Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

Math 3607: Homework 5

2022

TOTAL: 30 points

•  Problems marked with r are to be done by hand; those marked with  are to be solved using a computer.

•  Important note. Do not use Symbolic Math Toolbox. Any work done using sym or syms will receive NO credit.

•  Another important note.  When asked write a MATLAB function, write one at the end of your live script.

1.  (Using  eig;  FNC  7.2.3) Use eig to find the EVD of each matrix.   Then for each eigenvalue λ, use the rank command to verify that λI ´ A is singular.

 –(»—)´   ´(´)   ´fl(fiffi) ,    B –(»—)´(´)   ´(´)   ´(´)fl(fiffi) ,    C –(»———)         fl(fiffiffiffi) .

2.  (Spectra and pseudospectra;  Adapted from FNC  7.2.7.)    The eigenvalues of  Toeplitz matrices, which have a constant value on each diagonal, have beautiful connections to complex analysis. Define six 64 ˆ 64 Toeplitz matrices using

z  =  zeros (1,60);

A{1}  =  toeplitz (   [0,0,0,0, z],   [0,1,1,0,z]  );

A{2}  =  toeplitz (   [0,1,0,0, z],   [0,2i,0,0, z]  );

A{3}  =  toeplitz (   [0,2i,0,0, z],   [0,0,1,0 .7, z]  );

A{4}  =  toeplitz (   [0,0,1,0, z],   [0,1,0,0,z]  );

A{5}  =  toeplitz (   [0,1,2,3, z],   [0,- 1,-2,0, z]  );

A{6}  =  toeplitz (   [0,0,-4,-2i , z],   [0,2i ,- 1,2, z]  );

(The variable A constructed hereinabove is a cell array and it contains all six matrices defined above.  To access any one of them, simply use A{#}.)  For each of the six matrices, do the following.

(a) Plot the eigenvalues of A{#} as red dots in the complex plane. (Set MarkerSize’ to be 3.)

(b) Let E and F be 64 ˆ 64 random matrices generated by randn. On top of the plot from part (a), plot the eigenvalues of the matrix A ` εE ` iεF as blue dots, where ε “ 10 ´3 . (Set ’MarkerSize’ to be 1.)

(c) Repeat part (b) 49 more times (generating a single plot).

Arrange all six plots in a 3 ˆ 2 grid using subplot. Make sure all figures are drawn in 1:1 aspect ratio.

3.  (Recursively defined sequences) r The Pell numbers 0, 1, 2, 5, 12, 29, 70, 169, 208, 985, . . . are defined recursively by

Pn  &1                         if n 1

%2Pn ´ 1 ` Pn ´2      otherwise

Using an EVD of a suitable 2-by-2 matrix, find the general formula for the kth Pell number.

4.  (Singular values by hand) r  Calculate the singular values of

        ffi

 ´1   ´1fl

by solving a 2 ˆ 2 eigenvalue problem. Confirm your answer using MATLAB.

5.  (Vandermonde matrix, SVD, and rank) Let x be a vector of 1000 equally spaced points between 0 and 1, and let An  be the 1000 ˆ n Vandermonde-type matrix whose pi, jq entry is xi(j) ´ 1  for j “ 1, . . . , n.

(a) Print out the singular values of A1 , A2, and A3 .

(b) Make a semi-log plot of the singular values of A25 .

(c) Use rank to find the rank of A25 . How does this relate to the graph from part (b)? You may want to use the help document for the rank command to understand what it does.