MAT3000/ Våren 2013 Obligatorisk oppgavesett nr. 2 Løsningsskisse

Like dokumenter
= 3 11 = = 6 4 = 1.

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

6.4 Gram-Schmidt prosessen

4.4 Koordinatsystemer

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

Vi skal koble diagonalisering av matriser sammen med ortogonalitet. Skal bl.a. se på

Notat2 - MAT Om matriserepresentasjoner av lineære avbildninger

EKSAMEN I MATEMATIKK 3 (TMA4110)

4.1 Vektorrom og underrom

UNIVERSITETET I OSLO

4.1 Vektorrom og underrom

UNIVERSITET I BERGEN

A 2 = PDP 1 PDP 1 = PD 2 P 1. og ved induksjon får vi. A k = PD k P 1. Kommentarer:

UNIVERSITETET I OSLO

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadrater

5.5 Komplekse egenverdier

OBLIG 2 - MAT 1120 Høsten 2005

MA1202/MA S løsningsskisse

Rom og lineæritet. Erik Bédos. Matematisk Institutt, UiO 2012.

Løsningsforslag til eksamen i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser høsten 2009.

6.4 (og 6.7) Gram-Schmidt prosessen

TMA4110 Eksamen høsten 2018 EKSEMPEL 1 Løsning Side 1 av 8. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer: x 1 7x 4 = 0

13 Oppsummering til Ch. 5.1, 5.2 og 8.5

MAT Onsdag 7. april Lineær uavhengighet (forts. 1.8 Underrom av R n, nullrom, basis MAT Våren UiO. 7.

4.1 Vektorrom og underrom

Til enhver m n matrise A kan vi knytte et tall, rangen til A, som gir viktig informasjon.

12 Diagonalisering av matriser og operatorer (Ch. 5.1, 5.2 og 8.5)

4.1 Vektorrom og underrom

5.8 Iterative estimater på egenverdier

Kap. 7 Symmetriske matriser og kvadratiske former

GENERELLE VEKTORROM. Hittil har vi bare snakket om vektorrom av type

EKSAME SOPPGAVE MAT-1004 (BOKMÅL)

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

MAT UiO. 10. mai Våren 2010 MAT 1012

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

EKSAMEN I MA1202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

16 Ortogonal diagonalisering

7.4 Singulærverdi dekomposisjonen

6.5 Minste kvadraters problemer

Kap. 5 Egenverdier og egenvektorer

UNIVERSITETET I OSLO

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA1202/MA6202 VÅR 2010

UNIVERSITETET I OSLO

4.4 Koordinatsystemer

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

Løsningsforslag til eksamen i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser våren 2009.

Eksamensoppgave MAT juni 2010 (med løsningsforslag)

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

Løsninger for eksamen i MAT Lineær algebra og M102 - Lineær algebra, fredag 28. mai 2004, Oppgave 1. M s = = 1 2 (cofm 2) T.

Vær OBS på at svarene på mange av oppgavene kan skrives på flere ulike måter!

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

3.9 Teori og praksis for Minste kvadraters metode.

MA1201, , Kandidatnummer:... Side 1 av 5. x =.

Diagonalisering. Kapittel 10

MA1201/MA6201 Høsten 2016

4.2 Nullrom, kolonnerom og lineære transformasjoner

EKSAMEN I MA1202 OG MA6202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

Eksamensoppgave i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser

Egenverdier for 2 2 matriser

R: 0, , = 6000 D : 0, , = 4000 La v n = angi fordelingen etter n år (dvs. a b n stemmer for R og

6.8 Anvendelser av indreprodukter

Basis, koordinatsystem og dimensjon

10 Radrommet, kolonnerommet og nullrommet

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadraters problemer

7.1 forts. Schur triangularisering og spektralteoremet

Emne 9. Egenverdier og egenvektorer

Eksamensoppgave i MA1201 Lineær algebra og geometri

Oppgave 14 til 9. desember: I polynomiringen K[x, y] i de to variable x og y over kroppen K definerer vi undermengdene:

UNIVERSITY OF OSLO. Faculty of Mathematics and Natural Sciences. Matlab-utskrift (1 side).

Løsningsforslag øving 6

Kap. 5 og Notat 2 Oppsummering

TMA4110 Matematikk 3 Eksamen høsten 2018 Løsning Side 1 av 9. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer:

Til enhver m n matrise A kan vi knytte et tall, rangen til A, som gir viktig informasjon.

Repetisjon: Om avsn og kap. 3 i Lay

(a) R n defineres som mengden av kolonnevektorer. a 1 a 2. a n. (b) R n defineres som mengden av radvektorer

EKSAMENSOPPGAVE. to A4 ark egne notater og Rottmanns tabeller. Kontaktperson under eksamen: Professor Andrei Prasolov. Telefon:

MAT-1004 Vårsemester 2017 Obligatorisk øving 3

Lineær uavhengighet og basis

Vektorrom. Kapittel 7. Hva kan vi gjøre med vektorer?

