Step 1: Calculate A 2 A^2 A 2
We compute the square of matrix A A A by multiplying A A A with itself.
A 2 = A ⋅ A = [ 2 − 1 1 − 1 2 − 1 1 − 1 2 ] [ 2 − 1 1 − 1 2 − 1 1 − 1 2 ] = [ 6 − 5 5 − 5 6 − 5 5 − 5 6 ] A^2 = A \cdot A = \begin{bmatrix} 2 & -1 & 1 \\ -1 & 2 & -1 \\ 1 & -1 & 2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 2 & -1 & 1 \\ -1 & 2 & -1 \\ 1 & -1 & 2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 6 & -5 & 5 \\ -5 & 6 & -5 \\ 5 & -5 & 6 \end{bmatrix} A 2 = A ⋅ A = 2 − 1 1 − 1 2 − 1 1 − 1 2 2 − 1 1 − 1 2 − 1 1 − 1 2 = 6 − 5 5 − 5 6 − 5 5 − 5 6
Step 2: Calculate A 3 A^3 A 3
Next, we compute A 3 A^3 A 3 by multiplying A 2 A^2 A 2 with A A A .
A 3 = A 2 ⋅ A = [ 6 − 5 5 − 5 6 − 5 5 − 5 6 ] [ 2 − 1 1 − 1 2 − 1 1 − 1 2 ] = [ 22 − 21 21 − 21 22 − 21 21 − 21 22 ] A^3 = A^2 \cdot A = \begin{bmatrix} 6 & -5 & 5 \\ -5 & 6 & -5 \\ 5 & -5 & 6 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 2 & -1 & 1 \\ -1 & 2 & -1 \\ 1 & -1 & 2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 22 & -21 & 21 \\ -21 & 22 & -21 \\ 21 & -21 & 22 \end{bmatrix} A 3 = A 2 ⋅ A = 6 − 5 5 − 5 6 − 5 5 − 5 6 2 − 1 1 − 1 2 − 1 1 − 1 2 = 22 − 21 21 − 21 22 − 21 21 − 21 22
Step 3: Verify the equation
We substitute the matrices into the expression A 3 − 6 A 2 + 9 A − 4 I A^3 - 6A^2 + 9A - 4I A 3 − 6 A 2 + 9 A − 4 I .
A 3 − 6 A 2 + 9 A − 4 I A^3 - 6A^2 + 9A - 4I A 3 − 6 A 2 + 9 A − 4 I
= [ 22 − 21 21 − 21 22 − 21 21 − 21 22 ] − 6 [ 6 − 5 5 − 5 6 − 5 5 − 5 6 ] + 9 [ 2 − 1 1 − 1 2 − 1 1 − 1 2 ] − 4 [ 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ] = \begin{bmatrix} 22 & -21 & 21 \\ -21 & 22 & -21 \\ 21 & -21 & 22 \end{bmatrix} - 6\begin{bmatrix} 6 & -5 & 5 \\ -5 & 6 & -5 \\ 5 & -5 & 6 \end{bmatrix} + 9\begin{bmatrix} 2 & -1 & 1 \\ -1 & 2 & -1 \\ 1 & -1 & 2 \end{bmatrix} - 4\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} = 22 − 21 21 − 21 22 − 21 21 − 21 22 − 6 6 − 5 5 − 5 6 − 5 5 − 5 6 + 9 2 − 1 1 − 1 2 − 1 1 − 1 2 − 4 1 0 0 0 1 0 0 0 1
= [ 22 − 21 21 − 21 22 − 21 21 − 21 22 ] − [ 36 − 30 30 − 30 36 − 30 30 − 30 36 ] + [ 18 − 9 9 − 9 18 − 9 9 − 9 18 ] − [ 4 0 0 0 4 0 0 0 4 ] = \begin{bmatrix} 22 & -21 & 21 \\ -21 & 22 & -21 \\ 21 & -21 & 22 \end{bmatrix} - \begin{bmatrix} 36 & -30 & 30 \\ -30 & 36 & -30 \\ 30 & -30 & 36 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} 18 & -9 & 9 \\ -9 & 18 & -9 \\ 9 & -9 & 18 \end{bmatrix} - \begin{bmatrix} 4 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 4 \end{bmatrix} = 22 − 21 21 − 21 22 − 21 21 − 21 22 − 36 − 30 30 − 30 36 − 30 30 − 30 36 + 18 − 9 9 − 9 18 − 9 9 − 9 18 − 4 0 0 0 4 0 0 0 4
= [ 22 − 36 + 18 − 4 − 21 + 30 − 9 + 0 21 − 30 + 9 + 0 − 21 + 30 − 9 + 0 22 − 36 + 18 − 4 − 21 + 30 − 9 + 0 21 − 30 + 9 + 0 − 21 + 30 − 9 + 0 22 − 36 + 18 − 4 ] = [ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ] = 0 = \begin{bmatrix} 22-36+18-4 & -21+30-9+0 & 21-30+9+0 \\ -21+30-9+0 & 22-36+18-4 & -21+30-9+0 \\ 21-30+9+0 & -21+30-9+0 & 22-36+18-4 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{bmatrix} = 0 = 22 − 36 + 18 − 4 − 21 + 30 − 9 + 0 21 − 30 + 9 + 0 − 21 + 30 − 9 + 0 22 − 36 + 18 − 4 − 21 + 30 − 9 + 0 21 − 30 + 9 + 0 − 21 + 30 − 9 + 0 22 − 36 + 18 − 4 = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 = 0
Hence verified.
