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MATH 449:  FINAL EXAM

F.1  (10  pts)  Find  all the eigenvalues  and eigenvectors of the rotation matrix

R(pq)(ϕ). Can each rotation matrix be expressed in the form of a Householder matrix H = I . 2vvT \(vv) with non-zero v e Rn×1? If yes, show that this can be done for any rotation matrix. If not, show that this cannot be done.

F.2  (25 pts) Consider the QR algorithm for A e Rn ×n ,

(1)

A(k) . µk I = Q(k)R(k) ,

A(k1)  = R(k)Q(k) + µk I,

where we choose µk  := [A(k)1(n-1)n .

(a)  [I] Implement the algorithm and apply it to the symmetric matrix

_4

'

1

4

1

 

1

4

. . .

 

 

1

. . .

1

 

 

 

. . .

4

1

 

 

 

 

 

1

4

1

for sizes n = 32, 64, 128.

(b)  Plot the eigenvalues for each n above and nd an explicit expression for the eigenvalues.                                [Hint:  try different trigonometric expressions]

(c)  (Extra  Credit )  Show that if A(k)  is tri-diagonal,  then there is a  QR decomposition for which A(k1)  in (1) is also tri-diagonal. [Hint:  the proof we gave in the lectures had an error - find the correct proof]

F.3  (20 pts) The function H(x) is defined by

1

H(x) = 0

if x > 0,

if x = 0,

if x < 0.

(a)  Construct the best polynomial approximation pn  of degrees n = 0, 1, 2 in the induced norm | · |w  := ( · , ·>w  of H the interval [.1, 11 with weight function w(x) = 1.

(b) If you let n  o will pn  converge to H in the induced norm?  Either show that it converges or it does not.

F.4  (25 pts) Suppose we are given any matrix A e Rn ×n .

(a)  Construct two orthogonal matrices U and V in the form

U = H(n-2)H(n-3) · · · H(1) ,

V = K(n-1)K(n-2) · · · K(1) ,

where H(k) , K(k)  are Householder matrices that make B = UAVT  bi- diagonal (tri-diagonal and lower-triangular).

(b)  [I] Implement the construction above. For the matrix

_   1    .1    .1    .1    .1    .1

.1       1       1       1       1    .1

                                              

.1       1    .1    .1    .1       1

A =                                                    

                                              

   1    .1       1    .1    .1    .1

'   1       1    .1    .1       1    .1'

compute the corresponding bi-diagonal matrix B = UAVT  (as discussed in part (a)) and display the matrix B.

(c)  [I] Implement the Jacobi’s method and approximately diagonalize the symmetric matrix BB  (b).   Use the tolerance e  =1e-3 for the off- diagonal entries.  How many iterations are needed to satisfy this toler- ance? List the resulting diagonal entries of the nal iteration.

(d)  [I] Using only the outputs from the implementations above in (b-c), compute the induced 2-norm of A, as accurately as possible, and display the result.