j.n. ridley engineering mathematics 2, guide to solving problems unofficial soln manual

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MATH280 Algebra CHAPTER 3 (Linear Algebra) by Mo Val 1 Tutorial questionsLinear spaces and subspaces Page 78 Question 1 Required To Prove: The linear combination ! ! ! ! ! !!! is equivalent to the matrix product CX. Given: C is m x n matrix with columns ! ! , ! ! , , ! ! that are n x 1 column vectors i.e. ! = ! ! ! ! ! ! ; ! ! = ! !! ! !" ! !" ! !! ; ! ! = ! !" ! !! ! !" ! !! ; ! ! = ! !! ! !! ! !! ! !" X is a n x 1 column vector with entries ! ! , ! ! , , ! ! I.e. ! = ! !! ! !" ! !! Step 1: ! ! ! ! ! !!! = ! ! ! ! + ! ! ! ! + + ! ! ! ! Step 2: !" = ! ! ! ! ! ! ! !! ! !" ! !! = ! ! ! ! + ! ! ! ! + + ! ! ! ! But ! ! ! ! = ! ! ! ! since constant x vector is commutative ! ! ! ! ! !!! !"

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MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  1  

Tutorial  questions-­‐Linear  spaces  and  subspaces    Page  78    Question  1    Required  To  Prove:  The  linear  combination   !!!!!

!!!  is  equivalent  to  the  matrix  product  CX.    Given:  C  is  m  x  n  matrix  with  columns  !!  ,!!,… ,!!  that  are  n  x  1  column  vectors  

i.e.  ! = !!    !!  …!! ;  !!   =

!!!!!"!!"⋮

!!!

;  !!   =

!!"!!!!!"⋮

!!!

;  !!   =

!!!!!!!!!⋮

!!"

 

 X  is  a  n  x  1  column  vector  with  entries  !!  , !!,… , !!  

I.e.  ! =

!!!!!"⋮!!!

 

 Step  1:   !!!!!

!!! = !!  !!   + !!  !! +⋯+ !!  !!      

Step  2:  !" = !!    !!  …!!

!!!!!"⋮!!!

= !!  !!   + !!!!   +⋯+ !!  !!    

But    !!  !!   = !!  !!  since  constant  x  vector  is  commutative    

∴ !!!!

!

!!!

≡ !"  

                               

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  2  

Question  2    To  find  if  the  vector  set  !  [with  2  complex  entries  (ℂ!)]  whose  entries  satisfy  a  given  equation  is  a  complex  linear  space.    [Note  a  vector  set  is  a  set  of  vectors  satisfying  the  given  equation.  !  is  a  vector  set  and  not  a  vector]    Q  2  a)  ! = !,!  !  ℂ!: ! + !" = 0    Step  1:  Need  to  verify  !  is  a  complex  linear  space    Step  2:  By  definition:  !  is  a  linear  space  if  every  linear  combination  of  elements  of  the  set  is  again  in  the  set.    Are  the  elements  of  a  vector  set  vectors?    

!"#  !!, !!  !"  !"#$%&  !"!#!$%&  !"  !ℎ!  !"#$%&  !"#  !  !! = !!,!! ;  !! = !!,!!  

!"#$":  !! + !!! = 0  &  !! + !!! = 0    Step  3:  !"#  !!  !"  !  !"#$%&  !"#$%&'(%"&  !"  !!, !!  

∴  !! = !!!! + !!!!  !! = !! !!,!! + !! !!,!!  

!! = (!!!! + !!!!,!!!! + !!!!)    Step  4:  Test  whether  !!  is  in  the  set,  i.e.  its  entries   !!,!!  satisfy  the  equation  ! + !" = 0    LHS:  !! + !!! = (!!!! + !!!!)+ !(!!!! + !!,!!) = !!(!! + !!!)+ !!(!! + !!!)

= !!(0)+ !!(0) = 0 = !"#    ∴ !ℎ!  !"#$%&  !"#  !  !"  !  !"#$%&'  !"#$%&  !"#$%  !"  the  linear  combination  !!    of  two  general  vectors  of  the  set  is  again  in  the  set                                

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  3  

 Q  2  b)  ! = !,!  !  ℂ!: ! + !" = 1+ !    Step  1:  Need  to  verify  !  is  a  complex  linear  space    Step  2:  By  definition:  !  is  a  linear  space  if  every  linear  combination  of  elements  of  the  set  is  again  in  the  set.    

!"#  !!, !!  !"  !"#$!"  !"!#!$%&  !"  !ℎ!  !"#$%&  !"#  !  !"#$":  !! + !!! = 1+ !  &  !! + !!! = 1+ !  

 Step  3:  !"#  !!  !"  !  !"#$%&  !"#$%&'(%"&  !"  !!, !!  

∴  !! = !!!! + !!!!  !! = (!!!! + !!!!,!!!! + !!!!)  

 Step  4:  Test  whether  !!  is  in  the  set,  i.e.  its  entries   !!,!!  satisfy  the  equation  ! + !" = 1+ !  LHS:  !! + !!! = (!!!! + !!!!)+ !(!!!! + !!,!!) = !!(!! + !!!)+ !!(!! + !!!)

= !!(1+ !)+ !!(1+ !)  = (!! + !!)(1+ !) ≠ 1+ !  

 ∴ !ℎ!  !"#$%&  !"#  !  !"  !"#  !  !"#$%&'  !"#$%&  !"#$%#!  !"  !ℎ!  !"#$%&  !"#$%&'(%"&    !!  is  not  again  in  the  set  !      Q  2  c)  ! = !,!  !  ℂ!: !! − !!! = 1+ !    Step  1:  Need  to  verify  !  is  a  complex  linear  space    Step  2:  By  definition:  !  is  a  linear  space  if  every  linear  combination  of  elements  of  the  set  is  again  in  the  set.    

!"#  !!, !!  !"  !"#$%&  !"!#!$%&  !"  !ℎ!  !"#$%&  !"#  !  !"#$": !!! − !!!! = 1+ !  &  !!! − !!!! = 1+ !  

 Step  3:  !"#  !!  !"  !  !"#$%&  !"#$%&'(%"&  !"  !!, !!  

∴  !! = !!!! + !!!!  !! = (!!!! + !!!!,!!!! + !!!!)  

 Step  4:  Test  whether  !!  is  in  the  set!,  i.e.  its  entries   !!,!!  satisfy  the  equation  !! − !!! = 1+ !  LHS:  

!! + !!! = (!!!! + !!!!)! − ! !!!! + !!!! !  !! + !!! = !!!!!! + 2 !!!!!!!! + !!!!!! − ! !!!!!! + 2 !!!!!!!! + !!!!!!  

!! + !!! =  !!! !!! −  !!!! + !!! !!! − !!!! + 2!!!! !!!! − !!!!! = !!! 1+ ! +!!! 1+ ! + 2!!!! !!!! − !!!!! = !!! + !!! 1+ ! + 2!!!! !!!! − !!!!! ≠1+ !  ∴ !ℎ!  !"#$%&  !"#  !  !"  !"#  !  !"#$%&'  !"#$%&  !"#$%  !"  !ℎ!  !"#$%&  !"#$%&'(%"&  !!  is  not  again  in  the  set  !  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  4  

Q  2  d)  ! = !,!  !  ℂ!: !! − !!! = 0    Step  1:  Need  to  verify  !  is  a  complex  linear  space    Step  2:  By  definition:  !  is  a  linear  space  if  every  linear  combination  of  elements  of  the  set  is  again  in  the  set.    

!"#  !!, !!  !"  !"#$%&  !"!#!$%&  !"  !ℎ!  !"#$%&  !"#  !  !"#$": !!! − !!!! = 0+ !  &  !!! − !!!! = 0  

 Step  3:  !"#  !!  !"  !  !"#$%&  !"#$%&'(%"&  !"  !!, !!  

∴  !! = !!!! + !!!!  !! = (!!!! + !!!!,!!!! + !!!!)  

 Step  4:  Test  whether  !!  is  in  the  set  !,  i.e.  its  entries   !!,!!  satisfy  the  equation  !! − !!! = 0  LHS:  

!! + !!! = (!!!! + !!!!)! − ! !!!! + !!!! !  !! + !!! = !!!!!! + 2 !!!!!!!! + !!!!!! − ! !!!!!! + 2 !!!!!!!! + !!!!!!  

!! + !!! =  !!! !!! −  !!!! + !!! !!! − !!!! + 2!!!! !!!! − !!!!! = !!! 0 +!!! 0 + 2!!!! !!!! − !!!!! = 2!!!! !!!! − !!!!! ≠ 0    ∴ !ℎ!  !"#$%&  !"#  !  !"  !"#  !  !"#$%&'  !"#$%&  !"#$%  !"  !ℎ!  !"#$%&  !"#$%&'(%"&    !!  is  not  again  in  the  set  !                                                    

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  5  

Question  3  To  solve  the  systems  of  equations  AZ=B  using  Gauss-­‐Jordan  elimination    Q  3  a)  

1 2+ ! : 1+ !1− ! 3 : !  

