1.
A = ( 2 2 1 1 3 1 1 2 2 ) A=\begin{pmatrix}
2 & 2 & 1 \\
1 & 3 & 1 \\
1 & 2 & 2
\end{pmatrix} A = ⎝ ⎛ 2 1 1 2 3 2 1 1 2 ⎠ ⎞
det ( A − λ I ) = ∣ 2 − λ 2 1 1 3 − λ 1 1 2 2 − λ ∣ = 0 \det(A-\lambda I)=\begin{vmatrix}
2-\lambda & 2 & 1 \\
1 & 3-\lambda & 1 \\
1 & 2 & 2-\lambda \\
\end{vmatrix}=0 det ( A − λ I ) = ∣ ∣ 2 − λ 1 1 2 3 − λ 2 1 1 2 − λ ∣ ∣ = 0
( 2 − λ ) 2 ( 3 − λ ) + 2 + 2 − 3 + λ − 4 + 2 λ − 4 + 2 λ = 0 (2-\lambda)^2(3-\lambda)+2+2-3+\lambda-4+2\lambda-4+2\lambda=0 ( 2 − λ ) 2 ( 3 − λ ) + 2 + 2 − 3 + λ − 4 + 2 λ − 4 + 2 λ = 0
( 4 − 4 λ + λ 2 ) ( 3 − λ ) + 5 λ − 7 = 0 (4-4\lambda+\lambda^2)(3-\lambda)+5\lambda-7=0 ( 4 − 4 λ + λ 2 ) ( 3 − λ ) + 5 λ − 7 = 0
12 − 4 λ − 12 λ + 4 λ 2 + 3 λ 2 − λ 3 + 5 λ − 7 = 0 12-4\lambda-12\lambda+4\lambda^2+3\lambda^2-\lambda^3+5\lambda-7=0 12 − 4 λ − 12 λ + 4 λ 2 + 3 λ 2 − λ 3 + 5 λ − 7 = 0
− λ 3 + 7 λ 2 − 11 λ + 5 = 0 -\lambda^3+7\lambda^2-11\lambda+5=0 − λ 3 + 7 λ 2 − 11 λ + 5 = 0
− λ 2 ( λ − 1 ) + 6 λ ( λ − 1 ) − 5 ( λ − 1 ) = 0 -\lambda^2(\lambda-1)+6\lambda(\lambda-1)-5(\lambda-1)=0 − λ 2 ( λ − 1 ) + 6 λ ( λ − 1 ) − 5 ( λ − 1 ) = 0
− ( λ − 1 ) ( λ 2 − 6 λ + 5 ) = 0 -(\lambda-1)(\lambda^2-6\lambda+5)=0 − ( λ − 1 ) ( λ 2 − 6 λ + 5 ) = 0
− ( λ − 1 ) 2 ( λ − 5 ) = 0 -(\lambda-1)^2(\lambda-5)=0 − ( λ − 1 ) 2 ( λ − 5 ) = 0 The roots are λ 1 = 1 , λ 2 = 1 , λ 3 = 5. \lambda_1=1, \lambda_2=1, \lambda_3=5. λ 1 = 1 , λ 2 = 1 , λ 3 = 5.
These are the eigenvalues.
λ = 5 \lambda=5 λ = 5
( 2 − λ 2 1 1 3 − λ 1 1 2 2 − λ ) = ( − 3 2 1 1 − 2 1 1 2 − 3 ) \begin{pmatrix}
2-\lambda & 2 & 1 \\
1 & 3-\lambda & 1 \\
1 & 2 & 2-\lambda \\
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
-3 & 2 & 1 \\
1 & -2 & 1 \\
1 & 2 & -3
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 2 − λ 1 1 2 3 − λ 2 1 1 2 − λ ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ − 3 1 1 2 − 2 2 1 1 − 3 ⎠ ⎞ R 1 = R 1 / ( − 3 ) R_1=R_1/(-3) R 1 = R 1 / ( − 3 )
( 1 − 2 / 3 − 1 / 3 1 − 2 1 1 2 − 3 ) \begin{pmatrix}
1 & -2/3 & -1/3 \\
1 & -2 & 1 \\
1 & 2 & -3
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 1 1 − 2/3 − 2 2 − 1/3 1 − 3 ⎠ ⎞ R 2 = R 2 − R 1 R_2=R_2-R_1 R 2 = R 2 − R 1
( 1 − 2 / 3 − 1 / 3 0 − 4 / 3 4 / 3 1 2 − 3 ) \begin{pmatrix}
1 & -2/3 & -1/3 \\
0 & -4/3 & 4/3 \\
1 & 2 & -3
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 1 − 2/3 − 4/3 2 − 1/3 4/3 − 3 ⎠ ⎞ R 3 = R 3 − R 1 R_3=R_3-R_1 R 3 = R 3 − R 1
( 1 − 2 / 3 − 1 / 3 0 − 4 / 3 4 / 3 0 8 / 3 − 8 / 3 ) \begin{pmatrix}
1 & -2/3 & -1/3 \\
0 & -4/3 & 4/3 \\
0 & 8/3 & -8/3
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 0 − 2/3 − 4/3 8/3 − 1/3 4/3 − 8/3 ⎠ ⎞ R 2 = − 3 R 2 / 4 R_2=-3R_2/4 R 2 = − 3 R 2 /4
( 1 − 2 / 3 − 1 / 3 0 1 − 1 0 8 / 3 − 8 / 3 ) \begin{pmatrix}
1 & -2/3 & -1/3 \\
0 & 1 & -1 \\
0 & 8/3 & -8/3
