Answer on Question #81450 – Math – Linear Algebra
Question
ii) B = ( − 1 − 3 0 2 4 0 − 1 − 1 2 ) B = \begin{pmatrix} -1 & -3 & 0 \\ 2 & 4 & 0 \\ -1 & -1 & 2 \end{pmatrix} B = ⎝ ⎛ − 1 2 − 1 − 3 4 − 1 0 0 2 ⎠ ⎞
b) Find inverse of the matrix B B B in part a) of the question by finding the adjoint as well as using Cayley-Hamilton theorem.
Solution
B = ( − 1 − 3 0 2 4 0 − 1 − 1 2 ) B = \begin{pmatrix} -1 & -3 & 0 \\ 2 & 4 & 0 \\ -1 & -1 & 2 \end{pmatrix} B = ⎝ ⎛ − 1 2 − 1 − 3 4 − 1 0 0 2 ⎠ ⎞ det ( B ) = ∣ − 1 − 3 0 2 4 0 − 1 − 1 2 ∣ = 2 ∣ − 1 − 3 2 4 ∣ = 2 ( − 4 + 6 ) = 4 ≠ 0 \det(B) = \begin{vmatrix} -1 & -3 & 0 \\ 2 & 4 & 0 \\ -1 & -1 & 2 \end{vmatrix} = 2 \begin{vmatrix} -1 & -3 \\ 2 & 4 \end{vmatrix} = 2(-4 + 6) = 4 \neq 0 det ( B ) = ∣ ∣ − 1 2 − 1 − 3 4 − 1 0 0 2 ∣ ∣ = 2 ∣ ∣ − 1 2 − 3 4 ∣ ∣ = 2 ( − 4 + 6 ) = 4 = 0 C 11 = ∣ 4 0 − 1 2 ∣ = 8 , C 12 = − ∣ 2 0 − 1 2 ∣ = − 4 , C 13 = ∣ 2 4 − 1 − 1 ∣ = 2 C_{11} = \begin{vmatrix} 4 & 0 \\ -1 & 2 \end{vmatrix} = 8, \quad C_{12} = - \begin{vmatrix} 2 & 0 \\ -1 & 2 \end{vmatrix} = -4, \quad C_{13} = \begin{vmatrix} 2 & 4 \\ -1 & -1 \end{vmatrix} = 2 C 11 = ∣ ∣ 4 − 1 0 2 ∣ ∣ = 8 , C 12 = − ∣ ∣ 2 − 1 0 2 ∣ ∣ = − 4 , C 13 = ∣ ∣ 2 − 1 4 − 1 ∣ ∣ = 2 C 21 = − ∣ − 3 0 − 1 2 ∣ = 6 , C 22 = ∣ − 1 0 − 1 2 ∣ = − 2 , C 23 = − ∣ − 1 − 3 − 1 − 1 ∣ = 2 C_{21} = - \begin{vmatrix} -3 & 0 \\ -1 & 2 \end{vmatrix} = 6, \quad C_{22} = \begin{vmatrix} -1 & 0 \\ -1 & 2 \end{vmatrix} = -2, \quad C_{23} = - \begin{vmatrix} -1 & -3 \\ -1 & -1 \end{vmatrix} = 2 C 21 = − ∣ ∣ − 3 − 1 0 2 ∣ ∣ = 6 , C 22 = ∣ ∣ − 1 − 1 0 2 ∣ ∣ = − 2 , C 23 = − ∣ ∣ − 1 − 1 − 3 − 1 ∣ ∣ = 2 C 31 = ∣ − 3 0 4 0 ∣ = 0 , C 32 = − ∣ − 1 0 2 0 ∣ = 0 , C 33 = ∣ − 1 − 3 2 4 ∣ = 2 C_{31} = \begin{vmatrix} -3 & 0 \\ 4 & 0 \end{vmatrix} = 0, \quad C_{32} = - \begin{vmatrix} -1 & 0 \\ 2 & 0 \end{vmatrix} = 0, \quad C_{33} = \begin{vmatrix} -1 & -3 \\ 2 & 4 \end{vmatrix} = 2 C 31 = ∣ ∣ − 3 4 0 0 ∣ ∣ = 0 , C 32 = − ∣ ∣ − 1 2 0 0 ∣ ∣ = 0 , C 33 = ∣ ∣ − 1 2 − 3 4 ∣ ∣ = 2 A g j ( B ) = C T = ( 8 6 0 − 4 − 2 0 2 2 2 ) Agj(B) = C^T = \begin{pmatrix} 8 & 6 & 0 \\ -4 & -2 & 0 \\ 2 & 2 & 2 \end{pmatrix} A g j ( B ) = C T = ⎝ ⎛ 8 − 4 2 6 − 2 2 0 0 2 ⎠ ⎞ B − 1 = 1 det ( B ) A g j ( B ) = 1 4 ( 8 6 0 − 4 − 2 0 2 2 2 ) = ( 2 3 / 2 0 − 1 − 1 / 2 0 1 / 2 1 / 2 