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¿Cuándo existe LU y por qué compensa?

04 nov, 2026 Paco Álvarez Física SistemasLineales
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Álgebra · Tema 2 · Post 12 · Bloque E

Para bajar por una escalera de mano sin saltar, no puede faltar ningún peldaño. Si falta uno, tienes que dar un rodeo. La eliminación de Gauss es esa escalera: cada pivote es un peldaño, y la LU existe si puedes bajar hasta el final sin intercambiar filas. Hoy veremos cómo saber de antemano si falta algún peldaño (hay un criterio con determinantes), qué rodeo se da cuando falta (\(PA=LU\)) y, sobre todo, por qué todo este esfuerzo compensa: contaremos las operaciones.

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REPETIR GAUSS FRENTE A FACTORIZAR UNA VEZ · n = 1000 veces más multiplicaciones (misma matriz, distintos B) 0 50 100 150 200 250 ×1 1 sistema ×9,7 10 sistemas ×77 100 sistemas ×251 1000 sistemas con un solo sistema da igual; con muchos, la LU gana por goleada

Con una matriz \(1000\times1000\), resolver un sistema cuesta lo mismo con Gauss que con LU. Pero si hay que resolver 100 sistemas con la misma matriz, repetir Gauss cada vez cuesta unas 77 veces más multiplicaciones que factorizar una vez y reutilizar. Con 1000 sistemas, unas 251 veces más. Las cuentas están más abajo.

En el post anterior dejamos dos preguntas abiertas. La primera: ¿qué matrices tienen LU? Vimos que \(\begin{pmatrix}0 & 1\\ 1 & 1\end{pmatrix}\) no la tiene, aunque es invertible. La segunda: ¿cuánto se ahorra de verdad? Dijimos «del orden de \(n^3\) frente a \(n^2\)», y hoy lo precisamos.

Existencia

Los menores principales deciden

Los menores principales de una matriz \(A\) de orden \(n\) son los determinantes de sus esquinas superiores izquierdas:

\[\begin{gathered}\Delta_1=a_{11},\quad\Delta_2=\begin{vmatrix}a_{11} & a_{12}\\ a_{21} & a_{22}\end{vmatrix},\\ \dots,\quad\Delta_n=\det A.\end{gathered}\]
Teorema · Existencia de la LU

Sea \(A\) una matriz cuadrada invertible. Son equivalentes:

  1. \(A\) tiene factorización LU.
  2. \(A\) se puede escalonar con Gauss sin intercambiar filas.
  3. \(\Delta_k\neq0\) para todo \(k=1,\dots,n\).

Y en ese caso, los pivotes son \(u_{11}=\Delta_1\) y \(u_{kk}=\dfrac{\Delta_k}{\Delta_{k-1}}\) para \(k\ge2\).

Por qué. \((2)\Rightarrow(1)\) es la receta del post 11. Para las otras dos implicaciones hay una observación clave: la esquina \(k\times k\) de \(LU\) es el producto de las esquinas \(k\times k\) de \(L\) y de \(U\). Es porque el elemento \((i,j)\) de \(LU\) es \(\sum_m\ell_{im}u_{mj}\), y \(\ell_{im}=0\) si \(m>i\): para \(i,j\le k\) solo intervienen índices \(m\le k\).

  • \((1)\Rightarrow(3)\): si \(A=LU\), entonces \(\Delta_k=\det L_k\det U_k=1\cdot u_{11}\cdots u_{kk}\). Como \(\det A=u_{11}\cdots u_{nn}\neq0\), ningún \(u_{ii}\) es cero, así que ningún \(\Delta_k\) lo es.
  • \((3)\Rightarrow(2)\): supón que ya has hecho \(k-1\) pasos de Gauss sin intercambios. Las operaciones \(f_i-\ell f_j\) con \(j<i\) no cambian los menores principales (dentro de la esquina \(k\times k\), solo suman a una fila un múltiplo de otra de más arriba). Y tras esos pasos, la esquina \(k\times k\) es triangular, con diagonal \(u_{11},\dots,u_{kk}\). Así que \(\Delta_k=u_{11}\cdots u_{kk}\), es decir, \(u_{kk}=\Delta_k/\Delta_{k-1}\neq0\). El siguiente pivote nunca es cero. \(\blacksquare\)
Ejemplo 1 · El criterio en acción

¿Tienen LU \(A=\begin{pmatrix}2 & 1 & 1\\ 4 & 3 & 3\\ -2 & 1 & 4\end{pmatrix}\) y \(C=\begin{pmatrix}1 & 2 & 3\\ 2 & 4 & 5\\ 1 & 3 & 4\end{pmatrix}\)?