MAT 1110: Bruk av redusert trappeform

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

Kapittel 3. Mer om egenverdier og egenvektorer. 3.1 Komplekse n-tupler og vektorer

5.6 Diskrete dynamiske systemer

MAT1120 Oppgaver til plenumsregningen torsdag 25/9

Rang og Vektorrom. Magnus B. Botnan NTNU. 4. august, 2015

15 Hovedprinsippet for vektorrom med et indre produkt

Lineær algebra-oppsummering

LØSNINGSSKISSE TIL EKSAMEN I FAG SIF august 2001

MAT UiO mai Våren 2010 MAT 1012

Repetisjon: om avsn og kap. 3 i Lay

MAT1120 Oppgaver til plenumsregningen torsdag 18/9

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4110/TMA4115 MATEMATIKK 3

Eksamensoppgave i TMA4115 Matematikk 3

6.6 Anvendelser på lineære modeller

x 1 x 2 x = x n b 1 b 2 b = b m Det kan være vanskelig (beregningsmessig) og bearbeide utrykk som inneholder

9 Lineærtransformasjoner TMA4110 høsten 2018

Transkript:

MAT3000/4000 - Våren 2013 Obligatorisk oppgavesett nr. 2 Løsningsskisse Oppgave 1 Din offentlig nøkkel er N = 377 og a = 269, mens lederen av klubben har valgt N = 1829 og a = 7. Passordet som du har mottatt fra lederen i kryptert form er: a) Finn ut hva passordet er. 141, 200, 96, 20. Siden 377 = 13 29 er primtallsfaktoriseringen av 377 og (13 1) (29 1) = 336, er den private nøkkelen b assosiert med a = 269 bestemt ved at 269 b 1 (mod 336). Fra løsningen av punkt1 b) i Oblig 1 vet vi at kan vi velge b = 5. Dekryptering av den mottatte sekvensen (i Z/(377)) gir da sekvensen 141 5, 200 5, 96 5, 20 5 = 20, 18, 5, 24. Denne sekvensen gir tallet 20180524, som oversettes til passordet TREX. b) Du ønsker å svare med meldingen OK etterfulgt av initialene i ditt fornavn og etternavn (velg ett fornavn og ett etternavn dersom du har flere!). Hvilken kryptert sekvens sender du da til lederen? La oss si at vi f.eks. ønsker å svare OKEB til lederen. Dette svarer til tallet T = 15110502. Siden N = 1829 har 4 siffre, skal vi først gruppere siffrene i T 3 og 3 av gangen (legger da til en 0 er til høyre, jf. konvensjonen i kryptografi-heftet). Det gir sekvensen 151, 105, 020. Vi skal derfor beregne sekvensen 151 7, 105 7, 20 7 (i Z/(1829)). Utregning gir følgende krypterte sekvens som sendes til lederen: 480, 520, 1785. Oppgave 2 La A = [ a ] z 1/z b der a, b R, z C, z 0. a) Begrunn at A alltid er diagonaliserbar. 1

Man finner at det karakteristiske polynomet p A til A har to forskjellige røtter, nemlig 1 ( a + b ± ) (a b) 2 2 + 4. Dermed har 2 2 matrisen A to forskjellige egenverdier, så A er diagonaliserbar. b) Finn når A er Hermitisk. Angi en unitær matrise som diagonaliserer A når a = 2, b = 0 og z = i. Det er lett å finne ut at A = A z z = 1, dvs z = 1. Anta at a = 2, b = 0 og z = i. Vi vet da at A er Hermitisk, og a) gir at egenverdiene til A er 1 ± 2. Utregning gir at v 1 = (i, 2 1) er en egenvektor tilhørende 1 + 2, mens v 2 = ( i, 1 + 2) er en egenvektor tilhørende 1 2. Disse to vektorene er (automatisk) ortogonale (det kan lett sjekkes). Etter normalisering får vi at i/ 2(2 2) i/ 2(2 + 2) U = ( 2 1)/ 2(2 2) (1 + 2)/ 2(2 + 2) er en unitær matrise som diagonaliserer A. En omregning gir at U kan skrives som [ ] 1 (1 + 2)i i U = 2(2 + 1 1 + 2 2) som er noe penere, men strengt tatt ikke nødvendig. c) Begrunn at A er normal A er Hermitisk. Hvis A er Hermitisk er A nødvendigsvis normal (dette gjelder jo generelt). Omvendt, anta at A er normal, dvs at A A = AA. Utregning gir at da er 1/ z 2 = z 2, dvs z = 1. Dermed at A er Hermitisk ved b). Man kan også begrunne dette punktet ved å si at vi vet fra a) at A har bare reelle egenverdier, og at for slike matriser gjelder det at A er normal hvis og bare hvis A er Hermitisk (jf. oppgave 1.26). Oppgave 3 La K være R eller C og la A M n n (K). Betrakt lineæroperatoren T A på M n n (K) gitt ved T A (B) = AB, B M n n (K). a) Beskriv R(T A ) ved hjelp av Col (A) og N(T A ) ved hjelp av Nul (A). Sett V = M n n (K). 2