1 / 2 ) B^{-1} = \frac{1}{\det(B)} Agj(B) = \frac{1}{4} \begin{pmatrix} 8 & 6 & 0 \\ -4 & -2 & 0 \\ 2 & 2 & 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 & 3/2 & 0 \\ -1 & -1/2 & 0 \\ 1/2 & 1/2 & 1/2 \end{pmatrix} B − 1 = det ( B ) 1 A g j ( B ) = 4 1 ⎝ ⎛ 8 − 4 2 6 − 2 2 0 0 2 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 2 − 1 1/2 3/2 − 1/2 1/2 0 0 1/2 ⎠ ⎞
Use Cayley-Hamilton theorem
p ( t ) = det ( B − t I ) p(t) = \det(B - tI) p ( t ) = det ( B − t I ) det ( B − t I ) = ∣ − 1 − t − 3 0 2 4 − t 0 − 1 − 1 2 − t ∣ = ( 2 − t ) ∣ − 1 − t − 3 2 4 − t ∣ = \det(B - tI) = \begin{vmatrix} -1 - t & -3 & 0 \\ 2 & 4 - t & 0 \\ -1 & -1 & 2 - t \end{vmatrix} = (2 - t) \begin{vmatrix} -1 - t & -3 \\ 2 & 4 - t \end{vmatrix} = det ( B − t I ) = ∣ ∣ − 1 − t 2 − 1 − 3 4 − t − 1 0 0 2 − t ∣ ∣ = ( 2 − t ) ∣ ∣ − 1 − t 2 − 3 4 − t ∣ ∣ = = ( 2 − t ) ( − 4 + t − 4 t + t 2 + 6 ) = = (2 - t)(-4 + t - 4t + t^2 + 6) = = ( 2 − t ) ( − 4 + t − 4 t + t 2 + 6 ) = = 4 − 6 t + 2 t 2 − 2 t + 3 t 2 − t 3 = − t 3 + 5 t 2 − 8 t + 4 = 4 - 6t + 2t^2 - 2t + 3t^2 - t^3 = -t^3 + 5t^2 - 8t + 4 = 4 − 6 t + 2 t 2 − 2 t + 3 t 2 − t 3 = − t 3 + 5 t 2 − 8 t + 4 p ( B ) = 0 ⇒ − B 3 + 5 B 2 − 8 B + 4 I = 0 p(B) = 0 \Rightarrow -B^3 + 5B^2 - 8B + 4I = 0 p ( B ) = 0 ⇒ − B 3 + 5 B 2 − 8 B + 4 I = 0 I = 1 4 ( B 3 − 5 B 2 + 8 B ) I = \frac{1}{4}(B^3 - 5B^2 + 8B) I = 4 1 ( B 3 − 5 B 2 + 8 B ) I = 1 4 B ( B 2 − 5 B + 8 I ) I = \frac{1}{4}B(B^2 - 5B + 8I) I = 4 1 B ( B 2 − 5 B + 8 I ) B − 1 = 1 4 ( B 2 − 5 B + 8 I ) B^{-1} = \frac{1}{4}(B^2 - 5B + 8I) B − 1 = 4 1 ( B 2 − 5 B + 8 I ) B 2 = ( − 1 − 3 0 2 4 0 − 1 − 1 2 ) ( − 1 − 3 0 2 4 0 − 1 − 1 2 ) = ( − 1 ( − 1 ) − 3 ( 2 ) + 0 − 1 ( − 3 ) − 3 ( 4 ) + 0 0 2 ( − 1 ) + 4 ( 2 ) + 0 2 ( − 3 ) + 4 ( 4 ) + 0 0 − 1 ( − 1 ) − 1 ( 2 ) + 2 ( − 1 ) − 1 ( − 3 ) − 1 ( 4 ) + 2 ( − 1 ) 0 + 0 + 2 ( 2 ) ) = ( − 5 − 9 0 6 10 0 − 3 − 3 4 ) \begin{aligned}
B^2 &= \begin{pmatrix} -1 & -3 & 0 \\ 2 & 4 & 0 \\ -1 & -1 & 2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 & -3 & 0 \\ 2 & 4 & 0 \\ -1 & -1 & 2 \end{pmatrix} \\
&= \begin{pmatrix} -1(-1) - 3(2) + 0 & -1(-3) - 3(4) + 0 & 0 \\ 2(-1) + 4(2) + 0 & 2(-3) + 4(4) + 0 & 0 \\ -1(-1) - 1(2) + 2(-1) & -1(-3) - 1(4) + 2(-1) & 0 + 0 + 2(2) \end{pmatrix} \\