1
\(A\) (la del post 11): \(\Delta_1=2\), \(\Delta_2=6-4=2\), \(\Delta_3=\det A=6\). Todos no nulos: tiene LU. Y los pivotes son \(2\), \(\tfrac22=1\) y \(\tfrac62=3\): exactamente la diagonal de la \(U\) que calculamos allí.
2
\(C\): \(\Delta_1=1\), pero \(\Delta_2=4-4=0\). No tiene LU, aunque es invertible: \(\det C=1(16-15)-2(8-5)+3(6-4)=1\neq0\).
3
Lo que pasa con Gauss en \(C\): \(f_2-2f_1\) da \((0,0,-1)\), y aparece un cero justo en la posición del segundo pivote. El criterio lo había anunciado sin escalonar nada.

¿Y si \(A\) no es invertible? El teorema habla de matrices invertibles. Una matriz singular puede tener LU o no. Por ejemplo, la del ejercicio 11.7 con \(a=2\) la tiene, con un cero en el último pivote de \(U\). Para resolver sistemas, lo que interesa es el caso invertible.

El rodeo

Cuando falta un peldaño: \(PA=LU\)

Una matriz de permutación \(P\) es la identidad con las filas reordenadas. Multiplicar \(PA\) reordena las filas de \(A\) de la misma forma. Por ejemplo, \(P=\begin{pmatrix}0 & 1 & 0\\ 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1\end{pmatrix}\) intercambia las filas 1 y 2.

Teorema · Factorización con permutación

Para toda matriz cuadrada invertible \(A\) existe una matriz de permutación \(P\) tal que \(PA\) tiene factorización LU:

\[PA=LU.\]

La idea es simple: Gauss siempre puede seguir intercambiando filas (si \(A\) es invertible, siempre hay un elemento no nulo por debajo del pivote que falta). Si sabes de antemano qué intercambios vas a necesitar, los haces todos al principio, y la matriz resultante \(PA\) ya se escalona sin intercambios.

Cómo se usa: \(AX=B\iff PAX=PB\iff LUX=PB\). Es decir, se reordenan las componentes de \(B\) igual que las filas, y después se resuelve como siempre. Y para el determinante: cada intercambio cambia el signo, así que \(\det A=(-1)^s\,u_{11}\cdots u_{nn}\), donde \(s\) es el número de intercambios.

Truco práctico. No hace falta adivinar los intercambios. Escalona normalmente apuntando multiplicadores y, si en algún momento intercambias dos filas, intercambia también los multiplicadores que ya hubieras apuntado en esas dos filas. Al final, \(P\) recoge todos los intercambios hechos.

Ejemplo 2 · Arreglando la matriz \(C\)

Calcula \(PC=LU\) para \(C=\begin{pmatrix}1 & 2 & 3\\ 2 & 4 & 5\\ 1 & 3 & 4\end{pmatrix}\).

1
Primera columna. \(f_2-2f_1\) y \(f_3-f_1\), con \(\ell_{21}=2\) y \(\ell_{31}=1\). Las filas 2 y 3 quedan \((0,0,-1)\) y \((0,1,1)\).
2
Intercambio. El segundo pivote es 0, así que intercambiamos las filas 2 y 3, y también sus multiplicadores: ahora \(\ell_{21}=1\) y \(\ell_{31}=2\). La matriz ya es triangular, \(U=\begin{pmatrix}1 & 2 & 3\\ 0 & 1 & 1\\ 0 & 0 & -1\end{pmatrix}\), y \(\ell_{32}=0\).
3
Resultado. \(P\) intercambia las filas 2 y 3, y \[\begin{aligned}PC&=\begin{pmatrix}1 & 2 & 3\\ 1 & 3 & 4\\ 2 & 4 & 5\end{pmatrix}\\ &=\begin{pmatrix}1 & 0 & 0\\ 1 & 1 & 0\\ 2 & 0 & 1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1 & 2 & 3\\ 0 & 1 & 1\\ 0 & 0 & -1\end{pmatrix}.\end{aligned}\] Con un intercambio, \(\det C=(-1)^1\cdot(1\cdot1\cdot(-1))=1\). Coincide con lo calculado antes ✔.
Ejemplo 3 · Resolver con \(PA=LU\)

Resuelve \(AX=(3,2,9)^t\) con \(A=\begin{pmatrix}0 & 2 & 1\\ 1 & 1 & 0\\ 2 & 4 & 3\end{pmatrix}\).

