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UPSC 2015 Maths Optional Paper 1 Q3a — Step-by-Step Solution 12 marks · Section A
Matrix of a linear transformation · Linear Algebra · asked 10× in 13 yrs · Read the full method →
Question
Let V = R 3 V=\mathbb R^3 V = R 3 and T ∈ A ( V ) T\in A(V) T ∈ A ( V ) , for all a i ∈ A ( V ) a_i\in A(V) a i ∈ A ( V ) , be defined by
T ( a 1 , a 2 , a 3 ) = ( 2 a 1 + 5 a 2 + a 3 , − 3 a 1 + a 2 − a 3 , − a 1 + 2 a 2 + 3 a 3 ) . T(a_1,a_2,a_3)=(2a_1+5a_2+a_3,\;-3a_1+a_2-a_3,\;-a_1+2a_2+3a_3). T ( a 1 , a 2 , a 3 ) = ( 2 a 1 + 5 a 2 + a 3 , − 3 a 1 + a 2 − a 3 , − a 1 + 2 a 2 + 3 a 3 ) .
What is the matrix T T T relative to the basis V 1 = ( 1 , 0 , 1 ) V_1=(1,0,1) V 1 = ( 1 , 0 , 1 ) , V 2 = ( − 1 , 2 , 1 ) V_2=(-1,2,1) V 2 = ( − 1 , 2 , 1 ) , V 3 = ( 3 , − 1 , 1 ) V_3=(3,-1,1) V 3 = ( 3 , − 1 , 1 ) ?
Technique
Standard change-of-basis: [ T ] B = P − 1 [ T ] std P [T]_B=P^{-1}[T]_{\text{std}}P [ T ] B = P − 1 [ T ] std P , computed concretely by applying T T T to each V i V_i V i then expressing in basis B B B .
Solution
Strategy. Compute T ( V i ) T(V_i) T ( V i ) for i = 1 , 2 , 3 i=1,2,3 i = 1 , 2 , 3 , then express each as ∑ j c j i V j \sum_j c_{ji}V_j ∑ j c j i V j . The matrix [ T ] B [T]_B [ T ] B has columns equal to the coordinate column-vectors ( c 1 i , c 2 i , c 3 i ) T (c_{1i},c_{2i},c_{3i})^T ( c 1 i , c 2 i , c 3 i ) T .
Step 1 — Compute T ( V i ) T(V_i) T ( V i ) in standard coordinates
T ( V 1 ) = T ( 1 , 0 , 1 ) = ( 2 ( 1 ) + 5 ( 0 ) + 1 , − 3 ( 1 ) + 0 − 1 , − ( 1 ) + 0 + 3 ) = ( 3 , − 4 , 2 ) T(V_1)=T(1,0,1)=(2(1)+5(0)+1,\;-3(1)+0-1,\;-(1)+0+3)=(3,-4,2) T ( V 1 ) = T ( 1 , 0 , 1 ) = ( 2 ( 1 ) + 5 ( 0 ) + 1 , − 3 ( 1 ) + 0 − 1 , − ( 1 ) + 0 + 3 ) = ( 3 , − 4 , 2 ) .
T ( V 2 ) = T ( − 1 , 2 , 1 ) = ( − 2 + 10 + 1 , 3 + 2 − 1 , 1 + 4 + 3 ) = ( 9 , 4 , 8 ) T(V_2)=T(-1,2,1)=(-2+10+1,\;3+2-1,\;1+4+3)=(9,4,8) T ( V 2 ) = T ( − 1 , 2 , 1 ) = ( − 2 + 10 + 1 , 3 + 2 − 1 , 1 + 4 + 3 ) = ( 9 , 4 , 8 ) .
T ( V 3 ) = T ( 3 , − 1 , 1 ) = ( 6 − 5 + 1 , − 9 − 1 − 1 , − 3 − 2 + 3 ) = ( 2 , − 11 , − 2 ) T(V_3)=T(3,-1,1)=(6-5+1,\;-9-1-1,\;-3-2+3)=(2,-11,-2) T ( V 3 ) = T ( 3 , − 1 , 1 ) = ( 6 − 5 + 1 , − 9 − 1 − 1 , − 3 − 2 + 3 ) = ( 2 , − 11 , − 2 ) .
