Question Number 100994 by mathmax by abdo last updated on 29/Jun/20
$$\mathrm{let}\:\:\mathrm{A}\:=\begin{pmatrix}{\mathrm{2}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\\{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{3}}\end{pmatrix} \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\:\mathrm{calculate}\:\mathrm{A}^{\mathrm{n}} \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:\mathrm{find}\:\mathrm{e}^{\mathrm{A}} \:,\mathrm{e}^{−\mathrm{A}} \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right)\mathrm{determine}\:\mathrm{ch}\left(\mathrm{A}\right)\:\mathrm{and}\:\mathrm{sh}\left(\mathrm{A}\right)\:\:\mathrm{is}\:\mathrm{ch}^{\mathrm{2}} \mathrm{A}−\mathrm{sh}^{\mathrm{2}} \mathrm{A}\:=\mathrm{1}? \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 01/Jul/20
$$\left.\mathrm{1}\right)\:\mathrm{the}\:\mathrm{caracteristic}\:\mathrm{polynom}\:\mathrm{of}\:\mathrm{A}\:\mathrm{is}\:\mathrm{p}_{\mathrm{c}} \left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{det}\left(\mathrm{A}−\mathrm{xI}\right) \\ $$$$=\begin{vmatrix}{\mathrm{2}−\mathrm{x}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\\{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{3}−\mathrm{x}}\end{vmatrix}\:=\left(\mathrm{x}−\mathrm{2}\right)\left(\mathrm{x}−\mathrm{3}\right)−\mathrm{1}\:=\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{5x}+\mathrm{6}−\mathrm{1}\:=\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{5x}\:+\mathrm{5} \\ $$$$\mathrm{P}_{\mathrm{c}} \left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{0}\:\Leftrightarrow\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{5x}\:+\mathrm{5}\:=\mathrm{0}\:\rightarrow\Delta\:=\mathrm{25}−\mathrm{20}\:=\mathrm{5}\:\Rightarrow\alpha=\frac{\mathrm{5}+\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{and}\:\beta=\frac{\mathrm{5}−\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\mathrm{x}^{\mathrm{n}\:} \:=\mathrm{qP}_{\mathrm{c}} \left(\mathrm{x}\right)\:+\mathrm{u}_{\mathrm{n}} \mathrm{x}\:+\mathrm{v}_{\mathrm{n}} \:\Rightarrow\begin{cases}{\alpha^{\mathrm{n}} \:=\mathrm{u}_{\mathrm{n}} \alpha\:+\mathrm{v}_{\mathrm{n}} }\\{\beta^{\mathrm{n}} \:=\mathrm{u}_{\mathrm{n}} \beta\:+\mathrm{v}_{\mathrm{n}} }\end{cases} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{u}_{\mathrm{n}} =\frac{\alpha^{\mathrm{n}} −\beta^{\mathrm{n}} }{\alpha−\beta}\:=\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}}\left\{\:\left(\frac{\mathrm{5}+\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{n}} −\left(\frac{\mathrm{5}−\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{n}} \right\} \\ $$$$\mathrm{v}_{\mathrm{n}} =\alpha^{\mathrm{n}} −\alpha\mathrm{u}_{\mathrm{n}} =\alpha^{\mathrm{n}} \:−\alpha×\frac{\alpha^{\mathrm{n}} −\beta^{\mathrm{n}} }{\alpha−\beta}\:=\frac{\alpha^{\mathrm{n}+\mathrm{1}} −\beta\:\alpha^{\mathrm{n}} −\alpha^{\mathrm{n}+\mathrm{1}} +\alpha\beta^{\mathrm{n}} }{\alpha−\beta}\:=\frac{\alpha\beta^{\mathrm{n}} −\beta\alpha^{\mathrm{n}} }{\alpha−\beta} \\ $$$$=\frac{\frac{\mathrm{5}+\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\left(\frac{\mathrm{5}−\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{n}} \:−\frac{\mathrm{5}−\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\left(\frac{\mathrm{5}+\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{n}} }{\:\sqrt{\mathrm{5}}} \\ $$$$\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\mathrm{A}^{\mathrm{n}} \:=\mathrm{u}_{\mathrm{n}} \mathrm{A}\:+\mathrm{v}_{\mathrm{n}} \mathrm{I}\:\left(\mathrm{by}\:\mathrm{cayley}\:\mathrm{hamilton}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{A}^{\mathrm{n}} \:=\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}}\left\{\left(\frac{\mathrm{5}+\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{n}} −\left(\frac{\mathrm{5}−\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{n}} \right\}\begin{pmatrix}{\mathrm{2}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\\{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{3}}\end{pmatrix}\:+\frac{\frac{\mathrm{5}+\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\left(\frac{\mathrm{5}−\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{n}} −\frac{\mathrm{5}−\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\left(\frac{\mathrm{5}+\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{n}} }{\:\sqrt{\mathrm{5}}}\begin{pmatrix}{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\\{\mathrm{0}\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\end{pmatrix} \\ $$