1
Factorización. \(\Delta_1=0\): hay que permutar desde el primer paso. Intercambiamos las filas 1 y 2, y \(PA=\begin{pmatrix}1 & 1 & 0\\ 0 & 2 & 1\\ 2 & 4 & 3\end{pmatrix}\). Con \(f_3-2f_1\) queda \((0,2,3)\), y con \(f_3-f_2\), \((0,0,2)\): \[L=\begin{pmatrix}1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0\\ 2 & 1 & 1\end{pmatrix},\]\[U=\begin{pmatrix}1 & 1 & 0\\ 0 & 2 & 1\\ 0 & 0 & 2\end{pmatrix}.\]
2
Reordenar \(B\) igual que las filas: \(PB=(2,3,9)\).
3
\(LY=PB\): \(y_1=2\), \(y_2=3\), \(y_3=9-4-3=2\). \(UX=Y\): \(x_3=1\), \(2x_2=3-1\), así que \(x_2=1\), y \(x_1=2-1=1\).
Solución: \((1,1,1)\). Comprobación en el sistema original: \(0+2+1=3\) ✔, \(1+1+0=2\) ✔, \(2+4+3=9\) ✔. Y \(\det A=-1\cdot2\cdot2=-4\).

Intercambiar también cuando no hace falta

Hay una razón más para permutar, y es la que usan todos los programas: los ordenadores redondean. Un pivote muy pequeño, aunque no sea cero, obliga a usar multiplicadores enormes, y los errores de redondeo se disparan. La solución habitual es el pivoteo parcial: en cada columna se sube a la posición del pivote el elemento de mayor valor absoluto.

Ejemplo 4 · Un ordenador de juguete

Resuelve \(\begin{cases}0{,}0001\,x+y=1\\ x+y=2\end{cases}\) redondeando cada resultado a 3 cifras significativas.

La solución exacta es \(x=\tfrac{10000}{9999}\approx1{,}0001\) e \(y\approx0{,}9999\). Redondeadas a 3 cifras, las dos valen \(1{,}00\).

1
Sin intercambiar. El multiplicador es \(1/0{,}0001=10000\). La segunda ecuación queda \((1-10000)\,y=2-10000\), es decir, \(-9999\,y=-9998\). Con 3 cifras, los dos números se redondean a \(-10000\), así que \(y=1{,}00\). Y entonces \(x=\dfrac{1-y}{0{,}0001}=\dfrac{0}{0{,}0001}=0\). ¡\(x=0\), cuando la respuesta correcta es 1!
2
Con pivoteo parcial. El elemento mayor de la primera columna es el 1, así que intercambiamos. El multiplicador es \(0{,}0001\), y la segunda ecuación queda \((1-0{,}0001)\,y=1-0{,}0002\). Con 3 cifras, \(1{,}00\,y=1{,}00\), así que \(y=1{,}00\) y \(x=2-1=1{,}00\). Correcto.

El problema no era que \(A\) fuese mala (\(\det A\approx-1\), está lejos de ser singular), sino el orden de las operaciones. Con el pivote pequeño, el error al redondear \(y\) se multiplica por \(10000\) al despejar \(x\).

El coste

Contando multiplicaciones

Contamos multiplicaciones y divisiones, que es lo tradicional. Las sumas y restas son aproximadamente tantas como multiplicaciones, así que, si las cuentas también, todo se multiplica por 2 y las conclusiones no cambian.

Factorizar: \(\frac{n^3-n}{3}\)

En el paso \(k\) de Gauss hay \(n-k\) filas por debajo del pivote. Para cada una hay que calcular su multiplicador (1 división) y actualizar los \(n-k\) elementos que quedan a la derecha (\(n-k\) multiplicaciones). En total, \((n-k)(n-k+1)\) operaciones en el paso \(k\). Sumando y llamando \(j=n-k\):

\[\sum_{j=1}^{n-1}j(j+1)=\frac{(n-1)\,n\,(n+1)}{3}=\frac{n^3-n}{3}\approx\frac{n^3}{3}.\]

(La fórmula de la suma la demuestras en el ejercicio 12.6.)