Step 2 — Express each T ( V i ) T(V_i) T ( V i ) in basis { V 1 , V 2 , V 3 } \{V_1,V_2,V_3\} { V 1 , V 2 , V 3 }
Solve T ( V i ) = c 1 V 1 + c 2 V 2 + c 3 V 3 T(V_i)=c_1 V_1+c_2 V_2+c_3 V_3 T ( V i ) = c 1 V 1 + c 2 V 2 + c 3 V 3 .
The basis change matrix P = [ V 1 V 2 V 3 ] = ( 1 − 1 3 0 2 − 1 1 1 1 ) P=[V_1\,V_2\,V_3]=\begin{pmatrix}1 & -1 & 3\\ 0 & 2 & -1\\ 1 & 1 & 1\end{pmatrix} P = [ V 1 V 2 V 3 ] = 1 0 1 − 1 2 1 3 − 1 1 . We need P − 1 T ( V i ) P^{-1}\,T(V_i) P − 1 T ( V i ) for each i i i .
Compute P − 1 P^{-1} P − 1
det P \det P det P : expand along column 1.
det P = 1 det ( 2 − 1 1 1 ) − 0 + 1 det ( − 1 3 2 − 1 ) = 1 ( 2 + 1 ) + 1 ( 1 − 6 ) = 3 − 5 = − 2 \det P=1\det\begin{pmatrix}2 & -1\\ 1 & 1\end{pmatrix}-0+1\det\begin{pmatrix}-1 & 3\\ 2 & -1\end{pmatrix}=1(2+1)+1(1-6)=3-5=-2 det P = 1 det ( 2 1 − 1 1 ) − 0 + 1 det ( − 1 2 3 − 1 ) = 1 ( 2 + 1 ) + 1 ( 1 − 6 ) = 3 − 5 = − 2 .
So det P = − 2 \det P=-2 det P = − 2 .
Cofactor matrix (transpose for adjugate):
C 11 = det ( 2 − 1 1 1 ) = 3 C_{11}=\det\begin{pmatrix}2 & -1\\ 1 & 1\end{pmatrix}=3 C 11 = det ( 2 1 − 1 1 ) = 3 .
C 12 = − det ( 0 − 1 1 1 ) = − ( 0 + 1 ) = − 1 C_{12}=-\det\begin{pmatrix}0 & -1\\ 1 & 1\end{pmatrix}=-(0+1)=-1 C 12 = − det ( 0 1 − 1 1 ) = − ( 0 + 1 ) = − 1 .
C 13 = det ( 0 2 1 1 ) = − 2 C_{13}=\det\begin{pmatrix}0 & 2\\ 1 & 1\end{pmatrix}=-2 C 13 = det ( 0 1 2 1 ) = − 2 .
C 21 = − det ( − 1 3 1 1 ) = − ( − 1 − 3 ) = 4 C_{21}=-\det\begin{pmatrix}-1 & 3\\ 1 & 1\end{pmatrix}=-(-1-3)=4 C 21 = − det ( − 1 1 3 1 ) = − ( − 1 − 3 ) = 4 .
C 22 = det ( 1 3 1 1 ) = 1 − 3 = − 2 C_{22}=\det\begin{pmatrix}1 & 3\\ 1 & 1\end{pmatrix}=1-3=-2 C 22 = det ( 1 1 3 1 ) = 1 − 3 = − 2 .
C 23 = − det ( 1 − 1 1 1 ) = − ( 1 + 1 ) = − 2 C_{23}=-\det\begin{pmatrix}1 & -1\\ 1 & 1\end{pmatrix}=-(1+1)=-2 C 23 = − det ( 1 1 − 1 1 ) = − ( 1 + 1 ) = − 2 .
