila, por una fila de unos suma cada columna, y por un vector de precios o de pesos da totales. La matriz de un grafo de rutas cuenta, al elevarla al cuadrado, los viajes con una escala.

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La explicación

Una tabla es una matriz

Un estudio contable factura a tres clientes en tres trimestres (en miles de pesos), y en el tercero cada cliente pagó un 10 % más que en el segundo:

        T1 T2 T3
c1 ( 40 50 55 )
c2 ( 30 20 22 )
c3 ( 60 70 77 )

La tercera columna es 1,1 por la segunda. Filas = clientes, columnas = trimestres: conviene decirlo siempre, porque de eso depende de qué lado se multiplica.

Sumar filas, sumar columnas, sumar todo

A·u, con u la columna de unos (tantos como columnas de A): suma cada fila. Acá, el total por cliente: (145, 72, 207).
u·A, con u la fila de unos (tantos como filas): suma cada columna. Acá, el total por trimestre: (130, 140, 154).
u·A·u, con una fila de unos a la izquierda y una columna a la derecha: el total general, 424.

Los tamaños deciden todo: A es de 3×3, así que la columna de la derecha tiene 3 unos y el resultado es de 3×1 (una columna, un número por cliente).

Precios, pesos y porcentajes

Si Q tiene las cantidades (filas = sucursales, columnas = productos) y p es la columna de precios, Q·p da lo recaudado por sucursal: cada fila de cantidades por la columna de precios. Con p − c (precio menos costo) da la ganancia. Un puntaje funciona igual: resultados por fila y los puntos de cada resultado en una columna.

En una encuesta, si la columna j de P tiene los porcentajes de respuesta del grupo j (sumando 1) y N es la columna con la cantidad de gente de cada grupo, P·N da cuántas personas eligen cada respuesta: cada porcentaje queda multiplicado por la cantidad de su propio grupo.

Un porcentaje que cambia es una multiplicación

Si el mes siguiente todas las cantidades crecen un 10 %, la matriz nueva es 1,1·Q, y como el número sale afuera del producto, (1,1·Q)·p = 1,1·(Q·p): alcanza con multiplicar los resultados por 1,1. Si en cambio sube el precio de un solo producto, cambia una coordenada de p y hay que rehacer la cuenta, o sumarle Q por la columna de los aumentos.

Grafos: la matriz de rutas y sus potencias

Si hay n ciudades, la matriz M ∈ ℝn×n tiene mij = 1 si hay una ruta directa de la ciudad i a la j, y 0 si no. Los unos de la fila i son las rutas que salen de i; los de la columna j, las que llegan a j. M no tiene por qué ser simétrica: ir de i a j no dice nada de volver.

(M²)ij = mi1m1j + … + minmnj

Cada término mikmkj vale 1 exactamente cuando se puede ir de i a k y de k a j. Así, (M²)ij cuenta los viajes de i a j con una escala; M³ cuenta los de dos escalas, y M + M² los de a lo sumo una escala. En la diagonal, (M³)ii cuenta las vueltas de tres tramos que salen de i y vuelven a i.

El control que conviene hacer siempre

Escribí los tamaños y el significado de filas y columnas antes de multiplicar, y controlá un número con el sentido común: el total por cliente sumado da lo mismo que el total por trimestre sumado. En un grafo, contá un (M²)ij con el dedo sobre el dibujo.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Con la tabla del estudio contable de la teoría (clientes por filas, trimestres por columnas), escribir qué productos dan el total por cliente, el total por trimestre y el total general, y calcularlos.

Por cliente: A es de 3×3; la columna de unos va a la derecha y tiene 3 unos.

A·(1, 1, 1) = (40+50+55, 30+20+22, 60+70+77)
              = (145, 72, 207)

Por trimestre: la fila de unos a la izquierda.

(1 1 1)·A = (130, 140, 154)

Total: (1 1 1)·A·(1, 1, 1) = 145 + 72 + 207 = 424 (miles de pesos).

Control: 130 + 140 + 154 = 424, lo mismo por el otro lado ✔. Y el 10 %: el tercer trimestre suma 154 = 1,1·140 ✔, porque cada número de la columna 3 es 1,1 veces el de la columna 2.

Dónde se pierde el punto: poner la columna de unos a la izquierda: (3×1)·(3×3) no encaja. Y si la matriz no fuera cuadrada, poner la cantidad de unos equivocada.

Y uno del nivel del parcial

Una consultora preguntó con qué medio de pago prefieren pagar a tres franjas de edad. Menores de 30: 20 % efectivo, 30 % débito, 50 % billetera virtual. De 30 a 60: 30 %, 40 % y 30 %. Mayores de 60: 60 %, 30 % y 10 %. En el padrón de clientes hay 4000 menores de 30, 5000 de 30 a 60 y 1000 mayores de 60. Estimar cuántos clientes prefieren cada medio.

Las matrices: P con los medios por filas y las franjas por columnas (cada columna suma 1), y N la columna de cantidades por franja.

P = ( 0,2 0,3 0,6 )
       ( 0,3 0,4 0,3 )
       ( 0,5 0,3 0,1 )
N = (4000, 5000, 1000)

P·N, fila por columna: cada porcentaje queda multiplicado por la cantidad de su franja.

efectivo: 800 + 1500 + 600 = 2900
débito: 1200 + 2000 + 300 = 3500
billetera: 2000 + 1500 + 100 = 3600

Se estiman 2900 que prefieren efectivo, 3500 débito y 3600 billetera virtual.

Control: 2900 + 3500 + 3600 = 10000, el total del padrón ✔ (pasa porque cada columna de P suma 1).

Dónde se pierde el punto: armar P con las franjas por filas y multiplicar igual. Entonces cada porcentaje queda multiplicado por la cantidad de otra franja, y el total ya no da 10000.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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