Cada \(B\): \(n^2\)

  • \(LY=B\): en la fila \(i\) hay \(i-1\) multiplicaciones (no hay división, porque la diagonal de \(L\) son unos). Total: \(\frac{n(n-1)}{2}\).
  • \(UX=Y\): en la fila \(i\) hay \(n-i\) multiplicaciones y 1 división. Total: \(\frac{n(n+1)}{2}\).

Sumando: \(\frac{n(n-1)}{2}+\frac{n(n+1)}{2}=n^2\). Y Gauss completo para un sistema cuesta lo mismo que factorizar más una resolución: \(\frac{n^3-n}{3}+n^2\).

Con \(k\) sistemas de la misma matriz

\[\begin{aligned}\text{Gauss cada vez:}&\quad k\left(\tfrac{n^3-n}{3}+n^2\right)\\ \text{LU una vez:}&\quad \tfrac{n^3-n}{3}+k\,n^2\end{aligned}\]

Con \(n=1000\), factorizar cuesta unos \(3{,}3\cdot10^8\) multiplicaciones y cada \(B\) solo \(10^6\). De ahí salen los cocientes del dibujo inicial: con \(k=100\), \(3{,}34\cdot10^{10}\) frente a \(4{,}33\cdot10^8\), unas 77 veces menos.

FACTORIZAR LU

\(\approx n^3/3\)

Una sola vez por matriz. Después, cada \(B\) cuesta \(n^2\).

CALCULAR \(A^{-1}\)

\(\approx n^3\)

Unas tres veces más que la LU. Y después, \(A^{-1}B\) cuesta también \(n^2\): no gana nada, y es más sensible al redondeo.

CRAMER

\(\approx n^4/3\)

\(n+1\) determinantes, cada uno calculado con Gauss. Con cofactores, sería del orden de \(n!\): impracticable ya con \(n=20\) (\(20!\approx2{,}4\cdot10^{18}\)).

Para hacerse una idea, imagina un ordenador que hiciera mil millones (\(10^9\)) de multiplicaciones por segundo, y \(n=1000\). La LU tardaría unas tres décimas de segundo, y cada \(B\) nuevo, una milésima. Cramer con determinantes por Gauss, unos \(\tfrac{10^{12}/3}{10^9}\approx333\) segundos, más de cinco minutos. Y Cramer con cofactores necesitaría del orden de \(1000!\) operaciones, un número de más de 2500 cifras: ni con todos los ordenadores del mundo durante la edad del universo.

¿Dónde aparece en física?

Cuando \(n\) es de verdad grande

  • SimulaciónMillones de incógnitasCuando se discretiza un problema físico (una estructura, un fluido, un campo eléctrico), salen sistemas con muchísimas incógnitas. Ahí la diferencia entre \(n^3\) y \(n^2\) es la diferencia entre posible e imposible.
  • Matrices bandaAprovechar los cerosEn esos problemas cada incógnita solo se relaciona con sus vecinas, y la matriz tiene casi todo ceros. Si los elementos no nulos están a distancia como mucho \(b\) de la diagonal, Gauss sin intercambios no rellena fuera de esa banda, y la LU cuesta del orden de \(n\,b^2\) en lugar de \(n^3\) (ejercicio 12.8).
  • Cálculo numéricoPivoteoLos programas de cálculo científico resuelven sistemas generales con \(PA=LU\) y pivoteo parcial, precisamente por el problema del redondeo del ejemplo 4.
Practica tú

Ocho ejercicios sobre existencia y coste

Intenta cada uno sin abrir nada. Si te atascas, abre la pista. La solución, solo al final.

BásicoMedioExamen
BásicoEJERCICIO 12.1

¿Tiene LU?

Usa los menores principales para decidir si cada matriz tiene LU:

a) \(\begin{pmatrix}2 & -1 & 3\\ 4 & 1 & 1\\ -2 & 3 & 5\end{pmatrix}\) b) \(\begin{pmatrix}1 & 1 & 1\\ 1 & 1 & 2\\ 1 & 2 & 3\end{pmatrix}\) c) \(\begin{pmatrix}3 & 1\\ 6 & 2\end{pmatrix}\)
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Calcula \(\Delta_1\), \(\Delta_2\) y \(\Delta_3\). En c), ¿es invertible? ¿Se aplica el teorema?