 Step  1:    make  1− ! = 0;  ∴ !! − (1− !)!!    

!!! = 3− 1− ! 2+ ! = 3− 2− ! + 1 = !  !!" = −! − 1− ! 1+ ! = ! − 2 = −2+ !  

 ~ 1 2+ ! : 1+ !

0 ! : −2+ !  Step  2  make  ! = 1;  !!×−!  

!!" = 0  !!! = 1  

!!" = −! −2+ ! = 1+ !2    

~ 1 2+ ! : 1+ !0 1 : 1+ !2  

 Step  3:  make  2+ ! = 0;  !! − 2+ ! !!      

!!" = 1+ ! − 2+ ! 1+ !2 = 1+ ! − 5! = 1− !4    

~ 1 0 : 1− !40 1 : 1+ !2  

 ! = !!+!!  

 Let  Z  be  a  complex  No.  with  2  components  (!,!)  i.e.  ! =

!!  

 ! = 1− !4  ! = 1+ 2!  

! =!! = 1− 4!

1+ 2! = !!                          

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  6  

Q  3  b) 1 −1+ ! : 1+ !1− ! 2! : 2  

 Step  1:    make  1− ! = 0;  ∴ !! − (1− !)!!    

!!! = 2! − 1− ! −1+ ! = 2! − 2! = 0  !!" = 2− 1− ! 1+ ! = 2− 2 = 0  

 ~ 1 −1+ ! : 1+ !

0 0 : 0    Step  2:  1  equation  2  unknowns  therefore  1  parameter.  

!"#  ! = !  1! + −1+ ! ! = 1+ !  ! = 1+ ! − ! −1+ !  

! = !!+!!  Let  Z  be  a  complex  No.  with  2  components  (!,!)  i.e.  ! =

!!  

! = 1+ ! + ! 1− !  ! = 0+ !  

 

! =!! =

1+ !0!!

+ !1− !1!!

 

 Q  3  c) 1 ! 1− ! : 1+ !

1+ ! −1+ ! 2 : 2!    Step  1:  make  1+ ! = 0;  ∴ !! − (1+ !)  !!    

!!! = −1+ ! − 1+ ! ! = −1+ ! − ! − 1 = 0  !!" = 2− 1+ ! 1− ! = 2− 2 = 0  

!!" = 2! − 1+ ! 1+ ! = 2! − 2! = 2− 2!    

∼ 1 ! 1− ! : 1+ !0 0 0 : 0  

 Step  2:  1  equations  3  unknowns  therefore  2  parameters    

!"#  ! = !  !"#  ! = !  

1! + !" + 1− ! ! = 1+ !  ! = 1+ ! − !" − 1− ! !  

! = !!+!!  

Let  Z  be  a  complex  No.  with  3  components   !,!, !  i.e.  ! =!!!  

 

! =!!!

=

1+ !00!!

+ !−!10

+ !−1+ !01

!!

 

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  7  

Q  3  d)  1 2+ ! : 1− !

1− ! 3− ! : −2!! −1+ 2! : 1+ !

 

 Step  1:  make  1− ! = 0;  ∴ !! − (1− !)  !!  

!!! = 3− ! − 1− ! 2+ ! = 3− ! − (3− !) = 0  !!" = −2! − 1− ! 1− ! = −2! − −2! = 0  

Step  2:  make  ! = 0;  ∴ !! − ! !!    

!!" = −1+ 2! − ! 2+ ! = −1+ 2! − (−1+ 2!) = 0  !!! = 1+ ! − ! 1− ! = 1+ ! − 1+ ! = 0  

 

~1 2+ ! : 1− !0 0 : 00 0 : 0

 

 Step  3:  1  equation  2  unknowns  therefore  1  parameter    

!"#  ! = !  1! + 2+ ! ! = 1− !  ! = 1− ! − 2+ ! !  

! = !!+!!  Let  Z  be  a  complex  No.  with  2  components  (!,!)  i.e.  ! =

!!  

! = 1− ! − 2+ ! !  ! = 0+ !  

 

! =!! =

1− !0!!

+ !— 2− !

1!!

 

                                       

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  8  

Question  4    Q  4  i)    To  find  the  inverse  of  the  matrix  T  using  Gauss-­‐Jordan  Elimination    

Q  4  i  a)  ! = 1 1/3  1/2 1/2  

 Step  1:  Augment  !  !"#ℎ  !  

1 1/3   : 1 01/2 1/2 : 0 1  

 Step  2:  Get  the  Augmented  Matrix  in  the  form   !:!!!    Step  1:  make  !

!= 0;  ∴ !! − (

!!)  !!  

!!! =12−

12

13 =

12−

16 =

26  

!!" = 0−12 1 = −

12 = −

12  

!!" = 1−12 0 = 1− 0 = 1  

 

~ 1 1/3   : 1 00 1/3   : −1/2 1  

Step  2:  make  !!= 1;  ∴ !!×  3  

!!" = 0  !!! = 1  

!!" = −32  

!!" = 3    

~ 1 1/3   : 1 00 1 : −3/2 3  

 Step  1:  make  !

!= 0;  ∴ !! − (

!!)  !!  

 !!! = 1  

!!" = 1−13 −

32 = 1− −

12 =

32  

!!" = 0−13 3 = 0− 1 = −1  

 

~ 1 0   : 3/2 −10 1 : −3/2 3  

Therefore  !!! = 3/2 −1−3/2 3  

   

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  9  

Q  4  i  b)  ! = 1 1+ !  1− 2! 3  

 Step  1:  Augment  !  !"#ℎ  !  

1 1+ !   : 1 01− 2! 3 : 0 1  

 Step  2:  Get  the  Augmented  Matrix  in  the  form   !:!!!    Step  1:  make  1− 2! = 0;  ∴ !! − (1− 2!)  !!  

!!! = 3− 1− 2! 1+ ! = 3− (3− !) = !  !!" = 0− 1− 2! 1 = 0− 1− 2! = −1+ 2!  

!!" = 1− 1− 2! 0 = 1    

~ 1 1+ !   : 1 00 ! : −1+ 2! 1  

 Step  2:  make  ! = 1;  ∴ !!×  −!  

!!" = 0  !!! = 1  

!!" = −! −1+ 2! = 2+ !  !!" = −!  

 ~ 1 1+ !   : 1 0

0 1 : −2+ ! −!      Step  1:  make  1+ ! = 0;  ∴ !! − (1+ !)  !!    

!!! = 1  !!" = 1− 1+ ! −2+ ! = 1− −3− ! = 4+ !  !!" = 0− 1+ ! −! = 0− 1− ! = −1+ !  

 ~ 1 0   : 4+ ! −1+ !

0 1 : −2+ ! −!    Therefore  !!! = 4+ ! −1+ !

−2+ ! −!                          

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  10  

Q  4  i  c)  ! =1 2 32 3 43 4 6

 

 Step  1:  Augment  !  !"#ℎ  !  

1 2   3 : 1 0 02 3 4 : 0 1 03 4 6 : 0 0 1

 

 Step  2:  Get  the  Augmented  Matrix  in  the  form   !:!!!    Step  1:  make  2 = 0;  ∴ !! − (2)  !!  

!!! = 3− 2 2 = 3− 4 = −1  !!" = 4− 2 3 = 4− 6 = −2  

!!" = 0− 2 1 = −2  !!" = 1− 2 0 = 1  !!" = 0− 2 0 = 0  

 Step  2:  make  3 = 0;  ∴ !! − (3)  !!  

!!" = 4− 3 2 = 4− 6 = −2  !!! = 6− 3 3 = 6− 9 = −3  

!!" = 0− 3 1 = −3  !!" = 0− 3 0 = 0  !!" = 1− 3 0 = 1  

   

~1 2   3 : 1 0 00 −1 −2 : −2 1 00 −2 −3 : −3 0 1

 

 Step  3:  make  −1 = 1;  ∴ !!×  −1  

!!" = 0  !!! = 1  

!!" = −1 −2 = 2  !!" = 2  !!" = −1  !!" = 0  

~1 2   3 : 1 0 00 1 2 : 2 −1 00 −2 −3 : −3 0 1

 

 Step  4:  make  2 = 0;  ∴ !! − (2)  !!    

!!! = 1  !!" = 3− 2 2 = −1  !!" = 1− 2 2 = −3  !!" = 0− 2 −1 = 2  !!" = 0− 2 0 = 0  

   

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  11  

 Step  5:  make  −2 = 0;  ∴ !! + 2 !!    

!!! = −3+ 2 2 = 1  !!" = −3+ 2 2 = 1  !!" = 0+ 2 −1 = −2  !!" = 1+ 2 0 = 1  

 

~1 0   −1 : −3 2 00 1 2 : 2 −1 00 0 1 : 1 −2 1

 

 Step  6:  make  2 = 0;  ∴ !! − (2)  !!    

