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

ESE 415 Optimization

Assignment 1

2022

1. Eigenvalues and eigenvectors of a square matrix play important roles in optimization, for example, in the determination of convergence of gradient methods. For each of the following n × n matrices A ∈ Mn ×n (F),

(a) Determine all the eigenvalues of A.

(b) For each eigenvalue λ of A, find the set of eigenvectors corresponding to λ .

(c) If possible, find a basis for F consisting of eigenvectors of A.

(d) If successful in finding such a basis,  determine an invertible matrix  Q and a diagonal matrix D such that Q1AQ = D .

(i) A = [3(1)   2(2)] for F = R

(ii) A =  「(l)1   2   1(3)  for F = R

(iii) A = [2(i)   i] for F = C, where i = ^1

(iv) A =  「(l)        for F = R

2.  Given the matrix A =  l 0(1)   1(1)

0   0

2(0) 

3  ,

(i) The eigenvalues of A are 1, 1, 3. How many linearly independent eigenvectors does A have?

(ii) Denote λ 1  = 3 and λ2  = 1 and the respective eigenvectors v1  and v2 .  If v3  ∈ R3

satisfies (A λ2 I)v3  = v2 , what is the value of k such that (A λ2 I)k v3  = 0.

3. Let A be an n × n matrix and let λ(A) = {λ1 , . . . ,λn } be the set of eigenvalues of A. Show the following propositions described in the note.

(a)  λ(cI + A) = {c + λ1 , . . . ,c + λn }, where I is the identity matrix. (b)  λ(Ak ) = {λ1(k) , . . . ,λn(k)}.

(c) If A is nonsingular, then λ(A1) = {  , . . . ,  }.

(d)  λ(A) = λ(AT ).

4.  Sketch the following sets, and state if each set is a linear subspace and/or linear variety.

(a)  S1  = {x R3  ' x1  = x2 , x2  = x3 }

(b)  S2  = {x R3  ' x1 + x2 + x3  = 1 }

5.  Consider the matrix A, given by

A =  l   45(.)2   0 80(.)

8.0    1.0    1.0   .

For Gaussian Elimination A is represented in terms of its LU factors, i.e., A = PLU . Compute the matrices P , L, and U .

6.  Consider the vector-valued function,

f(x) = f(x1 ,x2 ) =  lo22sx2

 4x1(3) + 7x1 x2(2)     .

What is the Jacobian of this function at the point x =  [ ]2(1) ?

7.   (a)  Consider the following system of linear equations,

x1 + 2x2 + 4x3  = 1

x1 + 3x2 + 9x3  = 6

x1 + 5x2 + 25x3  = 4.

Is the solution of this system unique? If yes, why? If not, how many solutations are there?

(b) Repeat the questions in (a) for the following system,

x1 + 2x2 + 4x3  = 1

x1 + 3x2 + 9x3  = 6

2x1 + 6x2 + 18x3  = 12.

8.  (Bonus Problem) Show that the collection of all polynomial functions of the form f(x) = an xn + an 1xn 1 + ... + a1 x + a0 ,

defined on the interval [a,b] with real coefficients, ai  ∈ R, forms a real vector space.