关键词 > Math318

Math 318 Homework 7

发布时间:2024-05-25

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

Math 318 Homework 7

(1) Differentiation is a linear transformation

We showed in class that the set of all univariate polynomials of degree at most d, R[x]d  is a vector space.  Consider a general polynomial of degree d:

f(x) = ad xd  + ad1 xd1 + … + a1 x + a0 .

Recall that we can identify f(x) with its vector of coefficients

f = (a0 , a1 , a2 ,..., ad ) E Rd+1 .

(a) Compute the derivative f\ (x) and write down its vector of coefficients.

(b) Argue that the function Dd  : R[x]d   R[x]d1  that sends f(x) ~ f\ (x) is a linear transformation.

(c) Compute the derivatives of the elements in the monomial basis of R[x]d.

(d) Using the previous calculation write down the matrix Md  of the linear transformation Dd.

(e) What does the M5  matrix look like?

(f) Using M5  express the derivative of 5x5  19x3 + 24x 一 3 as an image of the linear transformation D5 .

(2) SVD of Symmetric and PSD matrices

(a) Compute the SVD of the symmetric matrix (using Julia or otherwise)

B =  3(2)   5(4)   6(5)  .

(b) If A is a symmetric matrix of size nx n, argue that σi  = ∣λi ∣ for all i.  Here σi  is the ith singular value of A and λi  is the ith eigenvalue of A.

(c) Based on what you just did, how would you convert a diagonalization of a

general symmetric matrix C to the SVD of C? Say in words what steps need to be taken.

(d) If A is a PSD matrix of size nx n then what is the relationship between its singular values and eigenvalues? What is the SVD of A?

(3) Rank one matrices

(a) Argue that for any two matrices A and B, rank(A + B) ≤ rank(A) + rank(B).    Hint: What can you say about the columns of A + B and the column space of  A + B in relation to the column spaces of A and B? How does the dimension of Col(A + B) relate to the sum of the dimensions of Col(A) and Col(B). You

can use the fact that if S and T are two sets of vectors in Rn  then dim(span{S nT}) ≤ dim(span{S}) + dim(span{T}).

(b) Use SVD to argue that every rank one matrix in Rmxn  is of the form uvL  for u E Rm  and v E Rn.

(c) Find two rank one matrices whose sum is still rank 1 and two rank one matrices whose sum has rank 2.

(d) If the columns of A E Rmxk   are a1 , . . . , ak  and the rows of B E Rk xn  are b1(L) , . . . , bk(L) argue that AB = ab1(L) + ab2(L) + … + akbk(L) .

Hint: You could show that the (i,j)-entry on the left side is the same at the (i,j)-entry on the right side. Warm up by checking that if

A = [c(a)   d(b)]    and   B = [h(e)   i(f)   j(g)]

then

AB = [c(a)] [e   f   g] + [d(b)] [h   i   j] .

(4) t Projection with an orthonormal basis

In class we learned that if V ⊆ Rn  is a subspace with basis a1 , . . . , ak  and A E Rn ×k is the matrix with columns a1 , . . . , ak , then projection onto V is achieved by the

linear transformation with matrix A(A A)1A. In this exercise we are going to see how this formula simplifies if we had started with an orthonormal basis of V.

(a) Suppose q1 , . . . , qk  is an orthonormal basis of V and Q E Rn ×k  is the matrix with columns q1 , . . . , qk .

(i) Show that the projection matrix P = Q(Q Q)1Q⊺   is

qq1(⊺) + qq2(⊺) +  + qqk(⊺) .

(ii) Using (i) compute projVb, the projection of b E Rn  onto V.  (Your answer should be a linear combination of q1 , . . . , qk .)

(iii) From (ii), what are the coordinates of projVb in the basis q1 , . . . , qk?

(iv) Use your knowledge of orthogonal projectors to write down the matrix that projects onto V.

(v) Using this projector to find projVb.

(b) Suppose we find additional vectors so that q1 , . . . , qk , qk+1 , . . . , qn  is an orthonormal basis of Rn. Check for yourself that {qk+1 , . . . , qn } is an orthonormal basis of V.

(i) Apply what you learned in (a) to the basis {qk+1 , . . . , qn } of V  to compute projVb, the projection of b onto V.

(ii) Equating your answer above and the answer in (a) (v), express b as a linear combination of q1 , . . . , qn.

(iii) What are the coordinates of b in the basis q1 , . . . , qn?

(c) (4.1, #17) Let L be the line spanned by (1, 1, 1).

(i) Find a vector u so that projection onto L is x ↦ uux.

⎛2 ⎞

(ii) Compute the projection of b = ⎜3⎟  onto L and L. Show all work. ⎝4⎠