!!" = 2− 2 −1 = 0  !!" = −1− 2 −2 = 3  !!" = 0− 2 1 = −2  

 Step  7:  make  −1 = 0;  ∴ !!+  !!  

!!" = −3+ 1 = −2  !!" = 2− 2 = 0  !!" = 0+ 1 = 1  

 

~1 0   0 : −2 0 10 1 0 : 0 3 −20 0 1 : 1 −2 1

 

     

Therefore  !!! =−2 0 10 3 −2−1 −2 1

 

                               

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  12  

Q  4  i  d)  ! =1 !   1+ !! 0 11 −1 −1+ !

 

   Step  1:  Augment  !  !"#ℎ  !  

1 !   1+ ! : 1 0 0! 0 1 : 0 1 01 −1+ ! −1+ ! : 0 0 1

 

 Step  2:  Get  the  Augmented  Matrix  in  the  form   !:!!!    Step  3:  make  ! = 0;  ∴ !! − (!)  !!    

!!! = 0− ! ! = 1  !!" = 1− ! 1+ ! = 1− −1+ ! = 2− !  

!!" = 0− ! 1 = −!  !!" = 1− ! 0 = 1  !!" = 0− ! 0 = 0  

 Step  2:  make  1 = 0;  ∴ !! −  !!  

!!" = −1+ ! − ! = −1  !!! = −1+ ! − 1+ ! = −2  

!!" = 0− 1 = −1  !!" = 0− 0 = 0  

!!" = 1− 3 0 = 1    

~1 !   1+ ! : 1 0 00 1 2− ! : −! 1 00 −1 −2 : −1 0 1

 

 Step  3:  make  ! = 0;  ∴ !! − (!)  !!    

!!" = 1+ ! − ! 2− ! = 1+ ! − −1+ 2! = 2− !  !!" = 1− ! −! = 1− 1 = 0  

!!" = 0− ! 1 = −!  !!" = 0− ! 0 = 0  

 Step  4:  make  −1 = 0;  ∴ !! +  !!    

!!! = −2+ 2− ! = −!  !!" = −1+ !  !!" = 0+ 1 = 1  

!!" = 1    

~1 0 2− ! : 0 −! 00 1 2− ! : −! 1 00 0 −! : −1+ ! 1 1

 

 Step  4:  make  −! = 1;  ∴ !!×!  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  13  

~1 0 2− ! : 0 −! 00 1 2− ! : −! 1 00 0 1 : −1− ! ! !

 

   Step  5:  make  2− ! = 0;  ∴ !! − 2− ! !!  

!!" = 0− 2− ! 1− ! = − 1− 3! = −1+ 3!  !!" = −! − 2− ! ! = −! − 1+ 2! = −1+ !  !!" = 0− 2− ! ! = − 1+ 2! = −1− 2!  

 Step  6:  make2− ! = 0;  ∴ !! − 2− ! !!      

!!" = −− ! − 2− ! 1− ! = −! − 1− 3! = 2! − 1  !!" = 1− 2− ! ! = 1− 1+ 2! = −2!  !!" = 0− 2− ! ! = − 1+ 2! = −1− 2!  

 

~1 0 0 : −1+ 3! −1+ ! −1− 2!0 1 0 : −1+ 2! −2! −1− 2!0 0 1 : −1− ! ! !

 

   

Therefore  !!! =−1+ 3! −1+ ! −1− 2!−1+ 2! −2! −1− 2!−1− ! ! !

 

 Tutorial  questions-­‐Bases  and  dimension    Page  80    Question  5    To  find  a  basis  of  the  null  space  of  the  coefficient  matrix  A  and  state  its  dimension.    [Note:  The  general  solution  of  !" = !  is  of  the  form  ! = !! + !!  where  !!  is  a  particular  solution  and  !!  is  a  general  element  of  the  null  space.  The  number  of  arbitrary  constants  or  parameters  in  !!  is  equal  to  the  number  of  basis  elements.]    [Note:  The  dimension  of  the  null  space  of  a  linear  operator  is  equal  to  the  number  of  arbitrary  constants  in  the  general  solution]      Q  5  a)  ! = 1 2+ !

1− ! 3  

! =!! = 1− 4!

1+ 2! = !!  Step  1:  

!! = 0, ℎ!"#!  !"  !"#$%"!"&  !"#$%&#%$  !"  !ℎ!  !"##  !"#$%.  ∴ !"  !"#$#  !"!#!$%&  

 Step  2:  !"#$%&"'% = 0  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  14  

Q  5  b)  ! = 1 −1+ !1− ! 2!  

! =!! =

1+ !0!!

+ !1− !1!!

 

Basis:   1− !1 ;  !"#$%&"'%  1    Q  5  c)  ! = 1 ! 1− !

1+ ! −1+ ! 2    

! =!!!

=

1+ !00!!

+ !−!10

+ !−1+ !01

!!

 

Basis:  −!10

 !"#  −1+ !01

;  !"#$%&"'%  2  

Q  5  d)  ! =1 2+ !

1− ! 3− !! −1+ 2!

 

! =!! =

1− !0!!

+ !— 2− !

1!!

 

 

Basis:   — 2− !1

;  !"#$%&"'%  1  

 Question  6  To  find  a  basis  for  the  null  space  of  the  differential  operator  noting  that  dimension  of  the  null  space  should  be  equal  to  the  degree  of  the  operator    Q  6  a)  !! − 4! + 3    Step  1:  To  find  the  null  space  i.e.  when   !! − 4! + 3 !! = 0    Step  2:  Make  the  equation  linear  in  terms  of  D  i.e.  !!    

! − 3 ! − 1 !! = 0  ! = 3  !"  ! = 1  

Step  3:  Write  the  equation  in  the  form  of  !! = !!∝!  ! = ! + !";!,!  !"#  !"#$%"!"&  !"#$%&#%$  

!! = !!!! + !!!!  Basis:  !!! , !!!  ∴ !"#$%&"'%  !"  2    Q  6  b)  !! + 2! + 2      Step  1:  To  find  the  null  space  i.e.  when   !! + 2! + 2   !! = 0    Step  2:  Make  the  equation  linear  in  terms  of  D  i.e.  !!    

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  15  

Using  the  quadratic  equation    

! =−2± 4!!

2(1)  

! = −1± !  ! = −1± !  

 Step  3:  Write  the  equation  in  the  form  of  !! = !!∝!  

! = ! + !";!,!  !"#  !!"#$!%!&  !"#$%&#%$  !! = !!(!!!!)! + !!(!!!!)!  

Basis:  ! !!!! ! , ! !!!! !  ∴ !"#$%&"'%  !"  2    Q  6  c)  !!    Step  1:  To  find  the  null  space  i.e.  when  (!!)!! = 0    Step  2:  Make  the  equation  linear  in  terms  of  D  i.e.  !!      

! + 0 !!! = 0    

! = 0    Step  3:  Write  the  equation  in  the  form  of  !! = !!∝!  

! = ! + !";!,!  !"#  !"#$%"!"&  !"#$%&#%$    [Note:  For  repeated  factors  we  add  similar  expressions  that  are  each  multiplied  by  a  power  of  t]  

!! = ! + !" + !!! !∝!  !! = !!(!)! + !"!(!)! + !!!! ! !  

Basis:    ! ! ! = 1  !" 0 ! = !  !!! ! ! = !!  

 ∴ !"#$%&"'%  !"  3  

Q  6  d)!!    Step  1:  To  find  the  null  space  i.e.  when  (!!)!! = 0    Step  2:  Make  the  equation  linear  in  terms  of  D  i.e.  !!      

! + 0 !!! = 0  ! = 0  

 Step  3:  Write  the  equation  in  the  form  of  !! = !!∝!  

! = ! + !";!,!  !"#  !"#$%"!"&  !"#$%&#%$  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  16  

 [Note:  For  repeated  factors  we  add  similar  expressions  that  are  each  multiplied  by  a  power  of  t]  

!! = ! + !" + !!!+. . .+!!!!! !∝!  !! = ! + !" + !!!+. . .+!!!!! !!!  

Basis:  1, !, !!,… , !!!!    

∴ !"#$%&"'%  !"  !  Q  6  e)  !! + 4    Step  1:  To  find  the  null  space  i.e.  when  (!! + 4)!! = 0    Step  2:  Make  the  equation  linear  in  terms  of  D  i.e.  !!  

!! − 4!! !! = 0  !! + 2! !! − 2! !! = 0  !! + 2! !! − 2! !! = 0  

STOP  Start  over  Step  3:  In  order  to  reduce  the  equation  we  need  to  complete  the  square    Add  and  subtract  4!!    

[!! + 4+ 4!! − 4!!]!! = 0              

!! + 2 ! − 4!! !! = 0  !! + 2 − 2! !! + 2 + 2! !! = 0  !! − 2! + 2 !! + 2! + 2 !! = 0  

 Using  the  quadratic  equation    

! =2± 4!!