&= \begin{pmatrix} -5 & -9 & 0 \\ 6 & 10 & 0 \\ -3 & -3 & 4 \end{pmatrix}
\end{aligned} B 2 = ⎝ ⎛ − 1 2 − 1 − 3 4 − 1 0 0 2 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ − 1 2 − 1 − 3 4 − 1 0 0 2 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ − 1 ( − 1 ) − 3 ( 2 ) + 0 2 ( − 1 ) + 4 ( 2 ) + 0 − 1 ( − 1 ) − 1 ( 2 ) + 2 ( − 1 ) − 1 ( − 3 ) − 3 ( 4 ) + 0 2 ( − 3 ) + 4 ( 4 ) + 0 − 1 ( − 3 ) − 1 ( 4 ) + 2 ( − 1 ) 0 0 0 + 0 + 2 ( 2 ) ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ − 5 6 − 3 − 9 10 − 3 0 0 4 ⎠ ⎞ B 2 − 5 B + 8 I = ( − 5 − 9 0 6 10 0 − 3 − 3 4 ) + ( 5 15 0 − 10 − 20 0 5 5 − 10 ) + ( 8 0 0 0 8 0 0 0 8 ) = ( 8 6 0 − 4 − 2 0 2 2 2 ) \begin{aligned}
B^2 - 5B + 8I &= \begin{pmatrix} -5 & -9 & 0 \\ 6 & 10 & 0 \\ -3 & -3 & 4 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 5 & 15 & 0 \\ -10 & -20 & 0 \\ 5 & 5 & -10 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 8 & 0 & 0 \\ 0 & 8 & 0 \\ 0 & 0 & 8 \end{pmatrix} \\
&= \begin{pmatrix} 8 & 6 & 0 \\ -4 & -2 & 0 \\ 2 & 2 & 2 \end{pmatrix}
\end{aligned} B 2 − 5 B + 8 I = ⎝ ⎛ − 5 6 − 3 − 9 10 − 3 0 0 4 ⎠ ⎞ + ⎝ ⎛ 5 − 10 5 15 − 20 5 0 0 − 10 ⎠ ⎞ + ⎝ ⎛ 8 0 0 0 8 0 0 0 8 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 8 − 4 2 6 − 2 2 0 0 2 ⎠ ⎞ B − 1 = 1 4 ( 8 6 0 − 4 − 2 0 2 2 2 ) = ( 2 3 / 2 0 − 1 − 1 / 2 0 1 / 2 1 / 2 1 / 2 ) B^{-1} = \frac{1}{4} \begin{pmatrix} 8 & 6 & 0 \\ -4 & -2 & 0 \\ 2 & 2 & 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 & 3/2 & 0 \\ -1 & -1/2 & 0 \\ 1/2 & 1/2 & 1/2 \end{pmatrix} B − 1 = 4 1 ⎝ ⎛ 8 − 4 2 6 − 2 2 0 0 2 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 2 − 1 1/2 3/2 − 1/2 1/2 0 0 1/2 ⎠ ⎞ B − 1 = ( 2 3 / 2 0 − 1 − 1 / 2 0 1 / 2 1 / 2 1 / 2 ) B^{-1} = \begin{pmatrix} 2 & 3/2 & 0 \\ -1 & -1/2 & 0 \\ 1/2 & 1/2 & 1/2 \end{pmatrix} B − 1 = ⎝ ⎛ 2 − 1 1/2 3/2 − 1/2 1/2 0 0 1/2 ⎠ ⎞
Augment the matrix with identity matrix
( − 1 − 3 0 1 0 0 2 4 0 0 1 0 − 1 − 1 2 0 0 1 ) \begin{pmatrix} -1 & -3 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 2 & 4 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ -1 & -1 & 2 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 1 2 − 1 − 3 4 − 1 0 0 2 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ⎠ ⎞ ( − 1 − 3 0 1 0 0 2 4 0 0 1 0 − 1 − 1 2 0 0 1 ) → R 2 + ( 2 ) R 1 ( − 1 − 3 0 1 0 0 0 − 