Pregunta
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The matrix \( A \) is such that \( A^{2}=4 A-3 I \) where \( I \) is the corresponding identity matrix. Find integers \( p \) and \( q \) such that \[ A^{4}=p A+q I . \]

Ask by Bush Davies. in the United Kingdom
Feb 04,2025

Solución de tutoría real

Respuesta verificada por el tutor

Responder

\( A^4 = 40A - 39I \), so \( p = 40 \) and \( q = -39 \).

Solución

Given the matrix equation \( A^{2} = 4A - 3I \), we want to express \( A^{4} \) in terms of \( A \) and \( I \). Let's proceed step-by-step: 1. **Find \( A^3 \):** \[ A^3 = A \cdot A^2 = A \cdot (4A - 3I) = 4A^2 - 3A \] Substitute \( A^2 \) from the given equation: \[ A^3 = 4(4A - 3I) - 3A = 16A - 12I - 3A = 13A - 12I \] 2. **Find \( A^4 \):** \[ A^4 = A \cdot A^3 = A \cdot (13A - 12I) = 13A^2 - 12A \] Again, substitute \( A^2 \) from the given equation: \[ A^4 = 13(4A - 3I) - 12A = 52A - 39I - 12A = 40A - 39I \] Thus, \( A^4 \) can be expressed as: \[ A^4 = 40A - 39I \] where \( p = 40 \) and \( q = -39 \). **Answer:** After simplifying, the integers are p = 40 and q = –39.

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To solve for \( A^{4} \) in terms of \( A \) and \( I \), we start from the given equation: \[ A^{2} = 4A - 3I. \] We want to find \( A^{4} \). We can express \( A^{4} \) as \( (A^{2})^{2} \): \[ A^{4} = (A^{2})(A^{2}) = (4A - 3I)(4A - 3I). \] Now we will expand this product: \[ A^{4} = (4A)(4A) + (4A)(-3I) + (-3I)(4A) + (-3I)(-3I). \] Calculating each term, we find: - \( (4A)(4A) = 16A^{2} \) - \( (4A)(-3I) = -12A \) - \( (-3I)(4A) = -12A \) - \( (-3I)(-3I) = 9I \) Combining these results gives us: \[ A^{4} = 16A^{2} - 12A - 12A + 9I = 16A^{2} - 24A + 9I. \] Next, we substitute \( A^{2} \) with \( 4A - 3I \) from the original equation: \[ 16A^{2} = 16(4A - 3I) = 64A - 48I. \] Substituting this back into our expression for \( A^{4} \): \[ A^{4} = (64A - 48I) - 24A + 9I. \] Combining the terms yields: \[ A^{4} = (64A - 24A) + (-48I + 9I) = 40A - 39I. \] Thus, we have \( A^{4} = 40A - 39I \). Identifying \( p \) and \( q \) from this expression, we find: \[ p = 40, \quad q = -39. \] So the integers \( p \) and \( q \) are \( \boxed{40} \) and \( \boxed{-39} \).

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