2(1)  

! = 1± !  ! = 1± !  

 Or      

! =−2± 4!!

2(1)  

! = −1± !  ! = −1± !  

 Step  3:  Write  the  equation  in  the  form  of  !! = !!∝!  

! = ! + !";!,!  !"#  !"#$%"!"&  !"#$%&#%$  !! = !!(!!!)! + !!(!!!)! + !!(!!!!)! + !!(!!!!)!  

Basis:  !±!±!  ∴ !"#$%&"'%  !"  4          

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  17  

 Question  7    Tutorial  questions-­‐  Independence  and  rank    Page  82    Question  8  To  determine  if  a  matrix  is  independent.  Using  coefficient  matrices  from  Q  3.      [Note:  !" = !, !ℎ!  !"#$%&  !"#$!"#  !"  !  !"#  !"#$%$"#$"&  !"  !" =0; !. !.!ℎ!  !"##  !"#$%  !"#$%$&$  !"  !"#$  !  !"#$  !"#$%&  !"#  ℎ!"#!  !ℎ!  !"#$%&"'  !  !"  !"#$!%.  If  A  is  a  square  matrix  the  columns  are  independent  if  and  only  if  det  A≠ 0  i.e  !!!!"#$%$.]    

!! = 0  !"#  !3  !)    Question  9  To  test  the  sets  of  functions  for  independence  using  Wronskians.    [Note:  Functions  are  independent  if  their  Wronskian≠ 0.  The  Wronskian  is  the  determinant  of  a  (square)  matrix  with  entries  of  functions  and  their  respective  derivatives  of  successive  orders.  Where  the  No.  of  Derivatives  !"#  !"#$%& = 1−!". !"  !"#$%&'#(. ]    Q  9  a)  !! , !!!    

! !! , !!! = !! !!!!! −!!!  

! = !! −!!! − !!! !! = −!! − !! = −2 ≠ 0    ∴ !"#$%&'#(  !! , !!!  !"#  !"#$%$"#&"'  

 Q  9  b)  cos !, sin !, 1  

!(cos !, sin !, 1) =cos ! sin ! 1− sin ! cos ! 0− cos ! − sin ! 0

!"#$%&  !"#$%  !"#$%&  3  

 ! = −1 !!!!!" !!"  

! = −1 !!! 1 − sin ! cos !−cos !   −sin ! + −1 !!! 0 cos ! sin !

− cos ! − sin !+ −1 !!! 0 cos ! sin !

− sin ! − cos !  ! = (− sin !)(− sin !)− (cos !)(−cos !) = sin! ! + cos! ! = 1 ≠ 0  

   ∴ !"#$%&'#(   cos !, sin !, 1  !"#  !"#$%$"#&"'      Q  9  c)  cos! !, sin! !, 1  

! cos! !, sin! !, 1  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  18  

=cos! !   sin! ! 1

2!"#$   – sin ! 2 sin !   cos ! 0−2 sin ! − sin ! + 2 cos !   – cos ! 2 cos !   cos ! + 2 sin ! −!"#$ 0

!"#$%&  !3  

 ! = 1[ 1 −2 sin ! cos ! 2 sin ! cos !

2 sin! ! − 2 cos! ! 2 cos! ! − 2 sin! ! ]    + 0+ 0  ! = (− sin 2!)(2)(cos! ! − sin! !)− (sin 2!)(2)(sin! ! − cos! !) = 0    

 ∴ !"#$%&'#(     cos! !, sin! !, 1  !"#  !"#  !"#$%$"#$"&    

 Q  9  d)  1, sec !, tan !    ! 1, sec !, tan !

=1 sec ! tan !0 sec ! tan ! sec! !0 tan !(sec ! tan !)+ sec !(sec! !) 2 sec !(sec ! tan !)

!"#$%&  !"#$%  !1  

 ! = 1[ 1 sec ! tan ! sec! !

!"# ! tan! ! + sec! ! 2 !"!! !  !"#$]+ 0+ 0  

 ! = sec ! tan !  2 !"!! !  !"#$ − sec! !  !"# ! tan! ! + sec! !

= 2 sec! !  !"!!! − sec! ! − sec! ! tan! ! = sec! ! tan! ! − sec! != sec! !(tan! ! − sec! !) = sec! ! 1 ≠ 0  

     ∴ !"#$%&'#(  1, sec !, tan !  !"#  !"#$%$"#&"'      Question  10)    Show  that  the  basis  functions  i.e.  functions  in  the  null  space  are  independent  using  Wronskians.    Q  10  a)  Basis:  !!! , !!!    

! !!! , !!! = !!! !!!3!!! !!

 ! = (!!!)(!!)− !! 3!!! = !!! − 3!!! = −2!!! ≠ 0    

∴ !"#$%&'#(  !!! , !!!  !"#  !"#$%$"#&"'      Q  10  b)  Basis:  ! !!!! ! , ! !!!! !  

! ! !!!! ! , ! !!!! ! = ! !!!! ! ! !!!! !

−1+ ! ! !!!! ! −1− ! ! !!!! !  

! = ! !!!! !) −1− ! ! !!!! ! − ! !!!! ! −1+ ! ! !!!! !

= −1− ! ! !! ! − −1+ ! ! !! ! = !!!!(−2!) ≠ 0    ∴ !"#!"#$%&  ! !!!! ! , ! !!!! !  !"#  !"#$%$"#&"'  

       

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  19  

Q  10  c)  Basis:  1, !, !!    

! 1, !, !! =  1 ! !!0 1 2!0 0 2

!"#$%&  !"#$%  !1  

! = 1 1 1 2!0 2 + 0+ 0 = 2− 2! 0 = 2 ≠ 0  

∴ !"#$%&'#(  1, !, !!  !"#  !"#$%$"#&"'    Question  12  To  find  the  rank  of  the  coefficient  matrix  and  note  that  the  dimension  of  the  null  space  is  equal  to  !". !"  !"#$%&'  !"  ! − !"#$    Q  12  a)  ! = 1 2+ !

1− ! 3  

! =!! = 1− 4!

1+ 2! = !!  Step  1:  

!!  ℎ!"  2  !"! − !"#$  !"#$  ∴ !"#$  !"  2  

!"#$%&"'% = ! − !    Step  2:  Check  !"#$%&"'% = 2− 2 = 0    Note:  ! = !:  !ℎ!  !"#$%&"'  !"  !"#  !"#$%&'(  !" = !  !"##  !"#!$%  !"#$%    

! = !:!ℎ!  !"#$!"#$  !"  !"#  !"#$%&'(  !" = !  !"  !"#$!%  ! = !"#$%&  !"  !"#"$%"&  !. !. !,!  

Q  12  b)  ! = 1 −1+ !1− ! 2!  

! =!! =

1+ !0!!

+ !1− !1!!

 

Step  1:  !!  ℎ!"  1− !"! − !"#$  !"#$  ∴ !"!"  !"  1  

 Step  2:  Check  !"#$%&"'% = 2− 1 = 1      Q  5  c)  ! = 1 ! 1− !

1+ ! −1+ ! 2    

! =!!!

=

1+ !00!!

+ !−!10

+ !−1+ !01

!!

 

Step  1:  !!  ℎ!"  1− !"! − !"#$  !"#$  ∴ !"#$  !"  1  

 Step  2:  Check  !"#$!"#$! = 3− 1 = 2    

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  20  

Q  5  d)  ! =1 2+ !

1− ! 3− !! −1+ 2!

 

! =!! =

1− !0!!

+ !— 2− !

1!!

 

Step  1:  !!  ℎ!"  1− !"! − !"#$  !"#$  ∴ !"#$  !"  1  

 Step  2:  Check  !"#$%&"'% = 2− 1 = 1    Q  12  b)  In  a  square  matrix  ! = !.  If  ! = !   !  !"#$%&"'  !"#$%$  !ℎ!"  ! =!   !ℎ!  !"#$%&"'  !"##  !"  !"#$!%  !"  !ℎ!  !"#$%&"'%  !"  !"#$                                                                            

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  21  

Tutorial  questions  –Eigenvalues  and  eigenvectors    Page  83    Question  13    To  show  the  matrix  product  AX  is  a  scalar  multiple  of  X    Q  13  a  i)  ! = 0 1

1 0 ;  ! = 11  

!" = 0 1 + 1 11 1 + 0 1 = 1

1  

!" = 1!  Q  13  a  ii)  ! = 0 1

1 0 ;  ! = 1−1  

!" = 0 1 + 1 −11 1 + 0 −1 = −1

−1 = − 11  

!" = −!  Eigenvalues  of  A  are  1&  -­‐1  Eigenvectors  are  X        Q  13  b  i)  ! = 1 2

3 2 ;  ! = 23  

!" = 1 2 + 2 33 2 + 2 3 = 8

12 = 4 23      

!" = 4!  Q  13  b  ii)  ! = 1 2

3 2 ;  ! = 1−1  

!" = 1 1 + 2 −13 1 + 2 −1 = −1

1 = − 1−1  

!! = −!  Eigenvalues  of  A  are  4&  -­‐1  Eigenvectors  are  X      Q  13  c  i)  ! = 1 −1

−2 2 ;  ! = 11  

!" = 1 1 + −1 1−2 1 + 2 1 = 0

0 = 11  

!" = 0!  Q  13  c  ii)  ! = 1 −1

−2 2 ;  ! = −12  

!" = 1 −1 + −1 2−2 −1 + 2 2 = −3

6 = 3 −12  

!" = 3!  Eigenvalues  of  A  are  0&  3  Eigenvectors  are  X    Q  13  d  i)  ! = 1 −2

1 3 ;  ! = 1+ !−1  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  22  

!" = 1 1+ ! + −2 −11 1+ ! + 3 −1 = 3+ !