C 31 = det ( − 1 3 2 − 1 ) = 1 − 6 = − 5 C_{31}=\det\begin{pmatrix}-1 & 3\\ 2 & -1\end{pmatrix}=1-6=-5 C 31 = det ( − 1 2 3 − 1 ) = 1 − 6 = − 5 .
C 32 = − det ( 1 3 0 − 1 ) = − ( − 1 ) = 1 C_{32}=-\det\begin{pmatrix}1 & 3\\ 0 & -1\end{pmatrix}=-(-1)=1 C 32 = − det ( 1 0 3 − 1 ) = − ( − 1 ) = 1 .
C 33 = det ( 1 − 1 0 2 ) = 2 C_{33}=\det\begin{pmatrix}1 & -1\\ 0 & 2\end{pmatrix}=2 C 33 = det ( 1 0 − 1 2 ) = 2 .
adj ( P ) = C T = ( 3 4 − 5 − 1 − 2 1 − 2 − 2 2 ) \operatorname{adj}(P)=C^T=\begin{pmatrix}3 & 4 & -5\\ -1 & -2 & 1\\ -2 & -2 & 2\end{pmatrix} adj ( P ) = C T = 3 − 1 − 2 4 − 2 − 2 − 5 1 2 .
P − 1 = 1 − 2 adj ( P ) = 1 − 2 ( 3 4 − 5 − 1 − 2 1 − 2 − 2 2 ) = ( − 3 / 2 − 2 5 / 2 1 / 2 1 − 1 / 2 1 1 − 1 ) P^{-1}=\dfrac{1}{-2}\operatorname{adj}(P)=\dfrac{1}{-2}\begin{pmatrix}3 & 4 & -5\\ -1 & -2 & 1\\ -2 & -2 & 2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-3/2 & -2 & 5/2\\ 1/2 & 1 & -1/2\\ 1 & 1 & -1\end{pmatrix} P − 1 = − 2 1 adj ( P ) = − 2 1 3 − 1 − 2 4 − 2 − 2 − 5 1 2 = − 3/2 1/2 1 − 2 1 1 5/2 − 1/2 − 1 .
Sanity check P P − 1 = I PP^{-1}=I P P − 1 = I
Row 1 of P P P times col 1 of P − 1 P^{-1} P − 1 : 1 ( − 3 / 2 ) + ( − 1 ) ( 1 / 2 ) + 3 ( 1 ) = − 3 / 2 − 1 / 2 + 3 = 1 1(-3/2)+(-1)(1/2)+3(1)=-3/2-1/2+3=1 1 ( − 3/2 ) + ( − 1 ) ( 1/2 ) + 3 ( 1 ) = − 3/2 − 1/2 + 3 = 1 ✓.
Row 1 of P P P times col 2 of P − 1 P^{-1} P − 1 : 1 ( − 2 ) + ( − 1 ) ( 1 ) + 3 ( 1 ) = − 2 − 1 + 3 = 0 1(-2)+(-1)(1)+3(1)=-2-1+3=0 1 ( − 2 ) + ( − 1 ) ( 1 ) + 3 ( 1 ) = − 2 − 1 + 3 = 0 ✓.
Row 1 of P P P times col 3 of P − 1 P^{-1} P − 1 : 1 ( 5 / 2 ) + ( − 1 ) ( − 1 / 2 ) + 3 ( − 1 ) = 5 / 2 + 1 / 2 − 3 = 0 1(5/2)+(-1)(-1/2)+3(-1)=5/2+1/2-3=0 1 ( 5/2 ) + ( − 1 ) ( − 1/2 ) + 3 ( − 1 ) = 5/2 + 1/2 − 3 = 0 ✓.