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a) \(\Delta_1=2\), \(\Delta_2=2+4=6\), \(\Delta_3=68\). Todos no nulos: sí. Pivotes: \(2\), \(3\) y \(\tfrac{68}{6}=\tfrac{34}{3}\).

b) \(\Delta_1=1\), \(\Delta_2=0\), \(\Delta_3=-1\). Es invertible y \(\Delta_2=0\): no.

c) \(\det=0\): no es invertible y el teorema no se aplica. De hecho, sí tiene LU: \(f_2-2f_1\) da \(U=\begin{pmatrix}3 & 1\\ 0 & 0\end{pmatrix}\) y \(L=\begin{pmatrix}1 & 0\\ 2 & 1\end{pmatrix}\). El cero aparece en el último pivote, cuando ya no hay nada que anular.

BásicoEJERCICIO 12.2

Pivotes sin escalonar

De una matriz \(3\times3\) sabes que sus menores principales son \(\Delta_1=2\), \(\Delta_2=6\) y \(\Delta_3=-12\). Sin conocer la matriz, ¿tiene LU? ¿Cuál es la diagonal de \(U\)? ¿Y \(\det A\)?

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\(u_{kk}=\Delta_k/\Delta_{k-1}\).

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Todos no nulos (y \(\det A=\Delta_3\neq0\)): tiene LU. Pivotes: \(u_{11}=2\), \(u_{22}=\tfrac62=3\) y \(u_{33}=\tfrac{-12}{6}=-2\). \(\det A=\Delta_3=-12=2\cdot3\cdot(-2)\) ✔.

MedioEJERCICIO 12.3

LU con parámetro

Sea \(A=\begin{pmatrix}1 & 2 & 0\\ 2 & a & 1\\ 0 & 1 & 1\end{pmatrix}\). a) ¿Para qué valores de \(a\) es invertible y tiene LU? b) Para \(a=4\), ¿es invertible? Calcula una factorización \(PA=LU\).

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a) \(\Delta_2=a-4\) y \(\Delta_3=\det A=a-5\). b) Con \(a=4\), el segundo pivote es cero.

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a) \(\Delta_1=1\), \(\Delta_2=a-4\) y \(\Delta_3=1\cdot(a-1)-2\cdot(2-0)=a-5\). Invertible con LU si y solo si \(a\neq4\) y \(a\neq5\).

b) \(\det A=4-5=-1\neq0\): invertible, pero sin LU. Con \(f_2-2f_1\), la fila 2 queda \((0,0,1)\): pivote cero. Intercambiamos las filas 2 y 3 (y su multiplicador, que pasa a la fila 3):

\[PA=\begin{pmatrix}1 & 2 & 0\\ 0 & 1 & 1\\ 2 & 4 & 1\end{pmatrix},\]\[L=\begin{pmatrix}1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0\\ 2 & 0 & 1\end{pmatrix},\]\[U=\begin{pmatrix}1 & 2 & 0\\ 0 & 1 & 1\\ 0 & 0 & 1\end{pmatrix}.\]

Comprobación del determinante: \(\det A=(-1)^1\cdot1\cdot1\cdot1=-1\) ✔.

MedioEJERCICIO 12.4

Resolver con permutación

Calcula \(PA=LU\) para \(A=\begin{pmatrix}0 & 1 & 1\\ 2 & 1 & 0\\ 1 & 1 & 1\end{pmatrix}\) y resuelve \(AX=(2,3,3)^t\).

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\(\Delta_1=0\). Intercambia las filas 1 y 2, y no olvides reordenar también \(B\).

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Con \(P\) intercambiando las filas 1 y 2, \(PA=\begin{pmatrix}2 & 1 & 0\\ 0 & 1 & 1\\ 1 & 1 & 1\end{pmatrix}\). Con \(f_3-\tfrac12f_1\) queda \((0,\tfrac12,1)\), y con \(f_3-\tfrac12f_2\), \((0,0,\tfrac12)\):

\[L=\begin{pmatrix}1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0\\ \tfrac12 & \tfrac12 & 1\end{pmatrix},\]\[U=\begin{pmatrix}2 & 1 & 0\\ 0 & 1 & 1\\ 0 & 0 & \tfrac12\end{pmatrix}.\]

\(PB=(3,2,3)\). \(LY=PB\): \(y_1=3\), \(y_2=2\), \(y_3=3-\tfrac32-1=\tfrac12\). \(UX=Y\): \(x_3=1\), \(x_2=2-1=1\), \(2x_1=3-1\), así que \(x_1=1\). \(X=(1,1,1)\).