−2+ !  

 Make  −2+ ! = −1;  !"#"!$  !" − −2+ ! = 2− !    

3+ !2− !×

2+ !2+ ! =

5+ 5!  5 = 1+ 1!  

= 2− ! 1+ !−1  

!" = (2− !)!  Q  13  d  ii)  ! = 1 −2

1 3 ;  ! = 1− !−1  

!" = 1 1− ! + −2 −11 1− ! + 3 −1 = 3− !

−2− !  

 Make  −2− ! = −1;  !"#"!$  !" − −2− ! = 2+ !    

3− !2+ !×

2− !2− ! =

5− 5!  5 = 1− 1!  

= 2+ ! 1− !−1  

 !" = 2+ !"  

Eigenvalues  of  A  are  2− !  &  2+ !  Eigenvectors  are  X    Q13  e)  ! = 0 −1

1 2 ;  ! = 1−1  

!" = 0 1 + −1 −11 1 + 2 −1 = 1

−1  

 !" = !  

Eigenvalue  of  A  is  1    Eigenvector  is  X                                  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  23  

Question  14    To  find  det ! − !!!      [Note:  !  is  an  eigenvalue  of  A  if  and  only  if  det ! − !!! = 0]    Q  14  a)  ! = 0 1

1 0    Step  1:  Calculate  !!! =

! 00 !  

 Step  2:  Calculate  det ! − !!! :   det

0− ! 11 0− ! = (0− !)! − 1 = !! − 1  

   Q  14  b)  ! = 1 2

3 2    Step  1:  Calculate  !!! =

! 00 !  

 Step  2:  Calculate  det ! − !!! :   det

1− ! 23 2− ! = 1− ! 2− ! − 2 3 =

!! − 3! − 4    Q  14  c)  ! = 1 −1

−2 2    Step  1:  Calculate  !!! =

! 00 !  

 Step  2:  Calculate  det ! − !!! :   det

1− ! −1−2 2− ! = 1− ! 2− ! — 1 −2 =

!! − 3!    Q  14  d)  ! = 1 −2

1 3    Step  1:  Calculate  !!! =

! 00 !  

Step  2:  Calculate  det ! − !!! :   det1− ! −21 3− ! = 1− ! 3− ! — 2(1) =

!! − 4! + 5    Q  14  e)  ! = 0 −1

1 2    Step  1:  Calculate  !!! =

! 00 !  

Step  2:  Calculate  det ! − !!! :   det−! −11 2− ! = −! 2− ! −  (−1)(1) =

!! − 2! + 1 = (! − 1)!      

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  24  

 Page  84      Question  15  To  solve  the  characteristic  equation  of  a  matrix  and  hence  find  its  eigenvalues  and  corresponding  eigenvectors.    [Note  the  equation  det ! − !!! = 0   !"  !"##$%  !ℎ!  !ℎ!"!#$%"&'$&#  !"#$%&'(  !"  the  matrix  A.  The  characteristic  polynomial  det ! − !!!  is  found  from  subtracting  !  !"#$  !ℎ!  !"#$%&#'  !"#$%!&  !"  !.!  !"#"!$  !"  !ℎ!  !"#!$%&'(!)  which    are  determined  from  the  characteristic  equation.  By  augmenting  

! − !!!  !"#ℎ  !"#$%  we  can  determine  the  variables  of  Z  (AZ=0)  ! =!!!  

The  set  of  solutions  to  ! = !" − ! !  is  called  the  Eigenspace  of  A  corresponding  to  !  .  There  is  one  eigenspace  for  every  distinct  eigenvalue.  By  solving  this  system  using  the  calculated  eigenvalues  we  can  determine  the  general  eigenvectors  of  the  matrix  and  also  determine  the  basis  elements  

!"#$!"#  !"#$%&  !!! = !  

   

Q  15  a)  0 0 41 0 40 1 −1

 

 Step  1:  Calculate  det ! − !!!    by  subtracting  !  from  the  diagonal  entries  of  A    

!"#0− ! 0 41 0− ! 40 1 −1− !

!"#$%&  !"#$%  !1  

 = 1 −! −! −1− ! − 4 1 + −1 !!! 0 + 1 4 [ 1 1 — ! 0 ]  

−! !! + ! − 4 + 4 = −!! − !! + 4! + 4 = −!! ! + 1 + 4 ! + 1= 4− !! ! + 1  

 Step  2:  Solve  for  !  in  det ! − !!! = 0    

4− !! ! + 1 = 0  2− ! 2+ ! ! + 1 = 0  

Eigenvalues:  ! = ±2  or  ! = −1      Step  3:  Solve  for  the  unknown  variables  of  the  eigenvector  Z,  AZ=0    

! = 2    

0− 2 0 4 : 01 0− 2 4 : 00 1 −1− 2 : 0

 

Step  4:  Make  −2 = 1;∴ − !!!!  

Step  5:  Make  1 = 0;  ∴ !! − !!  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  25  

~1 0 −2 : 00 −2 6 : 00 1 −3 : 0

 

       Step  6:  Make  −2 = 1;∴ − !

!!!  

Step  7:  Make  1 = 0;  ∴ !! − !!  

~1 0 −2 : 00 1 −3 : 00 0 0 : 0

 

!"#  ! = !  ! − 3! = 0;! = 3!  1! − 2! = 0; ! = 2!  

Eigenvector  1= !231  

 ! = −2  

 

Q  15  b)  −1 −1 11 0 −20 1 2

 

 Step  1:  Find  the  eigenvalues  by  solving  det ! − !" = 0    

det ! − !" =  det−1− ! −1 11 −! −20 1 2− !

!"#$%&  !"#$%  !!  

 = 1 −1− ! −! 2− ! + 2 + −1 1 −1 2− ! − 1 + 0  

= −1− ! −2! + !! + 2 − 1 −2+ ! − 1  = 2! − !! − 2+ 2!! − !! − 2! + 2− ! + 1  

= −! + !! + 1− !!  = −(!! − !! + ! − 1)  

 Solve  det !" − ! = 0  

!! − !! + ! − 1 = 0  ! − 1 !! + 1 = 0  ! = 1, ! = !, ! = −!  

Step  2:  Substitute  the  eigenvalues  into  the  eigenspace   ! − !" ! = !    and  solve  for  Z  the  eigenvectors    

−1− ! −1 1 : 01 −! −2 : 00 1 2− ! : 0

 

       

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  26  

! = 1  −1− 1 −1 1 : 01 −1 −2 : 00 1 2− 1 : 0

 

   

~−2 −1 1 : 01 −1 −2 : 00 1 1 : 0

 

!!×−12  

112

−12

: 01 −1 −2 : 00 1 1 : 0

 

 !! − !!  

112

−12

: 0

0 −32

−32

: 00 1 1 : 0

 

!!×−23  

112

−12

: 00 1 1 : 00 1 1 : 0

 

!! −12!!  

!! − !!  1 0 −1 : 00 1 1 : 00 0 0 : 0

 

!"#  ! = !  ! = !  ! = −!  

!! = !1−11

 

   Eigenvector  for  ! = !  

−1− ! −1 1 : 01 −! −2 : 00 1 2− ! : 0

 

 !"#$  !!!"#  !!  

 

~1 −! −2 : 0

−1− ! −1 1 : 00 1 2− ! : 0

!! − −1− ! !! = !! + (1+ !)!!  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  27  

!!! = −1+ 1+ ! −! = −1− ! + 1 = −!  !!" = 1− 2− 2! = −1− 2!  1 −! −2 : 00 −! −1− 2! : 00 1 2− ! : 0

 

 !"#$  !!!"#  !!  

1 −! −2 : 00 1 2− ! : 00 −! −1− 2! : 0

 

 !! + !!!  !! + !!!  

!!" = −2+ 2! + 1 = −1+ 2!  !!! = −1− 2! + 2! + 1 = 0  

 1 0 −1+ 2! : 00 1 2− ! : 00 0 0 : 0

 

 2  !"#$%&'()  !ℎ!""  !"#"$%"&  !"#  ! = !  