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 0 − 2/3 1 8/3 − 1/3 − 1 − 8/3 ⎠ ⎞ R 1 = R 1 + 2 R 2 / 3 R_1=R_1+2R_2/3 R 1 = R 1 + 2 R 2 /3
( 1 0 − 1 0 1 − 1 0 8 / 3 − 8 / 3 ) \begin{pmatrix}
1 & 0 & -1\\
0 & 1 & -1 \\
0 & 8/3 & -8/3
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 8/3 − 1 − 1 − 8/3 ⎠ ⎞ R 3 = R 3 − 8 R 2 / 3 R_3=R_3-8R_2/3 R 3 = R 3 − 8 R 2 /3
( 1 0 − 1 0 1 − 1 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
1 & 0 & -1\\
0 & 1 & -1 \\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 − 1 − 1 0 ⎠ ⎞
( 1 0 − 1 0 1 − 1 0 0 0 ) ( x 1 x 2 x 3 ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
1 & 0 & -1\\
0 & 1 & -1 \\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
x_1\\
x_2 \\
x_3
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
0\\
0 \\
0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 − 1 − 1 0 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x 1 x 2 x 3 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞ If we take x 3 = t , x_3=t, x 3 = t , then x 1 = t , x 2 = t . x_1=t, x_2=t. x 1 = t , x 2 = t .
x ⃗ = ( t t t ) = ( 1 1 1 ) t \vec x=\begin{pmatrix}
t\\
t\\
t
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
1\\
1\\
1
\end{pmatrix}t x = ⎝ ⎛ t t t ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 1 1 1 ⎠ ⎞ t v ⃗ = ( 1 1 1 ) \vec v=\begin{pmatrix}
1\\
1\\
1
\end{pmatrix} v = ⎝ ⎛ 1 1 1 ⎠ ⎞ This is the eigenvector.
λ = 1 \lambda=1 λ = 1
( 2 − λ 2 1 1 3 − λ 1 1 2 2 − λ ) = ( 1 2 1 1 2 1 1 2 1 ) \begin{pmatrix}
2-\lambda & 2 & 1 \\
1 & 3-\lambda & 1 \\
1 & 2 & 2-\lambda \\
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
1 & 2 & 1 \\
1 & 2 & 1 \\
1 & 2 & 1
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 2 − λ 1 1 2 3 − λ 2 1 1 2 − λ ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 1 1 1 2 2 2 1 1 1 ⎠ ⎞
R 2 = R 2 − R 1 R_2=R_2-R_1 R 2 = R 2 − R 1
( 1 2 1 0 0 0 1 2 1 ) \begin{pmatrix}
1 & 2 & 1 \\
0 & 0 & 0 \\
1 & 2 & 1
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 1 2 0 2 1 0 1 ⎠ ⎞ R 3 = R 3 − R 1 R_3=R_3-R_1 R 3 = R 3 − R 1
( 1 2 1 0 0 0 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
1 & 2 & 1 \\
0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 0 2 0 0 1 0 0 ⎠ ⎞
( 1 2 1 0 0 0 0 0 0 ) ( x 1 x 2 x 3 ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
1 & 2 & 1\\
0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
x_1\\
x_2 \\
x_3
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
0\\
0 \\
0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 0 2 0 0 1 0 0 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x 1 x 2 x 3 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞ If we take x 2 = t , x 3 = s , x_2=t, x_3=s, x 2 = t , x 3 = s , then x 1 = − 2 t − s . x_1=-2t-s. x 1 = − 2 t − s .
