TMV142/186 Linjär algebra Z/TD

Transkript

1 MATEMATIK Hjälpmedel: ordlistan från kurshemsidan, ej räknedosa Chalmers tekniska högskola Datum: kl Tentamen Telefonvakt: Anders Hildeman ank 5325 TMV142/186 Linjär algebra Z/TD Skriv tentamenskoden tydligt på placeringlista och samtliga inlämnade papper Betygsgränser: 3: 20-29, 4: och 5: För godkänt på kursen skall också Matlab-momentet vara godkänt Lösningar läggs ut på kursens webbsida Resultat meddelas via Ladok senast tre veckor efter tentamenstillfället 1 Denna uppgift finns på separat blad på vilket lösningar och svar skall skrivas Lösgör bladet och (14p) lämna in det som blad 1 tillsammans med övriga lösningar Till följande uppgifter skall fullständiga lösningar inlämnas Endast svar ger inga poäng 2 Låt M 2 3 1, N (a) Visa att M (1p) (b) Beräkna N 1 (c) Beräkna inversen till matrisen N M 3 Bestäm standardmatrisen för den linjära avbildning T : R 3 R 3 som ges av ortogonal projektion (6p) på planet vars ekvation är x + y + z 0 4 (a) Konstruera en ortonormal bas för radrummet Row(A) till matrisen (4p) A (b) Bestäm rangen för matrisen A och beräkna dimensionen av dess nollrum 5 Låt [ ] 8 4 A 10 6 (a) Bestäm matriser P och D sådana att D är en diagonal matris och A P DP 1 (b) Lös begynnelsevärdesproblemet x 1(t) 8x 1 (t) + 4x 2 (t), x 2(t) 10x 1 (t) 6x 2 (t), x 1 (0) 1, x 2 (0) 2

2 6 En vektor x (x 1,, x n ) R n sägs vara symmetrisk om x k x n k+1 och anti-symmetrisk om x k x n k+1 för k 1,, n (a) Visa att för varje vektor x (x 1,, x n ) R n existerar en symmetrisk vektor x s och en anti-symmetrisk vektor x a sådana att x x s + x a (b) Visa att de symmetriska och anti-symmetriska delarna x s respektive x a av x är linjära funktioner av x (c) Bestäm matriser M s och M a sådana att x s M s x och x a M a x 7 Låt P 3 beteckna vektorrummet bestående av alla polynom av grad högst 3 och betrakta den avbildning D : P 3 P 3 som ges av at 3 + bt 2 + ct + d 3at 2 + 2bt + c, dvs som avbildar ett polynom i P 3 på dess derivata Denna uppgift handlar om den sammansatta avbildningen T D D (a) Beräkna T (t 3 4t 2 + 7t 1) (b) Bestäm värdemängden och kärnan till T (c) Bestäm matrisrepresentation av T relativt standardbasen i P 3 (1p) Lycka till! Martin H

3 Anonym kod sidnr Poäng TMV142/186 Linjär algebra Z/TD Till nedanstående uppgifter skall korta lösningar redovisas, samt svar anges, på anvisad plats (endast lösningar och svar på detta blad, och på anvisad plats, beaktas) (a) Betrakta matrisen som en utökad koefficientmatris Skriv ned motsvarande linjära ekvationssystem och bestäm samtliga lösningar till ekvationssystemet (b) Låt H beteckna det delrum av R 3 som består av samtliga vektorer av formen [ a b b ] T med a, b R Beräkna den ortogonala projektionen av vektorn [ ] T på H Var god vänd!

4 (c) Beräkna determinanten av matrisen M 1, där M (d) Antag att B {b 1, b 2 } och C {c 1, c 2 } är baser för ett vektorrum V sådana att b 1 3c 1 c 2, b 2 2c 1 7c 2 Ange dimensionen av V och bestäm basbytesmatrisen P C B (e) Låt Φ: R 2 R 2 vara den linjära avbildning som uppfyller Φ(e 1 ) [ 1 1 ] T och Φ(e2 ) [ 1 1 ] T, där e1, e 2 utgör standardbasen för R 2 (i) Beräkna Φ ( [ 1 1 ] T ) (ii) Finn ett x R 2 med bild Φ(x) [ 3 2 ] T (f) Bestäm samtliga matriser X som uppfyller ekvationen A 1 X B 1, där A, B

5 Lösningsförslag TMV142/186 Linjär Algebra Z/TD, (a) Motsvarande ekvationssytem är x + 2y z 6 2y + 8z 10 y + 5z 3 Radreduktion ger , dvs dess unika lösning är [ x y z ] [ ] (b) En ortogonal bas för H ges av u [ ] T, v [ ] T, och den ortogonala projektionen kan därmed beräknas enligt proj H ( [ ] [ ] T [ ] T T u v ) u + v 3u + 4v [ ] T u u v v (c) En kofaktorexpansion ger det(m) Detta betyder att det(m 1 ) 1/ det(m) 1/12 (d) Per definition är dimensionen av V antalet vektorer i en bas för V, dvs i detta fall har V dimension 2 Basbytesmatrisen ges av P C B [ [ ] ] 3 2 [b 1 ] C [b 2 ] C 1 7 (e) (i) Eftersom Φ är linjär har vi Φ( [ 1 1 ] T ) Φ(e1 + e 2 ) Φ(e 1 ) + Φ(e 2 ) [ ] [ ] 1 1 [ ] 2 0 (ii) Vi behöver lösa ekvationen 1 1 x1 Φ(x) Φ(x 1 e 1 + x 2 x 2 ) x 1 Φ(e 1 ) + x 2 Φ(e 2 ) 1 1 x 2 [ ] 3 2 Lösningen ges av (f) Vi har X AB 1 och vilket ger [ x1 ] x 2 [ 1 [ ] ] X B 1 [ ] 1 0, [ ] [ ] [ ] [ ] 1/2 5/2

