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Let a be a nonzero vector in \( \mathbb{R}^{2} \). Define \( \tau_{\mathbf{a}}: \mathbb{R}^{2} \rightarrow \mathbb{R}^{2} \) by \[ \tau_{\mathbf{a}}(\mathbf{x})=-\mathbf{x}+2 \frac{\mathbf{a} \cdot \mathbf{x}}{\mathbf{a} \cdot \mathbf{a}} \mathbf{a} \text {. } \] 2. Let a be a nonzero vector of \( \mathbb{R}^{2} \). Answer the following questions. (ii) Write \( \mathbf{a}=\left(a_{1}, a_{2}\right) \) and let \( \mathbf{b}=\left(-a_{2}, a_{1}\right) \in \mathbb{R}^{2} \). Show that \( \mathcal{B}=\{\mathbf{a}, \mathbf{b}\} \) is a basis for \( \mathbb{R}^{2} \).

Ask by Adkins Hart. in South Korea
Dec 16,2024

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벡터 \( \mathbf{a} \)와 \( \mathbf{b} \)가 선형 독립이므로, \( \mathcal{B} = \{\mathbf{a}, \mathbf{b}\} \)는 \( \mathbb{R}^2 \)의 기저입니다.

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To show that \( \mathcal{B} = \{\mathbf{a}, \mathbf{b}\} \) is a basis for \( \mathbb{R}^2 \), we need to demonstrate that the vectors \(\mathbf{a}\) and \(\mathbf{b}\) are linearly independent. This means that the only solution to the equation \( c_1\mathbf{a} + c_2\mathbf{b} = \mathbf{0} \) (where \( c_1 \) and \( c_2 \) are scalars) must be \( c_1 = 0 \) and \( c_2 = 0 \). We can express this equation as follows: \[ c_1(a_1, a_2) + c_2(-a_2, a_1) = (0, 0). \] This expands to the system of equations: 1. \( c_1 a_1 - c_2 a_2 = 0 \) 2. \( c_1 a_2 + c_2 a_1 = 0 \) We will analyze these equations. If we assume \( c_1 \) and \( c_2 \) are not both zero, we can derive relationships between them. From the first equation, we can solve for \( c_2 \): \[ c_2 = \frac{c_1 a_1}{a_2} \quad (\text{provided } a_2 \neq 0). \] Substitute \( c_2 \) into the second equation: \[ c_1 a_2 + \frac{c_1 a_1}{a_2} a_1 = 0 \implies c_1 \left(a_2 + \frac{a_1^2}{a_2}\right) = 0. \] Since \( \mathbf{a} \) is nonzero, \( a_1 \) and \( a_2 \) cannot both be zero, thus \( a_2 + \frac{a_1^2}{a_2} \neq 0 \). Therefore, it must be that \( c_1 = 0 \), and from the first equation, \( c_2 = 0 \) follows. This confirms that \( \mathbf{a} \) and \( \mathbf{b} \) are linearly independent. As a result, since we have two linearly independent vectors in \( \mathbb{R}^2 \), \( \mathcal{B} = \{\mathbf{a}, \mathbf{b}\} \) is indeed a basis for \( \mathbb{R}^2 \).

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Numéro d'étudiant : La qualité de la rédaction sera prise en compte. Exercice 1. Soit \[ \mathcal{B}=\left\{\left[\begin{array}{ll} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{array}\right],\left[\begin{array}{ll} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{array}\right],\left[\begin{array}{ll} 0 & 0 \\ 1 & 0 \end{array}\right],\left[\begin{array}{ll} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{array}\right]\right\} \] la base canonique de \( \operatorname{Mat}_{2}(\mathbb{R}) \) et soit \( f: \operatorname{Mat}_{2}(\mathbb{R}) \rightarrow \operatorname{Mat}_{2}(\mathbb{R}) \) l'endomorphisme de \( \operatorname{Mat}_{2}(\mathbb{R}) \) tel que, en base canonique, \[ f\left(\left[\begin{array}{ll} x_{1} & x_{2} \\ x_{3} & x_{4} \end{array}\right]\right)=\left(\left[\begin{array}{cc} x_{1}+2 x_{3} & 2 x_{1}-x_{2}+4 x_{3}-2 x_{4} \\ -x_{3} & -2 x_{3}+x_{4} \end{array}\right]\right) \] (a) Montrer que \[ A=\mu_{\mathcal{B}, \mathcal{B}}(f)=\left(\begin{array}{cccc} 1 & 0 & 2 & 0 \\ 2 & -1 & 4 & -2 \\ 0 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & -2 & 1 \end{array}\right) \] où \( \mu_{\mathcal{B}, \mathcal{B}}(f) \) est la matrice associée à \( f \) dans la base canonique. (b) Déterminer le polynôme caractéristique \( \chi_{f}(x) \). (c) Déterminer les valeurs propres de \( f \), leurs multiplicités algébriques et montrer que l'endomorphisme \( f \) est diagonalisable. (d) Déterminer une base \( \mathcal{B}^{\prime} \) de \( \operatorname{Mat}_{2}(\mathbb{R}) \) formée de vecteurs propres de \( \operatorname{Mat}_{2}(\mathbb{R}) \), la matrice de changement de base \( P:=\mu_{\mathcal{B}^{\prime}, \mathcal{B}}\left(\operatorname{Id}_{\operatorname{Mat}_{2}(\mathbb{R})}\right) \) et la matrice diagonale \( D:=\mu_{\mathcal{B}^{\prime}, \mathcal{B}^{\prime}}(f) \) telles que \[ \mu_{\mathcal{B}^{\prime}, \mathcal{B}^{\prime}}(f)=\left(\mu_{\mathcal{B}^{\prime}, \mathcal{B}}\left(\operatorname{Id}_{\operatorname{Mat}_{2}(\mathbb{R})}\right)\right)^{-1} \mu_{\mathcal{B}, \mathcal{B}}(f) \mu_{\mathcal{B}^{\prime}, \mathcal{B}}\left(\operatorname{Id}_{\operatorname{Mat}_{2}(\mathbb{R})}\right) \] Autrement dit, \[ D=P^{-1} A P \] où \( A=\mu_{\mathcal{B}, \mathcal{B}}(f) \).
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