Step 4: Find A − 1 A^{-1} A − 1
From the equation A 3 − 6 A 2 + 9 A − 4 I = 0 A^3 - 6A^2 + 9A - 4I = 0 A 3 − 6 A 2 + 9 A − 4 I = 0 , we rearrange terms to isolate I I I on one side:
4 I = A 3 − 6 A 2 + 9 A 4I = A^3 - 6A^2 + 9A 4 I = A 3 − 6 A 2 + 9 A
4 I = A ( A 2 − 6 A + 9 I ) 4I = A(A^2 - 6A + 9I) 4 I = A ( A 2 − 6 A + 9 I )
Post-multiplying by A − 1 A^{-1} A − 1 (since ∣ A ∣ ≠ 0 |A| \neq 0 ∣ A ∣ = 0 , A − 1 A^{-1} A − 1 exists):
4 I A − 1 = A ( A 2 − 6 A + 9 I ) A − 1 4IA^{-1} = A(A^2 - 6A + 9I)A^{-1} 4 I A − 1 = A ( A 2 − 6 A + 9 I ) A − 1
4 A − 1 = A A − 1 ( A 2 − 6 A + 9 I ) 4A^{-1} = A A^{-1} (A^2 - 6A + 9I) 4 A − 1 = A A − 1 ( A 2 − 6 A + 9 I )
4 A − 1 = I ( A 2 − 6 A + 9 I ) 4A^{-1} = I(A^2 - 6A + 9I) 4 A − 1 = I ( A 2 − 6 A + 9 I )
A − 1 = 1 4 ( A 2 − 6 A + 9 I ) A^{-1} = \frac{1}{4}(A^2 - 6A + 9I) A − 1 = 4 1 ( A 2 − 6 A + 9 I )
Substituting the matrices:
A − 1 = 1 4 ( [ 6 − 5 5 − 5 6 − 5 5 − 5 6 ] − [ 12 − 6 6 − 6 12 − 6 6 − 6 12 ] + [ 9 0 0 0 9 0 0 0 9 ] ) A^{-1} = \frac{1}{4} \left( \begin{bmatrix} 6 & -5 & 5 \\ -5 & 6 & -5 \\ 5 & -5 & 6 \end{bmatrix} - \begin{bmatrix} 12 & -6 & 6 \\ -6 & 12 & -6 \\ 6 & -6 & 12 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} 9 & 0 & 0 \\ 0 & 9 & 0 \\ 0 & 0 & 9 \end{bmatrix} \right) A − 1 = 4 1 6 − 5 5 − 5 6 − 5 5 − 5 6 − 12 − 6 6 − 6 12 − 6 6 − 6 12 + 9 0 0 0 9 0 0 0 9
A − 1 = 1 4 [ 3 1 − 1 1 3 1 − 1 1 3 ] A^{-1} = \frac{1}{4} \begin{bmatrix} 3 & 1 & -1 \\ 1 & 3 & 1 \\ -1 & 1 & 3 \end{bmatrix} A − 1 = 4 1 3 1 − 1 1 3 1 − 1 1 3
∴ A − 1 = 1 4 [ 3 1 − 1 1 3 1 − 1 1 3 ] A^{-1} = \frac{1}{4} \begin{bmatrix} 3 & 1 & -1 \\ 1 & 3 & 1 \\ -1 & 1 & 3 \end{bmatrix} A − 1 = 4 1 3 1 − 1 1 3 1 − 1 1 3