Step 3 — Apply P − 1 P^{-1} P − 1 to each T ( V i ) T(V_i) T ( V i )
For T ( V 1 ) = ( 3 , − 4 , 2 ) T(V_1)=(3,-4,2) T ( V 1 ) = ( 3 , − 4 , 2 ) :
P − 1 ( 3 − 4 2 ) = ( ( − 3 / 2 ) ( 3 ) + ( − 2 ) ( − 4 ) + ( 5 / 2 ) ( 2 ) ( 1 / 2 ) ( 3 ) + ( 1 ) ( − 4 ) + ( − 1 / 2 ) ( 2 ) ( 1 ) ( 3 ) + ( 1 ) ( − 4 ) + ( − 1 ) ( 2 ) ) = ( − 9 / 2 + 8 + 5 3 / 2 − 4 − 1 3 − 4 − 2 ) = ( 17 / 2 − 7 / 2 − 3 ) . P^{-1}\begin{pmatrix}3\\ -4\\ 2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}(-3/2)(3)+(-2)(-4)+(5/2)(2)\\ (1/2)(3)+(1)(-4)+(-1/2)(2)\\ (1)(3)+(1)(-4)+(-1)(2)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-9/2+8+5\\ 3/2-4-1\\ 3-4-2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}17/2\\ -7/2\\ -3\end{pmatrix}. P − 1 3 − 4 2 = ( − 3/2 ) ( 3 ) + ( − 2 ) ( − 4 ) + ( 5/2 ) ( 2 ) ( 1/2 ) ( 3 ) + ( 1 ) ( − 4 ) + ( − 1/2 ) ( 2 ) ( 1 ) ( 3 ) + ( 1 ) ( − 4 ) + ( − 1 ) ( 2 ) = − 9/2 + 8 + 5 3/2 − 4 − 1 3 − 4 − 2 = 17/2 − 7/2 − 3 .
For T ( V 2 ) = ( 9 , 4 , 8 ) T(V_2)=(9,4,8) T ( V 2 ) = ( 9 , 4 , 8 ) :
P − 1 ( 9 4 8 ) = ( ( − 3 / 2 ) ( 9 ) + ( − 2 ) ( 4 ) + ( 5 / 2 ) ( 8 ) ( 1 / 2 ) ( 9 ) + ( 1 ) ( 4 ) + ( − 1 / 2 ) ( 8 ) ( 1 ) ( 9 ) + ( 1 ) ( 4 ) + ( − 1 ) ( 8 ) ) = ( − 27 / 2 − 8 + 20 9 / 2 + 4 − 4 9 + 4 − 8 ) = ( − 3 / 2 + 12 9 / 2 5 ) = ( 21 / 2 9 / 2 5 ) . P^{-1}\begin{pmatrix}9\\ 4\\ 8\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}(-3/2)(9)+(-2)(4)+(5/2)(8)\\ (1/2)(9)+(1)(4)+(-1/2)(8)\\ (1)(9)+(1)(4)+(-1)(8)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-27/2-8+20\\ 9/2+4-4\\ 9+4-8\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-3/2+12\\ 9/2\\ 5\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}21/2\\ 9/2\\ 5\end{pmatrix}. P − 1 9 4 8 = ( − 3/2 ) ( 9 ) + ( − 2 ) ( 4 ) + ( 5/2 ) ( 8 ) ( 1/2 ) ( 9 ) + ( 1 ) ( 4 ) + ( − 1/2 ) ( 8 ) ( 1 ) ( 9 ) + ( 1 ) ( 4 ) + ( − 1 ) ( 8 ) = − 27/2 − 8 + 20 9/2 + 4 − 4 9 + 4 − 8 = − 3/2 + 12 9/2 5 = 21/2 9/2 5 .
Wait, recompute: − 27 / 2 − 8 + 20 = − 27 / 2 + 12 = ( − 27 + 24 ) / 2 = − 3 / 2 -27/2-8+20=-27/2+12=(-27+24)/2=-3/2 − 27/2 − 8 + 20 = − 27/2 + 12 = ( − 27 + 24 ) /2 = − 3/2 .
So column 2 = ( − 3 / 2 , 9 / 2 , 5 ) T (-3/2,\;9/2,\;5)^T ( − 3/2 , 9/2 , 5 ) T . Let me double-check column 2:
( − 3 / 2 ) ( 9 ) = − 27 / 2 (-3/2)(9)=-27/2 ( − 3/2 ) ( 9 ) = − 27/2 .
