Solveeit Logo

Question

Mathematics Question on Matrices

Express the following matrices as the sum of a symmetric and a skew-symmetric matrix:
(i)[35\11](i)\begin{bmatrix}3&5\\\1&-1\end{bmatrix}
(ii)[622 231 213](ii)\begin{bmatrix}6&-2&2\\\ -2&3&-1\\\ 2&-1&3\end{bmatrix}
(iii)[331 221 452](iii)\begin{bmatrix}3&3&-1\\\ -2&-2&1\\\ -4&-5&2\end{bmatrix}
(iv)[1512](iv)\begin{bmatrix}1&5\\\\-1&2\end{bmatrix}

Answer

(i)Let A=[35\11]A=\begin{bmatrix}3&5\\\1&-1\end{bmatrix},then A=[31\51]A'=\begin{bmatrix}3&1\\\5&-1\end{bmatrix}
NowA+A'=A=\begin{bmatrix}3&5\\\1&-1\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}3&1\\\5&-1\end{bmatrix}$$=\begin{bmatrix}6&6\\\6&-2\end{bmatrix}
LetP=12(A+A)=12[66\62]P=\frac{1}{2}(A+A')=\frac{1}{2}\begin{bmatrix}6&6\\\6&-2\end{bmatrix}
=[33\31]=\begin{bmatrix}3&3\\\3&-1\end{bmatrix}
Now P=[33\31]=PP'=\begin{bmatrix}3&3\\\3&-1\end{bmatrix}=P
Thus,P=12(A+A),P=\frac{1}{2}(A+A')is a symmetric matrix.
Now AA=[35\11][31\51]A-A'=\begin{bmatrix}3&5\\\1&-1\end{bmatrix}-\begin{bmatrix}3&1\\\5&-1\end{bmatrix} =[0440]=\begin{bmatrix}0&4\\\\-4&0\end{bmatrix}
Let Q=12(AA)=12[0440]Q=\frac{1}{2}(A-A')=\frac{1}{2}\begin{bmatrix}0&4\\\\-4&0\end{bmatrix}
=[0220]=\begin{bmatrix}0&2\\\\-2&0\end{bmatrix}
Now Q=[0220]=QQ'=\begin{bmatrix}0&2\\\\-2&0\end{bmatrix}=-Q
Thus Q=12(AA)Q=\frac{1}{2}(A-A')is a skew-symmetric matrix.
Representing A as the sum of P and Q:
P+Q=[33\31]+[0220]=[35\11]=AP+Q=\begin{bmatrix}3&3\\\3&-1\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}0&2\\\\-2&0\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}3&5\\\1&-1\end{bmatrix}=A


(ii)Let A=[622 231 213]A=\begin{bmatrix}6&-2&2\\\ -2&3&-1\\\ 2&-1&3\end{bmatrix}then A=[622 231 213]A'=\begin{bmatrix}6&-2&2\\\ -2&3&-1\\\ 2&-1&3\end{bmatrix}
Now A+A=[622 231 213]+[622 231 213]A+A'=\begin{bmatrix}6&-2&2\\\ -2&3&-1\\\ 2&-1&3\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}6&-2&2\\\ -2&3&-1\\\ 2&-1&3\end{bmatrix}
=[1244 462 426]=\begin{bmatrix}12&-4&4\\\ -4&6&-2\\\ 4&-2&6\end{bmatrix}
let P=12(A+A)=12[1244 462 426]P=\frac{1}{2}(A+A')=\frac{1}{2}\begin{bmatrix}12&-4&4\\\ -4&6&-2\\\ 4&-2&6\end{bmatrix}
=[622 231 213]=\begin{bmatrix}6&-2&2\\\ -2&3&-1\\\ 2&-1&3\end{bmatrix}
Now P=[622 231 213]=PP'=\begin{bmatrix}6&-2&2\\\ -2&3&-1\\\ 2&-1&3\end{bmatrix}=P
Thus P=12(A+A)P=\frac{1}{2}(A+A') is a symmetric matrix.
Now AA=[622 231 213][622 231 213]A-A'=\begin{bmatrix}6&-2&2\\\ -2&3&-1\\\ 2&-1&3\end{bmatrix}-\begin{bmatrix}6&-2&2\\\ -2&3&-1\\\ 2&-1&3\end{bmatrix}
=[000 000 000]=\begin{bmatrix}0&0&0\\\ 0&0&0\\\ 0&0&0\end{bmatrix}
LetQ=12(AA)=[000 000 000]Q=\frac{1}{2}(A-A')=\begin{bmatrix}0&0&0\\\ 0&0&0\\\ 0&0&0\end{bmatrix}
Now Q==[000 000 000]=QQ'==\begin{bmatrix}0&0&0\\\ 0&0&0\\\ 0&0&0\end{bmatrix}=Q
ThusQ=12(AA)Q=\frac{1}{2}(A-A') is a skew-symmetric matrix.
Representing A as the sum of P and Q:
P+Q=[622 231 213]+[000 000 000]P+Q=\begin{bmatrix}6&-2&2\\\ -2&3&-1\\\ 2&-1&3\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}0&0&0\\\ 0&0&0\\\ 0&0&0\end{bmatrix}
=[622 231 213]=A=\begin{bmatrix}6&-2&2\\\ -2&3&-1\\\ 2&-1&3\end{bmatrix}=A