6 2 (a) Genom en direkt beräkning visar vi att (b) Genom att ställa upp den utökade matrisen [ N I 3 ] och utföra radoperationerna r 2 2r 2 + r 1, r 3 3r 3 r 2, r 1 3r 1 r 2, r 1 r 1 + 2r 3, r 2 r 2 + 4r 3, r r 1, r r 2, erhåller vi [ I 3 N 1 ] med N (c) Vi har (NM) 1 M 1 N T avbildar planets normal på 0 och alla vektorer i planet på sig själva Därför konstruerar vi först en bas i R 3 som består av två vektorer i planet samt en normalvektor Ekvationen x + y + z 0, som karakteriserar planet, har lösningarna [ x y z ] T [ s t s t ] T med s, t R och en bas för planet ges därmed av En normalvektor är v 1 [ ] T, v1 [ ] T v 3 [ ] T Med avseende på basen bestående av vektorerna v 1, v 2, v 3 har T matrisrepresentationen D Eftersom basbytesmatrisen från basen {v 1, v 2, v 3 } till standardbasen är P [ ] v 1 v 2 v ges standardmatrisen för T av P DP 1 Inversen P 1 till P kan tex beräknas genom radreduktion, vilket ger P och därmed P DP

7 4 (a) Vi observerar att (rad)vektorerna v 1 [ ], v 2 [ ], v 3 [ ] (som utgör raderna i A) är linjärt oberoende Genom att använda Gram-Schmidts metod konstruerar vi en ortogonal bas {w 1, w 2, w 3 } för Row(A) Först tar vi w 1 v 1 [ ] sedan w 2 v 2 v 2 w 1 w 1 [ ] 1 [ ] 1 [ ] w 1 w och till sist w 3 v 3 v 3 w 1 w 1 w 1 w 1 v 3 w 2 w 2 w 2 w 2 [ ] Genom att dividera {w 1, w 2, w 3 } med respektive norm ( 2 för w 1, 1 för w 2 och 2 för w 3 ) erhåller vi den ortonormala basen w 1 [ 1/2 1/2 1/2 1/2 ], w 1 [ 1/2 1/2 1/2 1/2 ], w 1 [ 0 0 1/ 2 1/ 2 ] (b) Vi har och rang-satsen ger rang A dim(row A) 3 dim(nul A) 4 rang A 1 5 (a) Vi börjar med att beräkna samtliga egenvärden och egenvektorer till A Genom att lösa den karakteristiska ekvationen det(a λi 2 ) 8 λ λ λ2 2λ 8 0 ser vi att egenvärdena är λ 4, 2 Vi beräknar motsvarande egenvektorer genom att lösa Ax λx: för λ 4 har vi A 4I 2, vilket ger egenvektorerna x s [ 1 1 ] T, s 0; och för λ 2 gäller att [ ] 10 4 A + 2I [ ] vilket ger egenvektorerna x t [ 2 5 ] T, t 0 Detta betyder att matriserna D, P P 1 1 [ ] 5 2, uppfyller A P DP 1

8 (b) Introducerar vi vektorn v [ x1 x 2 ], kan vi skriva om systemet av differentialekvationer som Variabelbytet diagonaliserar systemet: Vi har därmed v Av v P y y Dy [ ] ae 4t y be 2t, där a, b är godtyckliga konstanter Detta ger [ ] ae v P y 4t + 2be 2t ae 4t 5be 2t Begynnelsevillkoren kräver att 1 a + 2b, 2 a 5b vilket har den unika lösningen a 3, b 1 6 (a) För vektorerna x s (x s,1,, x s,n ), x s,k 1 2 (x k + x n k+1 ), gäller x a (x a,1,, x a,n ), x a,k 1 2 (x k x n k+1 ), x s,k x s,n k+1, x a,k x a,n k+1, dvs x s är symmetrisk och x a är anti-symmetrisk Vidare gäller att (b) Om x ay + bz har vi x s,k + x a,k x k x s + x a x x s,k 1 2 (ay k +bz k +ay n k+1 +bz n k+1 ) a 1 2 (y k +y n k+1 )+b 1 2 (z k +z n k+1 ) ay s,k +bz s,k, dvs (ay + bz) s ay s + bz s, och på liknande sätt ser vi att (ay + bz) a ay a + bz a (c) Vi har M s, M a

9 7 (a) Vi har T (t 3 4t 2 + 7t 1) D(D(t 3 4t 2 + 7t 1)) D(3t 2 8t + 7) 6t 8 (b) För ett godtyckligt polynom at 3 + bt 2 + ct + d i P 3 gäller T (at 3 + bt 2 + ct + d) 6at + 2b, dvs dess bild är ett polynom av grad högst 1 Eftersom varje sådant polynom kan skrivas 6at + 2b för lämpliga val av a och b följer det att värdemängden till T består av alla polynom av grad högst 1 Vidare ser vi att T (at 3 + bt 2 + ct + d) 0 om och endast om a b 0, vilket betyder att kärnan sammanfaller med värdemängden (c) Standardbasen i P 3 är {1, t, t 2, t 3 } Eftersom T (1) T (t) 0, T (t 2 ) 2 och T (t 3 ) 6t är den sökta matrisrepresentationen