2 0 2 1 0 − 1 − 1 2 0 0 1 ) \begin{pmatrix} -1 & -3 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 2 & 4 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ -1 & -1 & 2 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \xrightarrow{R_2 + (2)R_1} \begin{pmatrix} -1 & -3 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & 0 & 2 & 1 & 0 \\ -1 & -1 & 2 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 1 2 − 1 − 3 4 − 1 0 0 2 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ⎠ ⎞ R 2 + ( 2 ) R 1 ⎝ ⎛ − 1 0 − 1 − 3 − 2 − 1 0 0 2 1 2 0 0 1 0 0 0 1 ⎠ ⎞ ( − 1 − 3 0 1 0 0 0 − 2 0 2 1 0 − 1 − 1 2 0 0 1 ) → R 3 − R 1 ( − 1 − 3 0 1 0 0 0 − 2 0 2 1 0 0 2 2 − 1 0 1 ) \begin{pmatrix} -1 & -3 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & 0 & 2 & 1 & 0 \\ -1 & -1 & 2 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \xrightarrow{R_3 - R_1} \begin{pmatrix} -1 & -3 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & 0 & 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 2 & -1 & 0 & 1 \end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 1 0 − 1 − 3 − 2 − 1 0 0 2 1 2 0 0 1 0 0 0 1 ⎠ ⎞ R 3 − R 1 ⎝ ⎛ − 1 0 0 − 3 − 2 2 0 0 2 1 2 − 1 0 1 0 0 0 1 ⎠ ⎞ ( − 1 − 3 0 1 0 0 0 − 2 0 2 1 0 0 2 2 − 1 0 1 ) → ( − 1 ) R 1 ( 1 3 0 − 1 0 0 0 − 2 0 2 1 0 0 2 2 − 1 0 1 ) \begin{pmatrix} -1 & -3 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & 0 & 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 2 & -1 & 0 & 1 \end{pmatrix} \xrightarrow{(-1)R_1} \begin{pmatrix} 1 & 3 & 0 & -1 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & 0 & 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 2 & -1 & 0 & 1 \end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 1 0 0 − 3 − 2 2 0 0 2 1 2 − 1 0 1 0 0 0 1 ⎠ ⎞ ( − 1 ) R 1 ⎝ ⎛ 1 0 0 3 − 2 2 0 0 2 − 1 2 − 1 0 1 0 0 0 1 ⎠ ⎞ ( 1 3 0 − 1 0 0 0 − 2 0 2 1 0 0 2 2 − 1 0 1 ) → R 3 + R 2 ( 1 3 0 − 1 0 0 0 − 2 0 2 1 0 0 0 2 1 1 1 ) \left(\begin{array}{cccccc}
1 & 3 & 0 & -1 & 0 & 0 \\
0 & -2 & 0 & 2 & 1 & 0 \\
0 & 2 & 2 & -1 & 0 & 1
\end{array}\right) \xrightarrow{R_3 + R_2} \left(\begin{array}{cccccc}
1 & 3 & 0 & -1 & 0 & 0 \\
0 & -2 & 0 & 2 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 & 1 & 1
