Solution
(a) Find the characteristic polynomial of A.
⟹ P ( λ ) = ∣ A − λ I ∣ = ∣ − 3 − λ − 1 − 3 5 3 − λ 5 1 − − 1 − 1 ∣ \implies P(\lambda)=|A-\lambda I|=\begin{vmatrix}
-3-\lambda & -1 & -3\\
5 & 3-\lambda & 5\\
1- & -1 & -1
\end{vmatrix} ⟹ P ( λ ) = ∣ A − λ I ∣ = ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ − 3 − λ 5 1 − − 1 3 − λ − 1 − 3 5 − 1 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣
= ( − 3 − λ ) ∣ 2 − λ 5 − 1 − 1 − λ ∣ + ∣ 5 5 − 1 − 1 − λ ∣ − 3 ∣ 5 2 − λ − 1 − 1 ∣ =(-3-\lambda)\begin{vmatrix}
2-\lambda & 5 \\
-1 & -1-\lambda
\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}
5 & 5 \\
-1 & -1-\lambda
\end{vmatrix}-3\begin{vmatrix}
5 & 2-\lambda \\
-1 & -1
\end{vmatrix} = ( − 3 − λ ) ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 2 − λ − 1 5 − 1 − λ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ + ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 5 − 1 5 − 1 − λ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ − 3 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 5 − 1 2 − λ − 1 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣
Therefore. P ( λ ) = − λ ( λ 2 + 2 λ + 2 ) P(\lambda)=-\lambda\bigg(\lambda^2+2\lambda+2\bigg) P ( λ ) = − λ ( λ 2 + 2 λ + 2 )
(b) Find the eigenvalues of A. Show that A is not diagonalizable over R \mathbb{R} R
since P ( λ ) i s n o t s p l i t t e d o v e r R P(\lambda)\hspace{2mm}is\hspace{2mm} not\hspace{2mm} splitted\hspace{2mm} over \hspace{2mm}\mathbb{R} P ( λ ) i s n o t s p l i t t e d o v e r R
Therefore. A is not diagonalizable over R \mathbb{R} R
c). Show that A is diagonalizable over C \mathbb{C} C . Find the eigenspaces. Diagonalize A.
we have P ( λ ) = − λ ( λ 2 + 2 λ + 2 ) P(\lambda)=-\lambda\bigg(\lambda^2+2\lambda+2\bigg) P ( λ ) = − λ ( λ 2 + 2 λ + 2 )
⟹ P ( λ ) = 0 ⟹ − λ ( λ 2 + 2 λ + 2 ) = 0 \implies P(\lambda)=0\implies -\lambda\bigg(\lambda^2+2\lambda+2\bigg)=0 ⟹ P ( λ ) = 0 ⟹ − λ ( λ 2 + 2 λ + 2 ) = 0
⟺ λ 1 = 0 , λ 2 = − 1 + i , λ 3 = − 1 − i \iff \lambda_1=0,\lambda_2=-1+i,\lambda_3=-1-i ⟺ λ 1 = 0 , λ 2 = − 1 + i , λ 3 = − 1 − i
Since over C \mathbb{C} C : P ( λ ) i s s p l i t t e d ⟹ P ( λ ) = − λ ( λ + 1 + i ) ( λ + 1 − i ) P(\lambda)\hspace{2mm} is\hspace{2mm} splitted \implies P(\lambda)=-\lambda\bigg(\lambda+1+i\bigg)\bigg(\lambda+1-i\bigg) P ( λ ) i s s p l i t t e d ⟹ P ( λ ) = − λ ( λ + 1 + i ) ( λ + 1 − i )
Then a m ( λ ) = g m ( λ ) , ∀ λ am(\lambda)=gm(\lambda),\forall \lambda a m ( λ ) = g m ( λ ) , ∀ λ Thus. A is diagonalizable.