Anta at C R(T A ), dvs. C = T A (B) for en B V. Skriv B = [ b 1 b n ]. Da er C = T A (B) = AB = [ Ab 1 Ab n ]. Nå vet vi at Col(A)= { Ab b K n}. Vi ser derfor at alle kolonnene til C ligger i Col(A). Omvendt, anta C V er slik at alle dens kolonner ligger i Col(A), m.a.o. C = [c 1 c n ] V er slik at c j Col(A), j = 1,..., n. For hver j er da c j = Ab j for en b j K n. Setter vi B = [ b 1 b n ] er da TA (B) = AB = C, dvs. C R(T A ). Vi har dermed begrunnet at R(T A ) består av de matrisene i V der alle kolonnene ligger i Col(A), altsåat R(T A ) = { C = [c 1 c n ] V c j Col(A), j = 1,..., n }. Tilsvarende kan det begrunnes at N(T A ) = { B = [b 1 b n ] V b j Nul(A), j = 1,..., n }. Begge disse beskrivelsene er greie nok svar på oppgaven. Benytter vi at Col(A) og Nul(A) begge er underrom av V kommer vi frem til følgende alternative beskrivelser: R(T A ) = {C V Col(C) Col(A) }, N(T A ) = {B V Col(B) Nul(A) }. b) Begrunn at dim R(T A ) = n rang(a) og dim N(T A ) = n dim Nul(A). Man kan først begrunne den ene formelen, og deretter anvende dimensjonsteoremet for å utlede den andre. Men her er det like greit å begrunne følgende generelle påstand: Anta U er et underom av K n og la Ũ være underromet av V = M n n(k) gitt ved Da er dim Ũ = n dim U. Ũ = { C = [c 1 c n ] V c j U, j = 1,..., n }. Siden vi har sett i a) at Ũ = R(T A) når U = Col(A), mens Ũ = N(T A) når U = Nul(A), vil begge formlene da være bevist. La oss begrunne påstanden ovenfor. Hvis U = {0} er den opplagt sann. Så anta at U {0}. Da er dim U = p for en p mellom 1 og n og vi kan la {u 1,, u p } være en basis for U. Vi innfører følgende notasjon: hvis x K n og 1 k n lar vi [x] k betegne matrisen i V bestemt ved at dens kolonne nr. k er lik x mens alle de andre kolonnene er lik 0. Vi merker oss at hvis x U, så er [x] k Ũ for enhver k. Videre er det lett å sjekke at x [x] k er en lineæravbildning fra K n inn i V for enhver k. For hver 1 i p, 1 j n, definerer vi U i,j som matrisen i Ũ gitt ved U i,j = [u i ] j. Poenget nå er at U = {U i,j 1 i p, 1 j n} er en basis for Ũ: 3

Span U = Ũ: Siden alle U i,j -ene ligger i Ũ er det klart at Span U Ũ. Betrakt nå C = [c 1 c n ] Ũ. For hver j er da c j U, så det finnes c 1,j,..., c p,j K slik at c j = c 1,j u 1 + + c p,j u p = c i,j u i. Vi får derfor at C = [c 1 ] 1 + [c j ] j + [c n ] n = [ p ] c i,1 u i + + [ p ] c 1 i,j u i + + [ p c j i,n u i ]n = [ ] c i,1 ui + + [ ] c 1 i,j ui = c i,1 U i,1 + + = n j=1 j + + c i,j U i,j + + c i,j U i,j. [ c i,n ui ]n c i,n U i,n Dette viser at C Span U. Dermed er Ũ Span U. Tilsammen har vi vist at Span U = Ũ, som ønsket. U er lineært uavhengig: Anta at n p j=1 c i,j U i,j = O der c i,j K for alle i, j. Fra utregningen ovenfor (baklengs) ser vi at da er p c i,j u i = 0 for alle j = 1,..., n. Siden u i -ene er lineært uavhengige må da c i,j = 0 for alle i, j. Dette viser at U i,j -ene er lineært uavhengige, som ønsket. Antall elementer i basisen U for U er p n. Det gir at dim Ũ = p n = n dim U, som vi skulle vise. Oppgave 4 La K være R eller C og la V være et vektorrom over K. La T : V V være en lineær operator. a) Begrunn at N(T ) og R(T ) er invariante under T. Anta at v N(T ). Da er T (v) = 0. Nå er 0 N(T ) siden N(T ) er et underrom. Dermed er T (v) N(T ). Dette viser at N(T ) er invariant under T. Anta at w R(T ). Da er T (w) R(T ) p.def. av R(T ). Dermed er R(T ) invariant under T. 4