Comprobación: \(0+1+1=2\) ✔, \(2+1+0=3\) ✔, \(1+1+1=3\) ✔.

MedioEJERCICIO 12.5

Haciendo números

Hay que resolver 50 sistemas con la misma matriz \(100\times100\). Cuenta las multiplicaciones y divisiones: a) repitiendo Gauss cada vez; b) con una LU. c) ¿Cuántas veces más rápida es la LU?

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Con \(n=100\): \(\frac{n^3-n}{3}=333\,300\) y \(n^2=10\,000\).

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a) \(50\cdot(333\,300+10\,000)=17\,165\,000\).

b) \(333\,300+50\cdot10\,000=833\,300\).

c) \(17\,165\,000/833\,300\approx20{,}6\) veces.

MedioEJERCICIO 12.6 · DEMOSTRACIÓN

La suma del coste

Demuestra por inducción que \(\displaystyle\sum_{j=1}^{m}j(j+1)=\frac{m(m+1)(m+2)}{3}\) para todo \(m\ge1\). Deduce que factorizar una matriz \(n\times n\) cuesta \(\frac{n^3-n}{3}\) multiplicaciones y divisiones, y compruébalo contando a mano para \(n=3\).

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Para el paso de inducción, suma \((m+1)(m+2)\) a los dos lados y saca \((m+1)(m+2)\) factor común. Después toma \(m=n-1\).

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Caso \(m=1\): \(1\cdot2=2=\frac{1\cdot2\cdot3}{3}\) ✔.

Paso: si vale para \(m\), entonces \(\sum_{j=1}^{m+1}j(j+1)=\frac{m(m+1)(m+2)}{3}+(m+1)(m+2)=(m+1)(m+2)\left(\frac m3+1\right)=\frac{(m+1)(m+2)(m+3)}{3}\), que es la fórmula para \(m+1\). \(\blacksquare\)

Con \(m=n-1\): \(\frac{(n-1)n(n+1)}{3}=\frac{n^3-n}{3}\).

Para \(n=3\): en el paso 1, dos filas con 1 división y 2 multiplicaciones cada una (6 operaciones). En el paso 2, una fila con 1 división y 1 multiplicación (2 operaciones). Total: 8, y \(\frac{27-3}{3}=8\) ✔.

ExamenEJERCICIO 12.7

El pivote pequeño

Resuelve \(\begin{cases}0{,}0002\,x+y=1\\ x+2y=3\end{cases}\) redondeando cada resultado intermedio a 3 cifras significativas: a) sin intercambiar filas; b) con pivoteo parcial. c) Compara con la solución exacta, \(x\approx1{,}0004\), \(y\approx0{,}9998\).

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a) El multiplicador es \(1/0{,}0002=5000\). Al redondear \(2-5000\) y \(3-5000\) a 3 cifras, ¿qué queda?

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a) La segunda ecuación queda \((2-5000)\,y=3-5000\), es decir, \(-4998\,y=-4997\). Con 3 cifras, los dos se redondean a \(-5000\), así que \(y=1{,}00\). Entonces \(x=\dfrac{1-1{,}00}{0{,}0002}=0\). Totalmente equivocado.

b) Intercambiamos (el 1 es mayor que \(0{,}0002\)). El multiplicador es \(0{,}0002\), y la nueva segunda ecuación es \((1-0{,}0004)\,y=1-0{,}0006\). Con 3 cifras, \(1{,}00\,y=0{,}999\), así que \(y=0{,}999\) y \(x=3-2\cdot0{,}999=3-1{,}998=1{,}002\), que con 3 cifras es \(1{,}00\).

c) Con pivoteo: \(x=1{,}00\) e \(y=0{,}999\). Errores de \(0{,}0004\) y \(0{,}0008\), del tamaño del redondeo. Sin pivoteo, el error en \(x\) es del 100 %.

ExamenEJERCICIO 12.8 · FÍSICA

Una barra con un millón de puntos

Para calcular con precisión la temperatura de una barra (como en el ejercicio 11.8), la dividimos en tantos tramos que hay \(n=10^6\) puntos interiores. La matriz es tridiagonal, con \(2\) en la diagonal y \(-1\) justo encima y justo debajo. a) Si la tratáramos como una matriz cualquiera, ¿cuántas multiplicaciones costaría la LU? b) Demuestra que, aprovechando que es tridiagonal, la LU cuesta \(2(n-1)\) operaciones, y cada sistema \(3n-2\). c) Con un ordenador imaginario de \(10^9\) multiplicaciones por segundo, ¿cuánto tardaría cada opción?