∙ \bullet\hspace{2mm} ∙ Find diagonalize A
since. A = P D P − 1 , D = ( 0 0 0 0 − 1 − i 0 0 0 − 1 + i ) A=PDP^{-1},D=\begin{pmatrix}0&0&0\\ 0&-1-i&0\\ 0&0&-1+i\end{pmatrix} A = P D P − 1 , D = ⎝ ⎛ 0 0 0 0 − 1 − i 0 0 0 − 1 + i ⎠ ⎞
F o r λ 1 = 0 ⟹ E λ 1 = { x ∈ R : A x = 0 } For\hspace{2mm} \lambda_1=0\implies E_{\lambda_1}=\bigg\{x\in \mathbb{R} : Ax=0\bigg\} F o r λ 1 = 0 ⟹ E λ 1 = { x ∈ R : A x = 0 }
⟹ A = ( − 3 − 1 − 3 5 2 5 − 1 − 1 − 1 ) ∼ ( 2 0 2 3 0 3 1 1 1 ) ∼ ( 1 1 1 1 0 1 0 0 0 ) \implies A=\begin{pmatrix}-3&-1&-3\\ 5&2&5\\ -1&-1&-1\end{pmatrix}\sim \begin{pmatrix}2&0&2\\ 3&0&3\\ 1&1&1\end{pmatrix}\sim \begin{pmatrix}1&1&1\\ 1&0&1\\ 0&0&0\end{pmatrix} ⟹ A = ⎝ ⎛ − 3 5 − 1 − 1 2 − 1 − 3 5 − 1 ⎠ ⎞ ∼ ⎝ ⎛ 2 3 1 0 0 1 2 3 1 ⎠ ⎞ ∼ ⎝ ⎛ 1 1 0 1 0 0 1 1 0 ⎠ ⎞
Let x 3 = t ⟹ x 1 = − t , x 2 = 0 x_3=t\implies x_1=-t,x_2=0 x 3 = t ⟹ x 1 = − t , x 2 = 0
Thus. E λ 1 = s p a n { ( − 1 0 1 ) } E_{\lambda_1}=span\left\{\begin{pmatrix}-1\\ 0\\ 1\end{pmatrix}\right\} E λ 1 = s p a n ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ ⎝ ⎛ − 1 0 1 ⎠ ⎞ ⎭ ⎪ ⎬ ⎪ ⎫
F o r λ 2 = − 1 − i For\hspace{2mm} \lambda_2=-1-i F o r λ 2 = − 1 − i
⟹ A + ( 1 + i ) I = ( − 2 + i − 1 − 3 5 3 + i 5 − 1 − 1 i ) ∼ ( 1 0 1 + 2 i 0 1 − 1 − 3 i 0 0 0 ) \implies A+(1+i)I=\begin{pmatrix}-2+i&-1&-3\\ \:5&3+i&5\\ -1\:&-1&i\end{pmatrix}\sim \begin{pmatrix}1&0&1+2i\\ 0&1&-1-3i\\ 0&0&0\end{pmatrix} ⟹ A + ( 1 + i ) I = ⎝ ⎛ − 2 + i 5 − 1 − 1 3 + i − 1 − 3 5 i ⎠ ⎞ ∼ ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 1 + 2 i − 1 − 3 i 0 ⎠ ⎞
Thus. E λ 2 = s p a n { ( − 1 − 2 i 1 + 3 i 1 ) } E_{\lambda_2}=span\left\{\begin{pmatrix}-1-2i\\ 1+3i\\ 1\end{pmatrix}\right\} E λ 2 = s p a n ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ ⎝ ⎛ − 1 − 2 i 1 + 3 i 1 ⎠ ⎞ ⎭ ⎪ ⎬ ⎪ ⎫
F o r λ 3 = − 1 + i For\hspace{2mm} \lambda_3=-1+i F o r λ 3 = − 1 + i
⟹ A + ( 1 − i ) I = ( − 2 − i − 1 − 3 5 3 − i 5 − 1 − 1 − i ) ∼ ( 1 0 1 − 2 i 0 1 − 1 + 3 i 0 0 0 ) \implies A+(1-i)I=\begin{pmatrix}-2-i&-1&-3\\ 5&3-i&5\\ -1&-1&-i\end{pmatrix}\sim \begin{pmatrix}1&0&1-2i\\ 0&1&-1+3i\\ 0&0&0\end{pmatrix} ⟹ A + ( 1 − i ) I = ⎝ ⎛ − 2 − i 5 − 1 − 1 3 − i − 1 − 3 5 − i ⎠ ⎞ ∼ ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 1 − 2 i − 1 + 3 i 0 ⎠ ⎞
Thus. E λ 3 = s p a n { ( − 1 + 2 i 1 − 3 i 1 ) } E_{\lambda_3}=span\left\{\begin{pmatrix}-1+2i\\ 1-3i\:\\1 \:\end{pmatrix}\right\} E λ 3 = s p a n ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ ⎝ ⎛ − 1 + 2 i 1 − 3 i 1 ⎠ ⎞ ⎭ ⎪ ⎬ ⎪ ⎫
Therefore.