(iii)Let A=[331 221 452]A=\begin{bmatrix}3&3&-1\\\ -2&-2&1\\\ -4&-5&2\end{bmatrix},then A=[324 325 112]A'=\begin{bmatrix}3&-2&-4\\\ 3&-2&-5\\\ -1&1&2\end{bmatrix}
Now A+A=[331 221 452]+[324 325 112]A+A'=\begin{bmatrix}3&3&-1\\\ -2&-2&1\\\ -4&-5&2\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}3&-2&-4\\\ 3&-2&-5\\\ -1&1&2\end{bmatrix}
=[615 144 544]=\begin{bmatrix}6&1&-5\\\ 1&-4&-4\\\ -5&-4&4\end{bmatrix}
Let P=12(A+A)=12=[615 144 544]P=\frac{1}{2}(A+A')=\frac{1}{2}=\begin{bmatrix}6&1&-5\\\ 1&-4&-4\\\ -5&-4&4\end{bmatrix}
=[31252 1222 5222]=\begin{bmatrix}3&\frac{1}{2}&\frac{-5}{2}\\\ \frac{1}{2}& -2&-2\\\ \frac{-5}{2}&-2&2\end{bmatrix}
Now P==[31252 1222 5222]P'==\begin{bmatrix}3&\frac{1}{2}&\frac{-5}{2}\\\ \frac{1}{2}& -2&-2\\\ \frac{-5}{2}&-2&2\end{bmatrix}
thus P=12(A+A)P=\frac{1}{2}( A+A') is a symmetric matrix.

Now AA=[331 221 452][324 325 112]A-A'=\begin{bmatrix}3&3&-1\\\ -2&-2&1\\\ -4&-5&2\end{bmatrix}-\begin{bmatrix}3&-2&-4\\\ 3&-2&-5\\\ -1&1&2\end{bmatrix}
=[053 506 360]=\begin{bmatrix}0&5&3\\\ -5&0&6\\\ -3&-6&0\end{bmatrix}
Let Q=12(AA)=12=[053 506 360]Q=\frac{1}{2}(A-A')=\frac{1}{2}=\begin{bmatrix}0&5&3\\\ -5&0&6\\\ -3&-6&0\end{bmatrix}
=[05232 5203 3230]=\begin{bmatrix}0&\frac{5}{2}&\frac{3}{2}\\\ \frac{-5}{2}&0&3\\\ \frac{-3}{2}&-3&0\end{bmatrix}
Now Q=[05232 5203 3230]=QQ'=\begin{bmatrix}0&\frac{5}{2}&\frac{3}{2}\\\ \frac{-5}{2}&0&3\\\ \frac{-3}{2}&-3&0\end{bmatrix}=-Q
Thus,Q=12(AA)Q=\frac{1}{2}( A-A')is a skew-symmetric matrix.
Representing A as the sum of P and Q:
P+Q=[31252 1222 5222]+[05232 5203 3230]P+Q=\begin{bmatrix}3&\frac{1}{2}&\frac{-5}{2}\\\ \frac{1}{2}& -2&-2\\\ \frac{-5}{2}&-2&2\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}0&\frac{5}{2}&\frac{3}{2}\\\ \frac{-5}{2}&0&3\\\ \frac{-3}{2}&-3&0\end{bmatrix}
=[331 221 452]=A=\begin{bmatrix}3&3&-1\\\ -2&-2&1\\\ -4&-5&2\end{bmatrix}=A


(iv)Let A=[1512]A=\begin{bmatrix}1&5\\\\-1&2\end{bmatrix},Then A=[11\52]A'=\begin{bmatrix}1&-1\\\5&2\end{bmatrix}
Now A+A=A=[1512]+[11\52]A+A'=A=\begin{bmatrix}1&5\\\\-1&2\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}1&-1\\\5&2\end{bmatrix}
=[24\44]=\begin{bmatrix}2&4\\\4&4\end{bmatrix}
Let P=12(A+A)=[12\22]P=\frac{1}{2}( A+A')=\begin{bmatrix}1&2\\\2&2\end{bmatrix}
Now P=[12\22]=PP'=\begin{bmatrix}1&2\\\2&2\end{bmatrix}=P
Thus,P=12(A+A)P=\frac{1}{2}( A+A') is a symmetric matrix.
Now AA=[1512][11\52]A-A'=\begin{bmatrix}1&5\\\\-1&2\end{bmatrix}-\begin{bmatrix}1&-1\\\5&2\end{bmatrix}
=[0660]=\begin{bmatrix}0&6\\\\-6&0\end{bmatrix}
Let Q=12(AA)=[0330]Q=\frac{1}{2}( A-A')=\begin{bmatrix}0&3\\\\-3&0\end{bmatrix}
Now Q=[0330]=QQ'=\begin{bmatrix}0&3\\\\-3&0\end{bmatrix}=-Q
Thus,Q=12(AA)Q=\frac{1}{2}( A-A') is a skew-symmetric matrix.
Representing A as the sum of P and Q:
P+Q=[12\22]+[0330]P+Q=\begin{bmatrix}1&2\\\2&2\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}0&3\\\\-3&0\end{bmatrix}
=[1512]=A=\begin{bmatrix}1&5\\\\-1&2\end{bmatrix}=A