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b) En cada paso de Gauss solo hay una fila que tiene algo debajo del pivote, y en esa fila solo cambia un elemento (el de la diagonal). Y \(L\) y \(U\) son bidiagonales.

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a) \(\frac{n^3-n}{3}\approx\frac{10^{18}}{3}\approx3{,}3\cdot10^{17}\).

b) En el paso \(k\) solo la fila \(k+1\) tiene un elemento no nulo bajo el pivote. Se calcula su multiplicador (1 división) y se actualiza solo su elemento diagonal (1 multiplicación): el de su derecha no cambia, porque encima de él, en la fila \(k\), hay un cero. Son 2 operaciones por paso y \(n-1\) pasos: \(2(n-1)\). Para cada \(B\), \(LY=B\) tiene 1 multiplicación por fila salvo la primera (\(n-1\) en total), y \(UX=Y\) tiene 1 división por fila y 1 multiplicación por fila salvo la última (\(2n-1\)). Total: \(3n-2\). \(\blacksquare\)

c) Matriz general: \(3{,}3\cdot10^{17}/10^9\approx3{,}3\cdot10^8\) segundos, unos diez años y medio. Tridiagonal: unos \(2\cdot10^6+3\cdot10^6=5\cdot10^6\) operaciones, unas cinco milésimas de segundo. Aprovechar la estructura de la matriz física lo cambia todo.

Errores típicos

Las trampas de este post

  • Mirar solo \(\det A\). Para la LU hacen falta todos los menores principales no nulos. \(\det A\neq0\) solo garantiza \(PA=LU\).
  • Usar cualquier menor. Son los de las esquinas superiores izquierdas, no otros menores de orden \(k\).
  • Intercambiar filas y olvidar los multiplicadores. Si intercambias dos filas a mitad de camino, los multiplicadores ya apuntados en ellas también se intercambian.
  • Olvidar reordenar \(B\). Con \(PA=LU\), el sistema es \(LUX=PB\), no \(LUX=B\).
  • Olvidar el signo del determinante. \(\det A=(-1)^s\,u_{11}\cdots u_{nn}\), con \(s\) el número de intercambios.
  • Creer que calcular \(A^{-1}\) ahorra trabajo. Cuesta unas tres veces más que la LU, y después cada \(B\) cuesta lo mismo que con la LU.
Chuleta

Lo imprescindible del post

Existencia

  • \(A\) invertible tiene LU \(\iff\Delta_1,\dots,\Delta_n\neq0\).
  • Pivotes: \(u_{kk}=\Delta_k/\Delta_{k-1}\).
  • Siempre: \(PA=LU\), y \(AX=B\iff LUX=PB\).
  • \(\det A=(-1)^s\,u_{11}\cdots u_{nn}\).
  • En la práctica: pivoteo parcial (el mayor en valor absoluto).

Coste (multiplicaciones y divisiones)

  • Factorizar: \(\frac{n^3-n}{3}\approx\frac{n^3}{3}\).
  • Cada \(B\): \(n^2\).
  • \(k\) sistemas: \(\frac{n^3}{3}+kn^2\) frente a \(k\left(\frac{n^3}{3}+n^2\right)\).
  • Inversa: \(\approx n^3\). Cramer: \(\approx\frac{n^4}{3}\).
  • Tridiagonal: del orden de \(n\).
Para terminar

Por qué los ordenadores usan LU

La LU existe exactamente cuando ningún menor principal se anula, y cuando alguno se anula basta reordenar las filas: \(PA=LU\). Contar operaciones explica todo lo demás: factorizar cuesta del orden de \(n^3/3\), cada sistema nuevo solo \(n^2\), y ni la inversa ni Cramer pueden competir. Con eso, el Tema 2 queda completo.

En el último post del tema lo juntamos todo: una batería de ejercicios resueltos, una tabla para elegir la herramienta adecuada en cada caso y un simulacro de examen.

Si no falta ningún peldaño, baja directo. Si falta, reordena y baja igual.

Siguiente: ejercicios resueltos del Tema 2 →

Como la escalera de mano: lo importante no es lo larga que sea, sino que no le falte ningún peldaño.

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