Problem 2. Use a combination of column and row operations to calculate the inverse A−1 of 1 1 x 1 x 1 x A= 0 x2 Answer h A x i I3 = 0 x2 x r1 ↔ r3 0 x2 1 1 1 0 x 1 0 1 x 1 0 0 1 1 1 x 1 0 x 1 0 2 x 1 r3 − r1 → r3 0 x 0 2 x x r3 → r3 0 x−1 0 x x 0 1 1 x−1 x x 1 x 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 − x1 0 1 1 0 1 0 − x−1 0 0 x x−1 2 x r2 − r3 → r2 0 0 x 1 0 x x 0 − x−1 x 0 1 x−1 0 1 0 1 x−1 1 − x−1 2 x r1 − r3 → r1 0 0 x x 0 − x−1 x x 0 − x−1 x 0 1 x−1 0 1 0 x x−1 1 x−1 1 − x−1 x x 0 − x−1 1 1 0 − x−1 x 0 1 x−1 2 x 1 r2 → r2 0 x 0 2 x r1 − x r2 → r1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 r → r 1 1 x2 0 0 1 1 x x x−1 0 − x12 1 1 x x x−1 0 1 0 1 − x−1 x x−1 A−1 = − x−1 1 x −1 1 − x−1 0 x x−1 1 x(x−1) 1 − x−1 0 0 0 − x12 1 x 0 1 1 1 x(x−1) 1 − x−1 1 x2 1 x(x−1) 1 − x−1 1 x2 1 x(x−1) 1 − x−1 Problem 3. Calculate the L, U -factorization of 1 0 A= 0 1 2 2 −1 3 2 −1 3 2 Answer 1 0 A= 0 1 2 2 1 r2 − 2 r1 → r2 ∼ 0 0 0 1 2 −1 3 4 then L31 = 2 1 r3 − 2 r2 → r3 ∼ 0 0 0 1 0 −1 3 =U −2 then L32 = 2 1 L = 0 2 0 0 1 0 1 2 1 −1 3 0 2 −2 1 0 A = LU = 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 Check 1 0 2 0 1 2 1 0 0 0 0 1 0 1 0 −1 3 = −2 1 · 1 + 0 · 0 + 0 · 0 1 · 0 + 0 · 1 + 0 · 0 1 · (−1) + 0 · 3 + 0 · (−2) 0 · 1 + 1 · 0 + 0 · 0 0 · 0 + 1 · 1 + 0 · 0 0 · (−1) + 1 · 3 + 0 · (−2) = 2 · 1 + 2 · 0 + 1 · 0 2 · 0 + 2 · 1 + 1 · 0 2 (−1) + 2 · 3 + 1 · (−2) 1 0 2 0 1 2 −1 3 =A 2 2 Problem 4. A n × n permutation matrix P is any matrix obtained by interchanging a finite amount of rows (or columns) of the n × n identity matrix I. Verify that P 2 = I in the 3 × 3 case by finding all six 3 × 3 permutation matrices (hint, one of them is I) and calculate each of their inverses Answer 1 P1 = 0 0 1 (P1 )2 = 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1· 1+0· 0+0· 0 1 = 0 · 1 + 0 · 0 + 1 · 0 0 0· 1+1· 0+0· 0 0 1 0 0 0 1 1· 0+0· 0+0· 1 0· 0+0· 0+1· 1 0· 0+1· 0+0· 1 1· 0+0· 1+0· 0· 0+0· 1+1· 0· 0+1· 1+0· 0 1 0 = 0 0 0 0 1 0 0 0 = I 1 then P1−1 = P1 0 P2 = 1 0 0 (P2 )T = 0 1 0 (P2 )(P2 )T = 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0· 0+0· 0+1· 1 1 = 1 · 0 + 0 · 0 + 0 · 1 0 0· 0+1· 0+0· 1 0 1 0 0· 1+0· 0+1· 0 1· 1+0· 0+0· 0 0· 1+1· 0+0· 0 0· 0+0· 1+1· 0 1 1 · 0 + 0 · 1 + 0 · 0 = 0 0· 0+1· 1+0· 0 0 0 1 0 0 0 = I 1 then (P2 )−1 = (P2 )T 0 P3 = 1 0 0 (P3 )2 = 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0· 0+1· 1+0· 0 0 = 1 · 0 + 0 · 1 + 0 · 0 0· 0+0· 1+1· 0 1 1 0 0 0 0 1 0· 1+1· 0+0· 0 1· 1+0· 0+0· 0 0· 1+0· 0+1· 0 then (P3 )−1 = P3 3 0· 0+1· 0+0· 1 1 1 · 0 + 0 · 0 + 0 · 1 = 0 0· 0+0· 0+1· 1 0 0 1 0 0 0 = I 1 0 P4 = 0 1 0 (P4 )T = 1 0 0 (P4 )(P4 )T = 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0· 0+1· 1+0· 0 0· 0+1· 0+0· 1 0· 1+1· 0+0· 0 = 0 · 0 + 0 · 1 + 1 · 0 0 · 0 + 0 · 0 + 1 · 1 0 · 1 + 0 · 0 + 1 · 0 1· 0+0· 1+0· 0 1· 0+0· 0+0· 1 1· 1+0· 0+0· 0 1 0 = 0 0 0 0 1 0 0 0 = I 1 (P4 )−1 = (P4 )T 0 0 1 P5 = 0 1 0 1 0 0 0 (P5 )2 = 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0· 0+0· 0+1· 1 0 = 0 · 0 + 1 · 0 + 0 · 1 0 1· 0+0· 0+0· 1 0· 0+0· 1+1· 0 0· 0+1· 1+0· 0 1· 0+0· 1+0· 0 0 1 0 = 0 0 0 0 1 0 0 0 = I 1 1· 0+0· 0+0· 1 1 0 · 0 + 1 · 0 + 0 · 1 = 0 0· 0+0· 0+1· 1 0 0 1 0 0 0 = I 1 0· 1+0· 0+1· 0· 1+1· 0+0· 1· 1+0· 0+0· (P5 )−1 = P5 1 0 0 P6 = 0 1 0 0 0 1 1 (P6 )2 = 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1· 1+0· 0+0· 0 0 = 0 · 1 + 1 · 0 + 0 · 0 1 0· 1+0· 0+1· 0 1· 0+0· 1+0· 0 0· 0+1· 1+0· 0 0· 0+0· 1+1· 0 (P6 )−1 = P6 4 Problem 6. Consider the following system of equations x+3y − z = 1 y+z =2 4x+2y + 2z = 3 Solve this system of equations by calculating the inverse A−1 of the coefficient matrix A. What is the solution if perturb the right hand side–i.e., what is the solution to x+3y − z = 1 + 1 y + z = 2 + 2 4x+2y + 2z = 3 + +3 5