\end{array}\right) ⎝ ⎛ 1 0 0 3 − 2 2 0 0 2 − 1 2 − 1 0 1 0 0 0 1 ⎠ ⎞ R 3 + R 2 ⎝ ⎛ 1 0 0 3 − 2 0 0 0 2 − 1 2 1 0 1 1 0 0 1 ⎠ ⎞ ( 1 3 0 − 1 0 0 0 − 2 0 2 1 0 0 2 2 − 1 0 1 ) → R 2 / ( − 2 ) ( 1 3 0 − 1 0 0 0 1 0 − 1 − 1 / 2 0 0 0 2 1 1 1 ) \left(\begin{array}{cccccc}
1 & 3 & 0 & -1 & 0 & 0 \\
0 & -2 & 0 & 2 & 1 & 0 \\
0 & 2 & 2 & -1 & 0 & 1
\end{array}\right) \xrightarrow{R_2 / (-2)} \left(\begin{array}{cccccc}
1 & 3 & 0 & -1 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 0 & -1 & -1/2 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 & 1 & 1
\end{array}\right) ⎝ ⎛ 1 0 0 3 − 2 2 0 0 2 − 1 2 − 1 0 1 0 0 0 1 ⎠ ⎞ R 2 / ( − 2 ) ⎝ ⎛ 1 0 0 3 1 0 0 0 2 − 1 − 1 1 0 − 1/2 1 0 0 1 ⎠ ⎞ ( 1 3 0 − 1 0 0 0 1 0 − 1 − 1 / 2 0 0 0 2 1 1 1 ) → R 1 − ( 3 ) R 2 ( 1 0 0 2 3 / 2 0 0 1 0 − 1 − 1 / 2 0 0 0 2 1 1 1 ) \left(\begin{array}{cccccc}
1 & 3 & 0 & -1 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 0 & -1 & -1/2 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 & 1 & 1
\end{array}\right) \xrightarrow{R_1 - (3)R_2} \left(\begin{array}{cccccc}
1 & 0 & 0 & 2 & 3/2 & 0 \\
0 & 1 & 0 & -1 & -1/2 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 & 1 & 1
\end{array}\right) ⎝ ⎛ 1 0 0 3 1 0 0 0 2 − 1 − 1 1 0 − 1/2 1 0 0 1 ⎠ ⎞ R 1 − ( 3 ) R 2 ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 0 0 2 2 − 1 1 3/2 − 1/2 1 0 0 1 ⎠ ⎞ ( 1 0 0 2 3 / 2 0 0 1 0 − 1 − 1 / 2 0 0 0 2 1 1 1 ) → R 3 / 2 ( 1 0 0 2 3 / 2 0 0 1 0 − 1 − 1 / 2 0 0 0 1 1 / 2 1 / 2 1 / 2 ) \left(\begin{array}{cccccc}
1 & 0 & 0 & 2 & 3/2 & 0 \\
0 & 1 & 0 & -1 & -1/2 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 1 & 1 & 1
\end{array}\right) \xrightarrow{R_3/2} \left(\begin{array}{cccccc}
1 & 0 & 0 & 2 & 3/2 & 0 \\
0 & 1 & 0 & -1 & -1/2 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 1/2 & 1/2 & 1/2
\end{array}\right) ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 0 0 2 2 − 1 1 3/2 − 1/2 1 0 0 1 ⎠ ⎞ R 3 /2 ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 0 0 1 2 − 1 1/2 3/2 − 1/2 1/2 0 0 1/2 ⎠ ⎞
We have obtained the identity matrix to the left. So, we are done.
B − 1 = ( 2 3 / 2 0 − 1 − 1 / 2 0 1 / 2 1 / 2 1 / 2 ) B^{-1} = \left( \begin{array}{ccc}
2 & 3/2 & 0 \\
-1 & -1/2 & 0 \\
1/2 & 1/2 & 1/2
\end{array} \right) B − 1 = ⎝ ⎛ 2 − 1 1/2 3/2 − 1/2 1/2 0 0 1/2 ⎠ ⎞
Answer provided by https://www.AssignmentExpert.com