x ⃗ = ( − 2 t − s t s ) = ( − 2 1 0 ) t + ( − 1 0 1 ) s \vec x=\begin{pmatrix}
-2t-s\\
t\\
s
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
-2\\
1\\
0
\end{pmatrix}t+\begin{pmatrix}
-1\\
0\\
1
\end{pmatrix}s x = ⎝ ⎛ − 2 t − s t s ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ − 2 1 0 ⎠ ⎞ t + ⎝ ⎛ − 1 0 1 ⎠ ⎞ s
u ⃗ = ( − 2 1 0 ) , w ⃗ = ( − 1 0 1 ) \vec u=\begin{pmatrix}
-2\\
1\\
0
\end{pmatrix}, \vec w=\begin{pmatrix}
-1\\
0\\
1
\end{pmatrix} u = ⎝ ⎛ − 2 1 0 ⎠ ⎞ , w = ⎝ ⎛ − 1 0 1 ⎠ ⎞ These are the eigenvectors.
2.
a 0 = 2 π ∫ − π π f ( x ) d x a_0=\dfrac{2}{\pi}\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}f(x)dx a 0 = π 2 ∫ − π π f ( x ) d x
= 2 π ∫ − π 0 x + π 2 d x + 2 π ∫ 0 π x − π 2 d x =\dfrac{2}{\pi}\displaystyle\int_{-\pi}^{0}\dfrac{x+\pi}{2}dx+\dfrac{2}{\pi}\displaystyle\int_{0}^{\pi}\dfrac{x-\pi}{2}dx = π 2 ∫ − π 0 2 x + π d x + π 2 ∫ 0 π 2 x − π d x
= 2 π [ x 2 4 + π x 2 ] 0 − π d + 2 π [ x 2 4 − π x 2 ] π 0 =\dfrac{2}{\pi}[\dfrac{x^2}{4}+\dfrac{\pi x}{2}]\begin{matrix}
0 \\
-\pi & d
\end{matrix}+\dfrac{2}{\pi}[\dfrac{x^2}{4}-\dfrac{\pi x}{2}]\begin{matrix}
\pi \\
0
\end{matrix} = π 2 [ 4 x 2 + 2 π x ] 0 − π d + π 2 [ 4 x 2 − 2 π x ] π 0
= π 2 − π 2 = 0 =\dfrac{\pi}{2}-\dfrac{\pi}{2}=0 = 2 π − 2 π = 0
a n = 1 π ∫ − π π f ( x ) cos n x d x a_n=\dfrac{1}{\pi}\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\cos{nx}dx a n = π 1 ∫ − π π f ( x ) cos n x d x
= 1 π ∫ − π 0 x + π 2 cos n x d x + 1 π ∫ 0 π x − π 2 cos n x d x =\dfrac{1}{\pi}\displaystyle\int_{-\pi}^{0}\dfrac{x+\pi}{2}\cos{nx}dx+\dfrac{1}{\pi}\displaystyle\int_{0}^{\pi}\dfrac{x-\pi}{2}\cos{nx}dx = π 1 ∫ − π 0 2 x + π cos n x d x + π 1 ∫ 0 π 2 x − π cos n x d x
= − cos π n − 1 2 π n 2 + cos π n − 1 2 π n 2 = 0 =-\dfrac{\cos{\pi n}-1}{2\pi n^2}+\dfrac{\cos{\pi n}-1}{2\pi n^2}=0 = − 2 π n 2 cos πn − 1 + 2 π n 2 cos πn − 1 = 0
b n = 1 π ∫ − π π f ( x ) sin n x d x b_n=\dfrac{1}{\pi}\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\sin{nx}dx b n = π 1 ∫ − π π f ( x ) sin n x d x
= 1 π ∫ − π 0 x + π 2 sin n x d x + 1 π ∫ 0 π x − π 2 sin n x d x =\dfrac{1}{\pi}\displaystyle\int_{-\pi}^{0}\dfrac{x+\pi}{2}\sin{nx}dx+\dfrac{1}{\pi}\displaystyle\int_{0}^{\pi}\dfrac{x-\pi}{2}\sin{nx}dx = π 1 ∫ − π 0 2 x + π sin n x d x + π 1 ∫ 0 π 2 x − π sin n x d x
= − 1 2 n − 1 2 n = − 1 n =-\dfrac{1}{2n}-\dfrac{1}{2n}=-\dfrac{1}{n} = − 2 n 1 − 2 n 1 = − n 1
f ( x ) = − ∑ n = 1 ∞ 1 n sin n x f(x)=-\displaystyle\sum_{n=1}^{\infin}\dfrac{1}{n}\sin{nx} f ( x ) = − n = 1 ∑ ∞ n 1 sin n x
Comments