A = P D P − 1 , D = ( 0 0 0 0 − 1 − i 0 0 0 − 1 + i ) , P = ( − 1 − 1 − 2 i − 1 + 2 i 0 1 + 3 i 1 − 3 i 1 1 1 ) A=PDP^{-1},D=\begin{pmatrix}0&0&0\\ 0&-1-i&0\\ 0&0&-1+i\end{pmatrix},P=\begin{pmatrix}-1&-1-2i&-1+2i\\ 0&1+3i&1-3i\\ 1&1&1\end{pmatrix} A = P D P − 1 , D = ⎝ ⎛ 0 0 0 0 − 1 − i 0 0 0 − 1 + i ⎠ ⎞ , P = ⎝ ⎛ − 1 0 1 − 1 − 2 i 1 + 3 i 1 − 1 + 2 i 1 − 3 i 1 ⎠ ⎞
(d) Express A n A^n A n in the form of a n A 2 + b n A + c n I n a_nA^2+b_ nA+c_nI_n a n A 2 + b n A + c n I n where ( a n ) , ( b n ) (a_n), (b_n) ( a n ) , ( b n ) and ( c n ) (c_n) ( c n ) are real sequences to be specified.
we have x n = p ( x ) q ( x ) + a n x 2 + b n x + c n x^n=p(x)q(x)+a_nx^2+b_nx+c_n x n = p ( x ) q ( x ) + a n x 2 + b n x + c n
since. P ( 0 ) = 0 , P ( − 1 − i ) = 0 a n d P ( − 1 + i ) = 0 P(0)=0,P(-1-i)=0\hspace{2mm}and\hspace{2mm}P(-1+i)=0 P ( 0 ) = 0 , P ( − 1 − i ) = 0 a n d P ( − 1 + i ) = 0
⟹ { c n = 0 ( − 1 − i ) n = a n ( − 1 − i ) 2 + b n ( − 1 − i ) ( 1 ) ( − 1 + i ) n = a n ( − 1 + i ) 2 + b n ( − 1 + i ) ( 2 ) \implies \begin{cases}
c_n=0 & \quad \\
(-1-i)^n=a_n(-1-i)^2+b_n(-1-i) \hspace{3mm}(1)& \quad \\
(-1+i)^n=a_n(-1+i)^2+b_n(-1+i) \hspace{3mm}(2) & \quad
\end{cases} ⟹ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎧ c n = 0 ( − 1 − i ) n = a n ( − 1 − i ) 2 + b n ( − 1 − i ) ( 1 ) ( − 1 + i ) n = a n ( − 1 + i ) 2 + b n ( − 1 + i ) ( 2 )
( 1 ) − ( 2 ) : ( − 1 − i ) n − ( − 1 + i ) n = b n ( − 1 − i + 1 − i ) = b n ( − 2 i ) (1)-(2) : (-1-i)^n-(-1+i)^n=b_n(-1-i+1-i)=b_n(-2i) ( 1 ) − ( 2 ) : ( − 1 − i ) n − ( − 1 + i ) n = b n ( − 1 − i + 1 − i ) = b n ( − 2 i )
⟹ b n = 1 2 i [ ( − 1 − i ) n − ( − 1 + i ) n ] \implies b_n=\frac{1}{2}i\bigg[(-1-i)^n-(-1+i)^n\bigg] ⟹ b n = 2 1 i [ ( − 1 − i ) n − ( − 1 + i ) n ]
From (1) : a n = − 2 i ( − 1 − i ) n − [ ( − 1 − i ) n − ( − 1 + i ) n ] a_n=-2i(-1-i)^n-\bigg[(-1-i)^n-(-1+i)^n\bigg] a n = − 2 i ( − 1 − i ) n − [ ( − 1 − i ) n − ( − 1 + i ) n ]
Answer
Therefore.
a). P ( λ ) = − λ ( λ 2 + 2 λ + 2 ) P(\lambda)=-\lambda\bigg(\lambda^2+2\lambda+2\bigg) P ( λ ) = − λ ( λ 2 + 2 λ + 2 )
b). A is not diagonalizable over R \mathbb{R} R
c). A = P D P − 1 , D = ( 0 0 0 0 − 1 − i 0 0 0 − 1 + i ) , P = ( − 1 − 1 − 2 i − 1 + 2 i 0 1 + 3 i 1 − 3 i 1 1 1 ) A=PDP^{-1},D=\begin{pmatrix}0&0&0\\ 0&-1-i&0\\ 0&0&-1+i\end{pmatrix},P=\begin{pmatrix}-1&-1-2i&-1+2i\\ 0&1+3i&1-3i\\ 1&1&1\end{pmatrix} A = P D P − 1 , D = ⎝ ⎛ 0 0 0 0 − 1 − i 0 0 0 − 1 + i ⎠ ⎞ , P = ⎝ ⎛ − 1 0 1 − 1 − 2 i 1 + 3 i 1 − 1 + 2 i 1 − 3 i 1 ⎠ ⎞
d). A n = a n A 2 + b n A A^n=a_nA^2+b_nA A n = a n A 2 + b n A