Write the matrix clearly
Given
A = [ e t e − t cos t e − t sin t e t − e − t cos t − e − t sin t − e − t sin t + e − t cos t e t 2 e − t sin t − 2 e − t cos t ] . A=\begin{bmatrix}
e^t & e^{-t}\cos t & e^{-t}\sin t\\[4pt]
e^t & -e^{-t}\cos t-e^{-t}\sin t & -e^{-t}\sin t+e^{-t}\cos t\\[4pt]
e^t & 2e^{-t}\sin t & -2e^{-t}\cos t
\end{bmatrix}. A = e t e t e t e − t cos t − e − t cos t − e − t sin t 2 e − t sin t e − t sin t − e − t sin t + e − t cos t − 2 e − t cos t .
We need to determine when A A A is invertible. A matrix is invertible iff its determinant is nonzero.
Factor common terms from columns
Observe:
first column has common factor e t e^t e t
second and third columns have common factor e − t e^{-t} e − t
So,
det ( A ) = e t ⋅ e − t ⋅ e − t det [ 1 cos t sin t 1 − cos t − sin t − sin t + cos t 1 2 sin t − 2 cos t ] . \det(A)=e^t\cdot e^{-t}\cdot e^{-t}
\det\begin{bmatrix}
1 & \cos t & \sin t\\
1 & -\cos t-\sin t & -\sin t+\cos t\\
1 & 2\sin t & -2\cos t
\end{bmatrix}. det ( A ) = e t ⋅ e − t ⋅ e − t det 1 1 1 cos t − cos t − sin t 2 sin t sin t − sin t + cos t − 2 cos t .
Thus,
det ( A ) = e − t det [ 1 cos t sin t 1 − cos t − sin t − sin t + cos t 1 2 sin t − 2 cos t ] . \det(A)=e^{-t}
\det\begin{bmatrix}
1 & \cos t & \sin t\\
1 & -\cos t-\sin t & -\sin t+\cos t\\
1 & 2\sin t & -2\cos t
\end{bmatrix}. det ( A ) = e − t det 1 1 1 cos t − cos t − sin t 2 sin t sin t − sin t + cos t − 2 cos t .
Let
M = [ 1 cos t sin t 1 − cos t − sin t − sin t + cos t 1 2 sin t − 2 cos t ] . M=\begin{bmatrix}
1 & \cos t & \sin t\\
1 & -\cos t-\sin t & -\sin t+\cos t\\
1 & 2\sin t & -2\cos t
\end{bmatrix}. M = 1 1 1 cos t − cos t − sin t 2 sin t sin t − sin t + cos t − 2 cos t .
Simplify determinant using row operations
Apply:
R 2 → R 2 − R 1 , R 3 → R 3 − R 1 . R_2\to R_2-R_1,\qquad R_3\to R_3-R_1. R 2 → R 2 − R 1 , R 3 → R 3 − R 1 .
These operations do not change the determinant.
Then
M ∼ [ 1 cos t sin t 0 − 2 cos t − sin t − 2 sin t + cos t 0 2 sin t − cos t − 2 cos t − sin t ] . M\sim
\begin{bmatrix}
1 & \cos t & \sin t\\
0 & -2\cos t-\sin t & -2\sin t+\cos t\\
0 & 2\sin t-\cos t & -2\cos t-\sin t
\end{bmatrix}. M ∼ 1 0 0 cos t − 2 cos t − sin t 2 sin t − cos t sin t − 2 sin t + cos t − 2 cos t − sin t .
Hence,
det ( M ) = det [ − 2 cos t − sin t − 2 sin t + cos t 2 sin t − cos t − 2 cos t − sin t ] . \det(M)=
\det\begin{bmatrix}
-2\cos t-\sin t & -2\sin t+\cos t\\
2\sin t-\cos t & -2\cos t-\sin t
\end{bmatrix}. det ( M ) = det [ − 2 cos t − sin t 2 sin t − cos t − 2 sin t + cos t − 2 cos t − sin t ] .
Compute the 2 × 2 2\times2 2 × 2 determinant
Let
a = − 2 cos t − sin t , a=-2\cos t-\sin t, a = − 2 cos t − sin t ,
b = − 2 sin t + cos t , b=-2\sin t+\cos t, b = − 2 sin t + cos t ,
c = 2 sin t − cos t . c=2\sin t-\cos t. c = 2 sin t − cos t .
Then
det ( M ) = a 2 − b c . \det(M)=a^2-bc. det ( M ) = a 2 − b c .
Now,
b c = ( − 2 sin t + cos t ) ( 2 sin t − cos t ) = − ( 2 sin t − cos t ) 2 . bc=(-2\sin t+\cos t)(2\sin t-\cos t)=-(2\sin t-\cos t)^2. b c = ( − 2 sin t + cos t ) ( 2 sin t − cos t ) = − ( 2 sin t − cos t ) 2 .
So,
det ( M ) = a 2 + ( 2 sin t − cos t ) 2 . \det(M)=a^2+(2\sin t-\cos t)^2. det ( M ) = a 2 + ( 2 sin t − cos t ) 2 .
That is,
det ( M ) = ( − 2 cos t − sin t ) 2 + ( 2 sin t − cos t ) 2 . \det(M)=(-2\cos t-\sin t)^2+(2\sin t-\cos t)^2. det ( M ) = ( − 2 cos t − sin t ) 2 + ( 2 sin t − cos t ) 2 .
Expand:
( − 2 cos t − sin t ) 2 = 4 cos 2 t + sin 2 t + 4 sin t cos t , (-2\cos t-\sin t)^2=4\cos^2 t+\sin^2 t+4\sin t\cos t, ( − 2 cos t − sin t ) 2 = 4 cos 2 t + sin 2 t + 4 sin t cos t ,
( 2 sin t − cos t ) 2 = 4 sin 2 t + cos 2 t − 4 sin t cos t . (2\sin t-\cos t)^2=4\sin^2 t+\cos^2 t-4\sin t\cos t. ( 2 sin t − cos t ) 2 = 4 sin 2 t + cos 2 t − 4 sin t cos t .
Adding,
det ( M ) = 5 cos 2 t + 5 sin 2 t = 5. \det(M)=5\cos^2 t+5\sin^2 t=5. det ( M ) = 5 cos 2 t + 5 sin 2 t = 5.
Therefore,
det ( A ) = e − t ⋅ 5 = 5 e − t . \det(A)=e^{-t}\cdot 5=5e^{-t}. det ( A ) = e − t ⋅ 5 = 5 e − t .
Check invertibility
Since
e − t > 0 for all t ∈ R , e^{-t}>0 \quad \text{for all } t\in\mathbb R, e − t > 0 for all t ∈ R ,
we get
det ( A ) = 5 e − t ≠ 0 for all t ∈ R . \det(A)=5e^{-t}\neq 0 \quad \text{for all } t\in\mathbb R. det ( A ) = 5 e − t = 0 for all t ∈ R .
Thus A A A is invertible for every real t t t .
Evaluate the options
A: invertible for all t ∈ R t\in\mathbb R t ∈ R ✅
B: invertible only if t = π t=\pi t = π ❌
C: not invertible for any t ∈ R t\in\mathbb R t ∈ R ❌
D: invertible only if t = π 2 t=\frac\pi2 t = 2 π ❌
So the correct option is A .