Question Number 74019 by mathmax by abdo last updated on 17/Nov/19
$${let}\:{the}\:{matrix}\:\:{A}\:=\begin{pmatrix}{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{2}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:−\mathrm{3}}\end{pmatrix} \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\:{calculate}\:{A}^{{n}} \:\:{for}\:{n}\:{integr} \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{find}\:{e}^{{A}} \:\:{and}\:{e}^{−{A}} . \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 18/Nov/19
$${the}\:{caracteristic}\:{polynom}\:{of}\:{A}\:{is} \\ $$$${p}\left({x}\right)={det}\left({A}−{xI}\right)\:=\begin{vmatrix}{\mathrm{1}−{x}\:\:\:\:\:\:\mathrm{2}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:−\mathrm{3}−{x}}\end{vmatrix}=−\left(\mathrm{3}+{x}\right)\left(\mathrm{1}−{x}\right) \\ $$$$=\left({x}+\mathrm{3}\right)\left({x}−\mathrm{1}\right)\:{the}\:{propers}\:{value}\:{is}\:\lambda_{\mathrm{1}} =−\mathrm{3}\:\:{and}\:\lambda_{\mathrm{2}} =\mathrm{1} \\ $$$${V}\left(\lambda_{\mathrm{1}} \right)={ker}\left({A}+\mathrm{3}{I}\right)=\left\{{u}/\left({A}+\mathrm{3}{I}\right){u}=\mathrm{0}\right\} \\ $$$${u}\begin{pmatrix}{{x}}\\{{y}}\end{pmatrix}\:\:\:\:\left({A}+\mathrm{3}{I}\right){u}=\mathrm{0}\:\:\Leftrightarrow\begin{pmatrix}{\mathrm{4}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{2}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\end{pmatrix}\begin{pmatrix}{{x}}\\{{y}}\end{pmatrix}\:\:=\mathrm{0}\:\Rightarrow\mathrm{4}{x}+\mathrm{2}{y}\:=\mathrm{0}\:\Rightarrow\mathrm{2}{x}+{y}=\mathrm{0}\:\Rightarrow \\ $$$${y}=−\mathrm{2}{x}\:\Rightarrow\left({x},{y}\right)=\left({x},−\mathrm{2}{x}\right)={x}\left(\mathrm{1},−\mathrm{2}\right)\:\Rightarrow{V}\left(−\mathrm{3}\right)={vet}\left({e}_{\mathrm{1}} \right)\:{with} \\ $$$${e}_{\mathrm{1}} \left(\mathrm{1},−\mathrm{2}\right) \\ $$$${V}\left(\lambda_{\mathrm{1}} \right)={Ker}\left({A}−{I}\right)=\left\{{u}\:/\left({A}−{I}\right){u}=\mathrm{0}\right\} \\ $$$$\left({A}−{I}\right){u}=\mathrm{0}\:\Rightarrow\begin{pmatrix}{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{2}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:−\mathrm{4}}\end{pmatrix}\:\begin{pmatrix}{{x}}\\{{y}}\end{pmatrix}=\mathrm{0}\:\:\:\Rightarrow{y}=\mathrm{0}\:\Rightarrow\left({x},{y}\right)={x}\left(\mathrm{1},\mathrm{0}\right) \\ $$$$\Rightarrow{P}\:=\begin{pmatrix}{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\\{−\mathrm{2}\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\end{pmatrix}\:\:\:\:{and}\:\:{D}\:=\begin{pmatrix}{−\mathrm{3}\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\end{pmatrix} \\ $$$${A}\:={P}\:{DP}^{−\mathrm{1}} \:\Rightarrow\:{A}^{{n}} ={PD}^{{n}} {P}^{−\mathrm{1}} \: \\ $$$${we}\:{have}\:\:{p}_{{c}} \left({P}\right)=\begin{vmatrix}{\mathrm{1}−{x}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\\{−\mathrm{2}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:−{x}}\end{vmatrix}=−{x}\left(\mathrm{1}−{x}\right)+\mathrm{2}\:={x}^{\mathrm{2}} −{x}\:+\mathrm{2} \\ $$$${cayley}\:{hamilton}\:\Rightarrow{p}^{\mathrm{2}} −{p}\:+\mathrm{2}{I}\:=\mathrm{0}\:\Rightarrow{p}\left({p}−{I}\right)\:=−\mathrm{2}{I}\:\Rightarrow \\ $$$${p}\left\{−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left({p}−{I}\right)\right\}\:={I}\:\Rightarrow{p}^{−\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left\{\:{I}−{p}\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left\{\:\begin{pmatrix}{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\end{pmatrix}\:\:−\begin{pmatrix}{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\\{−\mathrm{2}\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\end{pmatrix}\right\}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\begin{pmatrix}{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:−\mathrm{1}}\\{\mathrm{2}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\end{pmatrix} \\ $$$${A}^{{n}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\begin{pmatrix}{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\\{−\mathrm{2}\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\end{pmatrix}\:\:\begin{pmatrix}{\left(−\mathrm{3}\right)^{{n}} \:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\end{pmatrix}\:\:\begin{pmatrix}{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:−\mathrm{1}}\\{\mathrm{2}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\end{pmatrix} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\begin{pmatrix}{\left(−\mathrm{3}\right)^{{n}\:\:\:\:} \:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\\{−\mathrm{2}\left(−\mathrm{3}\right)^{{n}} \:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\end{pmatrix}\:\:\:\begin{pmatrix}{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:−\mathrm{1}}\\{\mathrm{2}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\end{pmatrix} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\begin{pmatrix}{\:\mathrm{2}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}−\left(−\mathrm{3}\right)^{{n}} }\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{2}\left(−\mathrm{3}\right)^{{n}} }\end{pmatrix}\:\:=\begin{pmatrix}{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}−\left(−\mathrm{3}\right)^{{n}} }{\mathrm{2}}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\left(−\mathrm{3}\right)^{{n}} }\end{pmatrix} \\ $$$$ \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 18/Nov/19