   

! = 1− 2! !  ! = ! − 2 !  

 

!! =!!!

= !1− 2!−2+ !1

 

Since  !  is  a  real  matrix  !! = !; !! = −!  !! = !!  

Therefore  !! = !! = !1+ 2!−2− !1

 

                               

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  28  

Tutorial  questions-­‐Diagonalization  Page  85    [Note:  A  diagonal  matrix  is  a  square  matrix  where  all  entries  not  on  the  diagonal  are  zero.  A  matrix  is  non-­‐singular  if  its  invertible  i.e.  !"#   ! ≠ 0.    An  n  x  n  matrix  A  can  be  diagonalized  if  and  only  if  it  has  !  independent  eigenvectors]    

Guide  to  finding  the  !!!  Q  15  a)  

! =0 0 41 0 40 1 −1

 

 

! =2 −2 −43 −1 01 1 1

 

!!! =1

det! !"# !      det! = + −4 3+ 1 + − 0 + + 1 −2+ 6 = −16+ 4 = −12      

!!" =−1 3 4−1 6 4−4 12 4

 

!!" =−1 −3 4+1 6 −4−4 −12 4

 

 

!!"! =

−1 +1 −4−3 6 −124 −4 4

 

 

!!! =1−12

−1 +1 −4−3 6 −124 −4 4

 

   Question  16  Find  !!!  and  verify  that  !!!!"  is  a  diagonal  matrix  with  eigenvalues  on  the  diagonal    Q  16  a)    ! = 0 1

1 0 ;! = 11 ;! = 1

−1    

! = !"#!! 00 !"#!!

= 1 00 −1  

 ! = !!, !! = 1 1

1 −1  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  29  

 

!!! =1

det!  !"#  !    

det! = −1− 1 = −2  !"#  ! = !!"

! =    

!!" =+1 −1−1 −1  

 !"#  ! = −1 −1

−1 +1  

!!! =1−2

−1 −1−1 +1  

 

!!!!" =1−2

−1 −1−1 +1

0 11 0

1 11 −1  

 

=1−2

−1 −1−1 +1

1 −11 1 = −1− 1 1− 1

−1+ 1 1+ 1 =1−2

−2 00 2 = 1 0

0 −1 = !      Question  18  Diagonalize  ! = !

!1 43 2  !"#  !"#$  ! lim!→! !!  

Goal:  To  find  !! = !!!!!!.  We  need  to  find  !  and  D    Step  1:  Take  the  fraction  inside  the  matrix    

15

45

35

25

 

Step  2:  Find  the  eigenvalues  by  finding  the  characteristic  polynomial  and  then  solving  it    

!! ! = det ! − !" =

15− !

45

35

25− !

 

!! ! =15− !

25− ! −

45

35 =

225−

35 ! + !

! −1225 = −

1025−

35 ! + !

!  

= !! −25 ! −

35  

 

!! ! = 0  !ℎ!"  !! −25 ! −

25 = 0  

!! −35 ! −

25 = 0  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  30  

! − 1 ! +25 = 0  

!! = 1; !! = −25  

Step  3:  Find  the  eigenvectors  by  substituting  the  eigenvalues  into  the  eigenspace  ! − !" ! = !    

!! = 1  

! − 1! =

15− 1

45

35

25− 1

=−45

45

35

−35

 

 !"#$%   ! − !" ! = !  

 

−45

45 : 0

35

−35

: 0  

 

!!×−54  

 1 −1 : 035 −

35 : 0  

!! −35!!    

1 −1 : 00 0 : 0  

   

!"#  !! = !  !! = !  

!! = ! 11  

 

!! = −25  

 

! +25 ! =

15+

25

45

35

25+25

 

 

=

35

45

35

45

 

 

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  31  

!"#$%   ! − !" ! = !    

35

45 : 0

35

45

: 0  

 

!!×53  

 

143 : 0

35

45

: 0  

 

!! −35!!  

 

143

: 00 0 : 0

 

 !"#  !! = !  

!! = −43  

!! = ! −431

 

Step  3:  Find  !  !"!  !  

! =1 0

0 −25

;! = 1 −43

1 1    

 Step  4:  Calculate  !!!  

!!! =1

det! !"# !    

det! = 1+43 =

73  

   

!"# ! = 143

−1 1  

 

!!! =37

143

−1 1  

 Step  4:  Determine  !!  

! = !"!!!  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  32  

!! = !!!!!!    

!! = 1 −43

1 1

1 0

0 −25

!37

143

−1 1  

   

!! = 1 −43

1 1

1! 0

0 −25

! 37

143

−1 1  

As  ! → ∞  

!! → 1 −43

1 1

1 00 0

37

143

−1 1=37

1 −43

1 11

43

0 0=37

143

143

=173 43 4  

Question  20    Given  the  difference  equation  !!!! −

!!!! + !!!! = 0,  where  !  represents  the  

voltage.  Find  a  constant  matrix  A  such  that      

!!!!!! = !

!!!!!!  

[Note:  difference  equations  are  of  the  form  !!!! = !!! + !!!!!]    Step  1:  Express  the  difference  equation  in  terms  of  !!!!    

!!!! =52 !! − !!!!  

 Step  2:      

!!!!!! =

52!! − !!!!!!

 

Step  3:  Separate  the  matrix  product  into  two  factors    

!!!!!! =

52

−11 0

!!!!!!  

 

! =52

−11 0

 

Q  20  ii)  Find  an  expression  for  !!  !"  !"#$%  !"  !!  !"#  !!,  by  diagonalizing      A.      To  diagonalize  A  we  need  to  find  D  which  represent  the  eigenvalues  of  A    

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  33  

Step  1:  Determine  the  eigenvalues  of  a  by  solving  the  characteristic  polynomial  !! ! = det(! − !")        

!! ! =52− ! −11 −!

=52− ! −! + 1 = !! −

5!2 + 1  

 

!! −52 ! + 1 = 0  

2!! − 5! + 2 = 0  2! − 1 ! − 2 = 0  

!! =12 ; !! = 2  

 

! =12 00 2

 

 The  solution  of  the  equation  depends  on  getting  an  expression  for  !!      

!!!!!! = !!

!!!!!!  

 !! = !!!!!!  

 Step  2:  Determine  !  whose  entries  are  the  eigenvectors    To  find  the  eigenvectors    

!"#$%   ! − !" ! = !    For  !! =

!!  

52−

12 −1 : 0

1 −12 : 0

~2 −1 : 0

1 −12 : 0  

Swap  !!!"#  !!    

1 −12 : 0

2 −1 : 0  

 !! − 2!!  

 

1 −12 : 0

0 0 : 0  

 

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  34  

!"#  !! = !  

!! =12!    

!! = !121  

 For  !! = 2  

52− 2 −1 : 01 −2 : 0

~12 −1 : 01 −2 : 0

 

Swap  !!!"#  !!    

1 −2 : 012 −1 : 0  

 

!! −12!!  

1 −2 : 00 0 : 0  !"#  !! = !  !! = 2!  

!! = !121

+ ! 21  

 

! =12 21 1

 

 To  get  the  Ridley  solution  swap  !!!"#  !!  and  multiply  the  new  !!  by  2    

! = 2 11 2  

 

! =2 0

012  

 

!!! =13

2 −1−1 2  

 !!!!!! = !!!!!!

!!!!  

 !!!!!! = 2 1

1 2

2 0

012

!13

2 −1−1 2

!!!!  

 

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  35  

2 11 2

2! 0

012

! 13

2 −1−1 2

!!!!  

 

=13

2 11 2

2! 00 2!!

2 −1−1 2

!!!!  

 

=13   2 1

1 22! 00 2!!

2!! − !!−!! + 2!!

 

 

=13   2 1

1 22! 2!! − !!2!! −!! + 2!!

 

 !!!!!! =

13   2 2! 2!! − !! + 2!! −!! + 2!!

2! 2!! − !! + 2(2!! −!! + 2!! )  

 

!! =13 2! 2!! − !! + 2 2!! −!! + 2!!  

!! =13 !!2!!! − !!2! − !!2!!! + !!2!!!!!    

!! =13 2!!! − 2!!! !! − 2! − 2!!! !!  

   Q20  iii)  Given:  !! = 10, !!! = 0  find  !!"      

0 =13 2!!!! − 2!!!! !! − 2!! − 2!!!! (10)  

 10 2!! − 2!!!! = 2!!!! − 2!!!! !!  

!! =10 2!! − 2!!!!

2!" − 2!!"= 10

2!! − 2!!

2!" − 2!!" = 102!! − 2!!

2 2!! − 2!!! ≈ 20  

 

!!" =13 2!! − 2!! 20 − 2!" − 2!! (10)}    

 !!" =!ℎ!"#$#%  I  got  far  enough      Question  21  Find  an  expression  for  !!  in  terms  of  !!  and  !!  Given  !!!! − ! + 1 !! + !!!!! = 0    Step  1:  !!!! = ! + 1 !! − !!!!!    

