선형변환의 합성과 행렬 곱

STATS·2023년 8월 4일

선형대수학

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선형변환의 합성

FF-벡터공간 V,W,ZV, W, Z와 선형변환 T:VW,U:WZT: V \rightarrow W, U: W \rightarrow Z가 있을 때, 두 선형변환의 합성 UT:VZUT : V \rightarrow Z는 선형변환이다.

증명)
x,yVx, y \in V, cFc \in F에 대해

(UT)(cx+y)=U(T(cx+y))=U(cT(x)+T(y))=U(cT(x))+U(T(y))=cU(T(x))+U(T(y))=c(UT)(x)+(UT)(y)(UT)(cx+y) = U(T(cx+y))= U(cT(x)+T(y)) = \\ U(cT(x))+U(T(y)) = cU(T(x))+U(T(y)) = c(UT)(x)+(UT)(y)

따라서 UTUT는 선형변환이다.

선형변환의 합성의 성질

벡터공간 VV와 선형변환 T,U1,V2:VVT, U_1, V_2 : V \rightarrow V에 대해 다음이 성립한다.

  1. TU1+U2=TU1+TU2TU_1 + U_2 = TU_1+TU_2
  2. (U1+U2)T=U1T+U2T(U_1+U_2)T = U_1T+U_2T
  3. T(U1U2)=(TU1)U2T(U_1U_2) = (TU_1)U_2
  4. TI=IT=TTI = IT = T
  5. 모든 스칼라 aFa \in F에 대해, a(U1U2)=(aU1)U2=U1(aU2)a(U_1U_2) = (aU_1)U_2 = U_1(aU_2)

동일한 선형변환의 합성

T:VVT : V \rightarrow V일 때, T0=Iv,Tn=Tn1T (nN)T^0 = I_v, T^n = T^{n-1}T \ (n \in N)으로 정의한다.

행렬 곱의 정의

유한차원 벡터공간 V,W,ZV, W, Z와 선형변환 T:VW,U:WZT:V \rightarrow W, U: W \rightarrow Z가 있다고 하자.
VV의 순서 기저 α={v1,...,vn}\alpha = \{v_1, ..., v_n\}, WW의 순서 기저 β={w1,...,wm}\beta = \{w_1, ..., w_m\}, ZZ의 순서 기저 γ={z1,...,zp}\gamma = \{z_1, ..., z_p\}가 있을 때,

A=[U]βγ,B=[T]αβA = [U]^\gamma_\beta, B = [T]_\alpha^\beta이면 AB=[U]βγ[T]αβ=[UT]αγAB = [U]_\beta^\gamma[T]_\alpha^\beta= [UT]_\alpha^\gamma가 되도록 행렬의 곱을 정의한다.

(A)ij=aij,(B)ij=bij(A)_{ij} = a_{ij}, (B)_{ij} = b_{ij}일 때, 행렬곱 계산과정은 다음과 같이 정의한다.

(UT)(vj)=U(T(vj))=U(k=1mbkjwk)=k=1mbkjU(wk)=k=1mbkj(i=1paikwi)=i=1p(k=1maikbkj)wk(UT)(vj)=k=1m(a1kbkj)w1+k=1m(a2kbkj)w2+...+k=1m(apkbkj)wp(AB)ij=i=1maikbkj(UT)(v_j) = U(T(v_j))= U(\sum_{k=1}^m b_{kj}w_k) = \sum_{k=1}^m b_{kj}U(w_k) = \\ \sum_{k=1}^m b_{kj}(\sum_{i=1}^p a_{ik}w_i)= \sum_{i=1}^p (\sum_{k=1}^m a_{ik}b_{kj})w_k \\ {} \\ \Rightarrow (UT)(v_j)=\sum_{k=1}^m(a_{1k}b_{kj}) w_1 + \sum_{k=1}^m(a_{2k}b_{kj}) w_2 + ... + \sum_{k=1}^m(a_{pk}b_{kj}) w_p \\ {} \\ \therefore (AB)_{ij} = \sum_{i=1}^m a_{ik}b_{kj}

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