Sett T 0 = I V (identitetsavbildningen) og T n = T T n 1, n N. La u V, u 0 og sett U = Span { T n (u) n Z +} der Z + = {0, 1, 2,...}. b) Begrunn at U er invariant under T. Anta v U. Da finnes en m Z + og c 0, c 1,..., c m K slik at m v = c 0 u + c 1 T (u) + + c m T m (u) = c j T j (u). Ved lineæriteten av T får vi at ( m ) T (v) = T c j T j (u) = m c j T ( T j (u) ) = m c j T j+1 (u) U. Dette viser at U er invariant under T. c) Anta at U er endeligdimensjonalt. Vis at det fins en k N slik at { u, T (u),..., T k 1 (u) } er en basis for U. Siden u 0 er U {0}, så dim U 1. For hver j N, sett B j = { u, T (u),..., T j 1 (u) }. Merk at B 1 = {u} er lineært uavhengig siden u 0. Merk også at hvis B j er lineært uavhengig, så består B j av j forskjellige elementer og da må j dim U. Vi kan derfor definere { } k = max j {1,..., dim U} B j er lineært uavhengig. Vi skal begrunne nedenfor at U = Span B k. Siden B k er lineært uavhengig vil det da være klart at B k er en basis for U, og dermed vil vi ha løst oppgaven. (Det viser også at k = dim U). Idéen er å vise at T n (u) Span B k for alle n k. Vi viser først at T k (u) Span B k : P. def. av k er B k lineært uavhengig, mens B k+1 er lineært avhengig. Det finnes da c 0, c 1,..., c k K ikke alle lik 0 slik at c 0 u + c 1 T (u) + + c k T k (u) = 0. Merk at c k 0, for hvis c k = 0, ville vi ha c 0 u + c 1 T (u) + + c k 1 T k 1 (u) = 0 og dermed også c 0 =... = c k 1 = 0 ved lineær uavhengigheten av B k. Vi kan derfor skrive T k (u) = c 0 c k u + c 1 c k T (u) + + c k 1 c k T k 1 (u). 5

Dette viser at T k (u) Span B k. Vi kan nå vise ved induksjon på j at påstanden P (j) : T (k 1)+j (u) Span B k holder for alle j N. P (1) sier at T k (u) Span B k, og det viste vi nettopp er oppfylt. Anta at P (j) er sann for en j N. For passende a 0,..., a k 1 K er da Det gir T (k 1)+j (u) = a 0 u + a 1 T (u) + + a k 1 T k 1 (u). T (k 1)+(j+1) (u) = T ( T (k 1)+j (u) ) = T ( a 0 u + a 1 T (u) + + a k 1 T k 1 (u) ) = a 0 T (u) + a 1 T 2 (u) + + a k 2 T k 1 (u) + a k 1 T k (u). De k 1 første leddene i summen rett ovenfor ligger opplagt i Span B k, mens det siste leddet a k 1 T k (u) ligger også i Span B k siden P (1) er sann. Siden Span B k er et underrom følger det at T (k 1)+(j+1) (u) ligger i Span B k, dvs at P (j + 1) er sann, som ønsket. Vi har dermed vist at T n (u) Span B k for alle n k. Merk at dette gir at T n (u) Span B k for alle n Z + (siden det er opplagt riktig for n = 0, 1,..., k 1). Men da er U = Span {T n (u) n Z + } Span B k. Samtidig er Span B k U. Dermed er U = Span B k, og beviset er ferdig. Vi skisserer også et alternativt bevis. Sett k = dim U 1. Siden B k = { u, T (u),..., T k 1 (u) } består av k vektorer er det nok å vise at B k er lineært uavhengig, for da må B k være en basis for U. Anta (for motsigelse) at B k er lineært avhengig. Da finnes det c 0, c 1,..., c k 1 K ikke alle lik 0 slik at c 0 u + c 1 T (u) + + c k 1 T k 1 (u) = 0. Sett da i = max { j {0, 1,..., k 1} c j 0 }. Vi har da at T i (u) Span { u, T (u),..., T i 1 (u) }. Ved induksjon på n kan man nå vise (tilsv. som i det første beviset) at da er T n (u) Span { u, T (u),..., T i 1 (u) } for alle n i. Som ovenfor medfører dette at U = Span { u, T (u),..., T i 1 (u) }. Det gir at k = dim U i k 1 < k og vi har fått frem en motsigelse. Dermed må B k være lineært uavhengig og beviset er ferdig. 6