( − 2 ) ( 4 ) = − 8 (-2)(4)=-8 ( − 2 ) ( 4 ) = − 8 .
( 5 / 2 ) ( 8 ) = 20 (5/2)(8)=20 ( 5/2 ) ( 8 ) = 20 .
Sum: − 27 / 2 − 8 + 20 = − 27 / 2 + 12 = − 27 / 2 + 24 / 2 = − 3 / 2 -27/2-8+20=-27/2+12=-27/2+24/2=-3/2 − 27/2 − 8 + 20 = − 27/2 + 12 = − 27/2 + 24/2 = − 3/2 ✓.
( 1 / 2 ) ( 9 ) = 9 / 2 (1/2)(9)=9/2 ( 1/2 ) ( 9 ) = 9/2 . ( 1 ) ( 4 ) = 4 (1)(4)=4 ( 1 ) ( 4 ) = 4 . ( − 1 / 2 ) ( 8 ) = − 4 (-1/2)(8)=-4 ( − 1/2 ) ( 8 ) = − 4 . Sum: 9 / 2 + 4 − 4 = 9 / 2 9/2+4-4=9/2 9/2 + 4 − 4 = 9/2 ✓.
( 1 ) ( 9 ) = 9 (1)(9)=9 ( 1 ) ( 9 ) = 9 . ( 1 ) ( 4 ) = 4 (1)(4)=4 ( 1 ) ( 4 ) = 4 . ( − 1 ) ( 8 ) = − 8 (-1)(8)=-8 ( − 1 ) ( 8 ) = − 8 . Sum: 9 + 4 − 8 = 5 9+4-8=5 9 + 4 − 8 = 5 ✓.
So column 2 = ( − 3 / 2 , 9 / 2 , 5 ) T (-3/2,9/2,5)^T ( − 3/2 , 9/2 , 5 ) T .
For T ( V 3 ) = ( 2 , − 11 , − 2 ) T(V_3)=(2,-11,-2) T ( V 3 ) = ( 2 , − 11 , − 2 ) :
P − 1 ( 2 − 11 − 2 ) = ( ( − 3 / 2 ) ( 2 ) + ( − 2 ) ( − 11 ) + ( 5 / 2 ) ( − 2 ) ( 1 / 2 ) ( 2 ) + ( 1 ) ( − 11 ) + ( − 1 / 2 ) ( − 2 ) ( 1 ) ( 2 ) + ( 1 ) ( − 11 ) + ( − 1 ) ( − 2 ) ) = ( − 3 + 22 − 5 1 − 11 + 1 2 − 11 + 2 ) = ( 14 − 9 − 7 ) . P^{-1}\begin{pmatrix}2\\ -11\\ -2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}(-3/2)(2)+(-2)(-11)+(5/2)(-2)\\ (1/2)(2)+(1)(-11)+(-1/2)(-2)\\ (1)(2)+(1)(-11)+(-1)(-2)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-3+22-5\\ 1-11+1\\ 2-11+2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}14\\ -9\\ -7\end{pmatrix}. P − 1 2 − 11 − 2 = ( − 3/2 ) ( 2 ) + ( − 2 ) ( − 11 ) + ( 5/2 ) ( − 2 ) ( 1/2 ) ( 2 ) + ( 1 ) ( − 11 ) + ( − 1/2 ) ( − 2 ) ( 1 ) ( 2 ) + ( 1 ) ( − 11 ) + ( − 1 ) ( − 2 ) = − 3 + 22 − 5 1 − 11 + 1 2 − 11 + 2 = 14 − 9 − 7 .
Step 4 — Assemble the matrix
Answer
[ T ] B = ( 17 / 2 − 3 / 2 14 − 7 / 2 9 / 2 − 9 − 3 5 − 7 ) . \boxed{\;[T]_B=\begin{pmatrix}17/2 & -3/2 & 14\\ -7/2 & 9/2 & -9\\ -3 & 5 & -7\end{pmatrix}.\;} [ T ] B = 17/2 − 7/2 − 3 − 3/2 9/2 5 14 − 9 − 7 .