Step  2:  !!!!!! = ! + 1 !! − !!!!!

!!= ! + 1 −!

1 0!!!!!!  

 

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  36  

Step  3:  Diagonalize   ! + 1 −!1 0 = !  

 Find  the  eigenvalues  by  finding  the  characteristic  polynomial  and  then  solving  it      

!! ! = det ! − !" = ! + 1− ! −!1 −! = !! − ! − !" + !  

 !! − ! − !" + ! = 0  

! ! − 1 + ! 1− ! = 0  ! ! − 1 − ! ! − 1 = 0  

! − ! ! − 1 = 0  !! = !; !! = 1  

Find  the  corresponding  eigenvectors  by  solving  the  eigenspace   ! − !" ! = !    

!"#  !! = !    

! + 1− ! −! : 01 −! : 0  

 ~ 1 −! : 0

1 −! : 0  

 !! − !!  

 1 −! : 00 0 : 0  

 !"#  !! = !  !! = !  

 !! = ! !

1  !"#  !! = 1  

 ! + 1− 1 −! : 0

1 −1 : 0    

~ ! −! : 01 −1 : 0  

Swap  !!!"#  !!  1 −1 : 0! −! : 0  

!! − !"!    

1 −1 : 00 0 : 0  

 !"#  !! = !  !! = !  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  37  

 !! = ! 1

1    Step  4:  ! = !"!!!    

! = ! 11 1  

 

!!! =1

! − 11 −1−1 !  

 ! = ! 0

0 1    Step  6:!! = !!!!!!    

 !!!!!! = !!!!!!

!!!!!!  

!!!!!! = !!!!!!

!!!!!!  

 !!!!!! = ! 1

1 1! 00 1

! 1! − 1

1 −1−1 !

!!!!!!  

   

!!!!!! =

1! − 1

! 11 1

! 00 1

! !! − !!!!−!! + !!!!!  

 !!!!!! =

1! − 1

! 11 1

!! !! − !!!!−!! + !!!!!

 

 !!!!!! =

1! − 1

!!!! !! − !!!! − !! + !!!!!!! !! − !!!! − !! + !!!!!

 

 Substitute  !!  !"#  !!  

!! =1

! − 1 !! !! − !! − !! + !!!  

 

!! =1

! − 1 !!!! − !!!! − !! + !!!  

!! =1

! − 1 !! − 1 !! − !! − 10 !!  

Kapow!!!              

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  38  

 Question  22    Find  the  trajectories  in  the  vector  fields  using  Diagonalization    Q  22  a)   ! + !, 4! + !    [Note:  Let  !  be  the  points  in  a  region  in  space.  We  have  a  vector  ! = !  (!).  !  forms  a  vector  field  in  the  region.  The  vector  field  attaches  an  arrow  to  each  point  in  the  region.  If  we  join  the  arrows  with  curves  v  will  always  be  tangent  to  the  curve  at  the  point  r.  These  curves  are  called  trajectories  of  the  field.]    The  principle  !" = !"    Where  P  is  a  linear  transformation    Every  number  !  is  an  eigenvalue  of  the  differentiation  operator   !

!"  with  

corresponding  eigenfunctions/eigenvectors  ! = !!!"    The  Aim  of  this  is  thus  to  find  an  equation  for  !,!, !.  These  equations  are  eigenfunctions  which  are  in  the  null  space  of  D= !

!"= !  

 To  find  the  trajectory  at  a  point  

!!!" = ! !  !!!" = !"  

 ! ! = !"  

 ! ! = ! + !, 4! + !  

 ! ! ! =

! + !4! + ! = 1 1

 4 1!!  

 ! =

!!   ;! = 1 1

 4 1    Now  !  is  a  function  of  t  ! = !(!)  is  the  general  trajectory  For  Matrices,  we  call  !,  !    In  calculus  this  problem  is  solved  by   !"

!", !"!"

= ! + !, 4! + !  

In  algebra   !!"! = ! + !, 4! + ! ! = !!  

 ! = !!  

 

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  39  

!! = 1 1

 4 1!!  

 Now  we  can’t  simply  stop  here  and  solve  for  !,!"#  !  !"#$%  ! − !"#$%&!$  methods  as  we    will  have  two  variables  i.e.  

! = 1! + 1!  ! − 1 ! = !  

We  therefore  require  a  different  approach.  We  know  that  the  eigenfunctions  consist  of  eigenvalues  !!"  and    

! = !!!!" = !! 00 !!

= ⊿{!"  !"#$%  !"#$%&'"#  !"  !!"#$%&!$  methods  are  also  

used.  We  define  a  new  variable  to  separate  the  variables.  Now  X  the  eigenvector  of  A  with  x,  y  components  that    are  unknown  is  equal  to  T(columns  of  eigenvectors  of  A  )multiplied  by  U      Define  ! = !!!!  

! = !!  

 Therefore    

! = !!!!    

! = !!!!!  ! = !!!!"  

 ! = !!!!"#  

 ! = ⊿!  

   Step  1:  Find  the  eigenvalues  of  A  

! = 1 1  4 1  

 !! ! = det ! − !" = 1− ! 1

4 1− ! = 1− ! ! − 4 = !! − 2! − 3    

!! − 2! − 3 = 0    

! − 3 ! + 1 = 0  !! = 3; !! = −1  

Step  2:  Find  the  corresponding  eigenvectors    

!! = 3:    

1− 3 1 : 0  4 1− 3 : 0 ~ −2 1 : 0

 4 −2 : 0 ~    

!!×−12  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  40  

 

1 −12 : 0

 4 −2 : 0  

 !! − 4!!  

1 −12 : 0

 0 0 : 0  

 !"#  !! = !  

!! =12!  

 

!! = !121

= ! 12  

 !! = −1:  

 1+ 1 1 : 0  4 1+ 1 : 0 ~ 2 1 : 0

 4 2 : 0 ~    

!!×12  

 

112 : 0

 4 2 : 0  

 !! − 4!!  

112 : 0

 0 0 : 0  

 !"#  !! = !  

!! = −12 !  

!! = ! −121

= ! −12  

 ! = 1 −1

2 2    

! = 3 00 −1  

   

! = ⊿!  !! = 3 0

0 −1!!  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  41  

 ! = 3!  

! − 3 ! = 0  ! = !!!!  

 ! = −1!  ! + 1 ! = 0  ! = !!!!  

 ! = !"  

 !! = 1 −1

2 2!!!!!!!!

     

!! = 1 −1

2 2!!!!!!!!!

     Q  22  b)   −! − ! + !, ! − 2!,! + 2!    

! = −! − ! + !, ! − 2!,! + 2!    

! = !,!, !      

Therefore  ! =!!!  

! = !′    

! = !"    

! =−! − ! + !! − 2!! + 2!

=−1 −1 11 0 −20 1 2

!!!  

 

! =−1 −1 11 0 −20 1 2

 

 Define  ! = !!!!  !"  ! = !"  

! = !"  ! = !!!!  ! = !!!!"  ! = !!!!"#  

But  ! = !!!!"  ! = ⊿!  

     

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  42  

Step  1:  Find  the  eigenvalues  and  eigenvectors  of  A  

! =−1 −1 11 0 −20 1 2

 

 

!! ! = det ! − !" =−1− ! −1 11 −! −20 1 2− !

!"#$%&  !!  

 !! ! = + −1− ! −! 2− ! + 2 + − 1 −1 2− ! − 1 + 0  

!! ! = −1− ! !! − 2! + 2 − ! − 3= −!! + 2! − 2− !! + 2!! − 2! − ! + 3 = −!! + !! − ! + 1  

!! ! = −(!! − !! + ! − 1)          

!! − !! + ! − 1 = 0  ! − 1 !! + 1 = 0  

!! = 1; !! = !; !! = −!    

!! = 1      

−1− 1 −1 1 : 01 0− 1 −2 : 00 1 2− 1 : 0

~−2 −1 1 : 01 −1 −2 : 00 1 1 : 0

 

     

1 −1 −2 : 0−2 −1 1 : 00 1 1 : 0

~!! + 2!!  

   

1 −1 −2 : 00 −3 −3 : 00 1 1 : 0

 

 1 −1 −2 : 00 1 1 : 00 −3 −3 : 0

~ !! + !!!! + 3!!

 

 1 0 −1 : 00 1 1 : 00 0 0 : 0

 

!"#  !! = !  !! = −!  !! = !  

 

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  43  

!! = !1−11

 

   

!! = !      

−1− ! −1 1 : 01 0− ! −2 : 00 1 2− ! : 0

 

     

1 −! −2 : 0−1− ! −1 1 : 00 1 2− ! : 0

 

 !! − −1− ! !! = !! + 1+ ! !!  

 1 −! −2 : 00 −! −1− 2! : 00 1 2− ! : 0

 

 1 −! −2 : 00 1 2− ! : 00 ! −1− 2! : 0

!! + !!!!! − !!!