$$\left.\mathrm{2}\right)\:{e}^{{A}} \:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{{A}^{{n}} }{{n}!}\:=\:\begin{pmatrix}{\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}!}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} \:\frac{\mathrm{1}−\left(−\mathrm{3}\right)^{{n}} }{\mathrm{2}{n}!}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\left(−\mathrm{3}\right)^{{n}} }{{n}!}\:}\end{pmatrix} \\ $$$$=\:\begin{pmatrix}{\:\:{e}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left({e}−{e}^{−\mathrm{3}} \right)}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{e}^{−\mathrm{3}} }\end{pmatrix} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 18/Nov/19
$${e}^{−{A}} \:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}!}\:{A}^{{n}} \:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}!}\:\begin{pmatrix}{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}−\left(−\mathrm{3}\right)^{{n}} }{\mathrm{2}}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\left(−\mathrm{3}\right)^{{n}} }\end{pmatrix} \\ $$$$=\begin{pmatrix}{\:\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}!}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}!}\:\:\frac{\mathrm{1}−\left(−\mathrm{3}\right)^{{n}} }{\mathrm{2}}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \left(−\mathrm{3}\right)^{{n}} }{{n}!}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:}\end{pmatrix} \\ $$$$=\:\begin{pmatrix}{\:\:\:{e}^{−\mathrm{1}} \:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\:\:{e}^{−\mathrm{1}} −{e}^{\mathrm{3}} \right)\:\:\:\:}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{e}^{\mathrm{3}} \:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:}\end{pmatrix} \\ $$
Answered by mind is power last updated on 17/Nov/19
$$\mathrm{det}\left(\mathrm{A}−\mathrm{xI}_{\mathrm{2}} \right)=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{let}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{x},\mathrm{y}\right)=\left(\mathrm{x}+\mathrm{2y},−\mathrm{3y}\right) \\ $$$$\Rightarrow\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}\right)\left(−\mathrm{3}−\mathrm{x}\right)=\mathrm{0}\Rightarrow\mathrm{x}\in\left\{\mathrm{1},−\mathrm{3}\right\} \\ $$$$\mathrm{x}=\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{x},\mathrm{y}\right)=\left(\mathrm{x},\mathrm{y}\right)\Rightarrow\mathrm{y}=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{e}=\left(\mathrm{1},\mathrm{0}\right) \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{x},\mathrm{y}\right)=−\mathrm{3}\left(\mathrm{x},\mathrm{y}\right)\Rightarrow\mathrm{4x}+\mathrm{2y}=\mathrm{0}\Rightarrow\mathrm{y}=−\mathrm{2x} \\ $$$$\mathrm{e}_{\mathrm{2}} =\left(\mathrm{1},−\mathrm{2}\right) \\ $$$$\mathrm{A}=\mathrm{PDP}^{−\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{P}=\begin{pmatrix}{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:−\mathrm{2}}\end{pmatrix},\mathrm{P}^{−} =−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\begin{pmatrix}{−\mathrm{2}\:\:\:\:\:\:−\mathrm{1}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\end{pmatrix} \\ $$$$\mathrm{A}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\begin{pmatrix}{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:−\mathrm{2}}\end{pmatrix}.\begin{pmatrix}{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\\{\mathrm{0}\:−\mathrm{3}}\end{pmatrix}.\begin{pmatrix}{−\mathrm{2}\:\:\:−\mathrm{1}}\\{\:\:\:\:\:\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\end{pmatrix} \\ $$$$\mathrm{A}^{\mathrm{n}} =\mathrm{ePD}^{\mathrm{n}} \mathrm{P}^{−} \\ $$$$\mathrm{e}^{\mathrm{A}} =\Sigma\frac{\mathrm{A}^{\mathrm{k}} }{\mathrm{k}!}=\mathrm{P}\left(\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{+\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{D}^{\mathrm{k}} }{\mathrm{k}!}.\right)\mathrm{P}^{−} =\mathrm{P}.\begin{pmatrix}{\mathrm{e}\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{e}^{−\mathrm{3}} }\end{pmatrix}.\mathrm{P}^{−} \\ $$$$\mathrm{e}^{−\mathrm{A}} =\mathrm{P}\left(\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{+\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{D}\right)^{\mathrm{k}} }{\mathrm{k}!}\right)\mathrm{P}^{−} =\mathrm{P}.\begin{pmatrix}{\mathrm{e}^{−\mathrm{1}} \:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{e}^{\mathrm{3}} }\end{pmatrix}\:\mathrm{P}^{−} \\ $$
Commented by abdomathmax last updated on 18/Nov/19
$${thank}\:{you}\:{sir}. \\ $$