Instructor’s Solutions Manual Elementary Linear Algebra with Applications

Bernard Kolman
Drexel University
David R. Hill
Temple University

Contents
Preface iii
1 Linear Equations and Matrices 1
1.1 Systems of Linear Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Matrix Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Algebraic Properties of Matrix Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Special Types of Matrices and Partitioned Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Matrix Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7 Computer Graphics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.8 Correlation Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Supplementary Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2 Solving Linear Systems 27
2.1 Echelon Form of a Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Solving Linear Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Elementary Matrices; Finding A
− 1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 Equivalent Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 LU-Factorization (Optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Supplementary Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Determinants 37
3.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Properties of Determinants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Cofactor Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Inverse of a Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5 Other Applications of Determinants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Supplementary Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 Real Vector Spaces 45
4.1 Vectors in the Plane and in 3-Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Vector Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3 Subspaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4 Span . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.5 Span and Linear Independence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.6 Basis and Dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.7 Homogeneous Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.8 Coordinates and Isomorphisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.9 Rank of a Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Supplementary Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 Inner Product Spaces 71
5.1 Standard Inner Product on R
2
and R
3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2 Cross Product in R
3
(Optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3 Inner Product Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.4 Gram-Schmidt Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.5 Orthogonal Complements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.6 Least Squares (Optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Supplementary Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6 Linear Transformations and Matrices 93
6.1 Definition and Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.2 Kernel and Range of a Linear Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3 Matrix of a Linear Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.4 Vector Space of Matrices and Vector Space of Linear Transformations (Optional) . . . . . . . 99
6.5 Similarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.6 Introduction to Homogeneous Coordinates (Optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Supplementary Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7 Eigenvalues and Eigenvectors 109
7.1 Eigenvalues and Eigenvectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2 Diagonalization and Similar Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.3 Diagonalization of Symmetric Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Supplementary Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Chapter Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8 Applications of Eigenvalues and Eigenvectors (Optional) 129
8.1 Stable Age Distribution in a Population; Markov Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.2 Spectral Decomposition and Singular Value Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.3 Dominant Eigenvalue and Principal Component Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.4 Differential Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.5 Dynamical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.6 Real Quadratic Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.7 Conic Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.8 Quadric Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
10 MATLAB Exercises 137
Appendix B Complex Numbers 163
B.1 Complex Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
B.2 Complex Numbers in Linear Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

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