 

   

1 0 −1+ 2! : 00 1 2− ! : 00 0 0 : 0

 

!"#  !! = !  !! = !(−2+ !)  !! = ! 1− 2!  

 

!! = !1− 2!−2+ !1

 

   

!"#$%  !  !"  !"#$  !! = !!    

!! = !1−11

 

 

!! = !1− 2!−2+ !1

 

 

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  44  

!! = !1+ 2!−2− !1

 

 1 1− 2! 1+ 2!−1 −2+ ! −2− !1 1 1

 

 

! =1 0 00 ! 00 0 −!

 

!!!

=1 0 00 ! 00 0 −!

!!!

 

 ! − 1 ! = 0  ! = !!!!  

 ! − ! ! = 0  ! = !!!"  

 ! + ! ! = 0  ! = !!!!"  

 ! = !"  

 !!!

=1 1− 2! 1+ 2!−1 −2+ ! −2− !1 1 1

!!!!!!!"!!!!"

 

   Question  23  Use  diagonalization  to  find  the  paths  of  particles  in  the  velocity  fields    Q  23  a)   ! + ! − !! , 4! + ! + !!    

! = !" + ! !    

! = !!!!  ! = !!! !" + ! !  ! = !!! !"# + ! !  ! = ⊿! + !!!! !  

 !! =

! + !4! + ! + −!!

!!= 1 1

4 1!! + −!!

!!  

 ! = 1 1

4 1    

!! ! = det ! − !" = 1− ! 14 1− ! = !! − 2! − 3  

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  45  

 !! − 2! − 3 = 0  ! − 3 ! + 1 = 0  !! = 3;  !! = −1  

 1− 3 1 : 04 1− 3 : 0 ~ −2 1 : 0

4 −2 : 0    

−2 1 : 04 −2 : 0  

 

!!×−12  

 

1 −12 : 0

4 −2 : 0  

 !! − 4!!  

 

1 −12 : 0

0 0 : 0  

 !"#  !! = !  

!! =12!  

 

!! = !121

= ! 12  

 !! = −1  

 1+ 1 1 : 04 1+ 1 : 0

2 1 : 04 2 : 0 ~ 1

12 : 0

4 2 : 0~ 1

12 : 0

0 0 : 0  

!! = ! −12  

   

! = 1 −12 2  

 ! = 3 0

0 −1  

!!! =14

2 −1−2 1  

 ! = ⊿! + !!!! !  

   

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  46  

!! = 3 0

0 −1!! +

14

2 −1−2 1

−!!!!

   

! − 3 ! =14 −2!! − !!  

[Note  ! = !! + !! = !"#$%&#&'()*+  !"#$%&'# + !"#$%&'("#  !"#$%&'(]    [For  ! ! !!"  !"#  !ℎ!"#  !"#$: !!"!  (!)]    

! = !!!! +1

! − 3 −34 !

! = !!!! −12 !

! 11− 3  

 

! = !!!! −12 !

!   1−2 = !!!! +

14 !

!  

! + 1 ! =14 2!! + !!  

! = !!!! +1

! + 134 !

! = !!!! +12 !

! 12 = !!!! +

14 !

!      

! =!!!! +

14!!

!!!! +14!!

 

 But  ! = !"  

!! = 1 −1

2 2

!!!! +14!!

!!!! +14!!

 

                                         

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  47  

Tutorial  questions-­‐The  characteristic  polynomial  Page  88    [Note:  The  sum  of  the  eigenvalues  of  a  square  matrix  is  equal  to  the  trace.  The  product  of  the  eigenvalues  is  equal  to  the  determinant.  If  A  is  a  square  matrix,  then  the  trace  of  A  [tr(A)]  is  the  sum  of  the  entries  on  the  main  diagonal.  If  A  is  not  square  then  the  trace  is  undefined.]    Question  24  Find  the  trace  of  the  matrices  in  Q  15  also  find  the  sum  of  the  eigenvalues  these  should  be  equal  and  equal  to  the  coefficient  of  !!  in  the  characteristic  polynomial    

Q  24  A)  0 0 41 0 40 1 −1

 

!! ! = −!! − !! + 4! + 4    

!" ! = −1    

! = ±2  or  ! = −1    

! = +2− 2− 1 = −1  ! = 3      [3×3  !"#$%&]  

The  coefficient  of  !! = −1 !  !! = −1  

 The  coefficient  of  !!!! = −1 !!!!" !  

!! = −1 ! −1 = −1    Question  25  Q  25  i)  Find  the  characteristic  polynomial  of  matrix  ! = ! !

! !      

!! ! = det ! − !" = ! − ! !! ! − ! = !! − !" − !" + !" − !"  

 Q  25  ii)  Show  that  !! ! = !! − !"#$ + det!    

!" ! = ! + !  det! = !" − !"  

 !! ! = !! − ! ! + ! + !" − !" = !! − !" − !" + !" − !"  

 Q  25  iii)  Verify  the  Cayley  Hamilton  theorem  for  2×2  matrices  (Show  that  !!(!)  is  the  zero  matrix)    

!! ! = !! − ! ! + ! + !" − !"    

MATH280  Algebra  CHAPTER  3  (Linear  Algebra)  by  Mo  Val    

  48  

 !"#$%&'(  !"  !  !"#  !"#$%#&  !"#$%&#%$  !"  !  as  each  term  is  a  matrix    

!! ! = !! − ! ! + ! + !" − !" !    

! !! !

!− ! !

! ! ! + ! + !" − !" 1 00 1 = 0 0

0 0    Question  27  Verify  the  Cayley-­‐Hamilton  Theorem  using  the  characteristic  polynomial  in  factorized  form    

A)  0 0 41 0 40 1 −1

 

!! ! = −!! − !! + 4! + 4 = 4− !! ! + 1 = 2− ! 2+ ! ! + 1  = 2! − ! 2! + ! ! + ! = 0  

 Note  This  is  wrong  as  all  of  the  matrices  should  be  3x3  not  2x2    

2 00 2 − + = 0 0

0 0      Question  29  Use  Cayley-­‐Hamilton  theorem  to  find  parametric  equations  for  streamlines  in  velocity  fields    Q  29  a)  ! = !, !,−! − 3! − 3!    Solution    

! = !"    

! =!!

−! − 3! − !=

0 1 00 0 1−1 −3 −3

!!!  

 

! =0 1 00 0 1−1 −3 −3

 

   

!! ! = det ! − !" =−! 1 00 −! 1−1 −3 −3− !

 

   

= + −! −! −3− ! − (−3 ]+ − 1 [0+ 1]+ 0    

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!! ! = −! !! + 3! + 3 − 1 = −! !! + 3! + 3 − 1 = −!! − 3!! − 3! − 1= −(!! + 3!! + 3! + 1)  

   

!! ! = − ! + 1 !    Evals  !! = −1    

! = !!  ! = !!!  !! = !!!  

 ! ! ! = ! ! !  

 !! ! ! = !! ! !  

 !! ! ! = !   !"  !"#$%# − !"#$%&'(  !ℎ!"#!$  

!! ! ! = !      

!! = −1; !! = −1; !! = −1    

∴ ! + 1 !! = !    [Note:  For  repeated  factors  of  D  we  add  multiples  of  !]    

! = !!!! + !"!!! + !!!!!!  Where   !  !,!  !"#  !"#$%"!"&  !"#$%&#%  !"#$%&'    To  find  these  arbitrary  constant  vectors  corresponding  vector  coefficients  in  !  and  AX  must  be  equated    

∴ !" = !"!!! + !"#!!! + !!!!!!!    

! = −!!!! + !!!! + !" −1 !!! + 2!"!!! + !!! −1 !!!    

! = !!! −! + ! + !"!! −! + 2! − !!!!!!      Equate  coefficients    

!" = −!+ !  !" + ! = !  ! + ! ! = !  

 !" = −!+ !"  !" + ! = 2!  ! + ! ! = 2!  

 

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!" = −!  !" + ! = !  ! + ! ! = 0  

 Now  we  need  to  find  the  eigenvectors  Solve  for  C  in  { ! + ! ! = 0}    

! − !" ! = 0  Therefore  !  is  the  eigenvector  corresponding  to  ! = −1    

! − !" ! = !    Solve  the  eigenspace    

! =0 1 00 0 1−1 −3 −3

 

   

1 1 0 : 00 1 1 : 0−1 −3 −2 : 0

 

   

1 1 0 : 00 1 1 : 00 −2 −2 : 0

 

 1 0 −1 : 00 1 1 : 00 0 0 : 0

 

!"#  !! = !  !! = −!  !! = !  

 

!! = !1−11

 

Solve  for  B    

! + ! ! = 2!  

! + ! =0+ 1 1 00 0+ 1 1−1 −3 −3+ 1

~1 1 00 1 1−1 −3 −2

 

 1 1 0 : 2!0 1 1 : −2!−1 −3 −2 : !

 

 etc.