행렬 곱과 선형변환의 관계성

STATS·2023년 8월 5일

선형대수학

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행렬 곱의 성질

AAm×nm \times n, BBCCn×pn \times p 행렬일 때, 다음이 성립한다. \\
1. A(B+C)=AB+ACA(B+C) = AB+AC
2. a(AB)=(aA)B=A(aB)a(AB) = (aA)B = A(aB)
3. ImA=A=AInI_mA = A = AI_n

증명)

  1. (B+C)ij=Bij+Cij{A(B+C)}ij=i=1nAik(B+C)kj=i=1n(AikBkj+AikCkj)=(AB+AC)ij(B + C)_{ij} = B_{ij}+C_{ij} \Rightarrow \{A(B+C)\}_{ij} = \sum_{i=1}^n A_{ik}(B+C)_{kj} = \sum_{i=1}^n (A_{ik}B_{kj} + A_{ik}C_{kj}) = (AB+AC)_{ij}

  2. {a(AB)}ij=a(AB)ij=ai=1nAikBkj=i=1n(aAik)Bkj=i=1nAik(aBkj)\{a(AB)\}_{ij} = a(AB)_{ij} = a\sum_{i=1}^n A_{ik}B_{kj} = \sum_{i=1}^n (aA_{ik})B_{kj} = \sum_{i=1}^n A_{ik}(aB_{kj})

  3. (ImA)ij=i=1mIikAkj=IiiAij=Aij(AIn)ij=i=1nAikIkj=AijIjj=Aij(I_mA)_{ij} = \sum_{i=1}^m I_{ik}A_{kj} = I_{ii}A_{ij} = A_{ij}\\ (AI_n)_{ij} = \sum_{i=1}^n A_{ik}I_{kj} = A_{ij}I_{jj} = A_{ij}

행렬-벡터 곱 : 선형변환의 관점

V,WV, W는 유한차원 벡터공간이고, 순서기저는 각각 β,γ\beta, \gamma이다. 선형변환 T:VWT: V \rightarrow WuVu \in V에 대해 다음이 성립한다. \\

[T(u)]γ=[T]βγ[u]β[T(u)]_\gamma = [T]_{\beta}^\gamma[u]_\beta

증명)
VV의 기저 β={v1,...,vn}\beta = \{v_1, ..., v_n\}, WW의 기저 γ={w1,...,wm}\gamma = \{w_1, ..., w_m\}이 있다고 하자.

uVu \in V에 대해 u=a1v1+...+anvnu = a_1v_1 + ... + a_nv_n(a1,...,an)Fn(a_1, ..., a_n) \in F^n이 유일하게 존재한다.
따라서 T(u)=a1T(v1)+...+anT(vn)T(u) = a_1T(v_1) + ... + a_nT(v_n)이다.

T(v1),...,T(vn)WT(v_1), ..., T(v_n) \in W이므로 각 기저의 변환된 결과를 γ\gamma의 유일한 일차결합으로 나타낼 수 있다.

T(v1)=b11w1+...+bm1wmT(v2)=b12w1+...+bm2wmT(vn)=b1nw1+...+bmnwmT(v_1) = b_{11}w_1 + ... + b_{m1}w_m \\ T(v_2) = b_{12}w_1 + ... + b_{m2}w_m \\ \vdots \\ T(v_n) = b_{1n}w_1 + ... + b_{mn}w_m

이로부터 T(u)=a1T(v1)+...+anT(vn)T(u) = a_1T(v_1) + ... + a_nT(v_n)γ\gamma의 좌표벡터로 나타내면 다음과 같다.

[T(u)]γ=(k=1nakb1kk=1nakbmk)[T(u)]_\gamma = \begin{pmatrix} \sum_{k=1}^n a_kb_{1k} \\ \vdots \\ \sum_{k=1}^n a_k b_{mk} \\ \end{pmatrix}

그리고 중간의 결과로부터 [T]βγ[T]_\beta^\gamma[u]β[u]_\beta를 얻을 수 있다.

[T]βγ=(b11b12...b1nb21b22...b2nbm1bm2...bmn)[u]β=(a1an)[T]_\beta^\gamma = \begin{pmatrix} b_{11} & b_{12} & ... & b_{1n} \\ b_{21} & b_{22} & ... & b_{2n} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\ b_{m1} & b_{m2} & ... & b_{mn} \\ \end{pmatrix} \\ {} \\ [u]_\beta = \begin{pmatrix} a_1 \\ \vdots \\ a_n \\ \end{pmatrix}

따라서 [T(u)]γ=[T]βγ[u]β[T(u)]_\gamma = [T]_{\beta}^\gamma[u]_\beta이 성립한다.

uVu \in V를 선형변환 TT를 통해 T(u)T(u)를 구한 후 T(u)T(u)의 좌표벡터를 구하는 것은,
β\betaγ\gamma에 대한 행렬표현과 uuβ\beta에 대한 좌표벡터를 곱한 것과 동일하다.

이처럼 선형변환과 행렬 곱은 서로 동일한 측면을 가진다.

좌측 곱 변환

AAm×nm \times n 행렬이고, 성분은 FF의 원소다. 이 때 좌측 곱 변환 LAL_A를 다음과 같이 정의한다.

LA:FnFm,LA(x)=AxL_A: F^n \rightarrow F^m, L_A(x) = Ax

좌측 곱 변환의 성질

임의의 m×nm \times n 행렬 BBFnF^n의 표준 순서기저 β\beta, FmF^m의 표준 순서기저 γ\gamma에 대해 다음이 성립한다.

  1. [LA]βγ=A[L_A]_\beta^\gamma = A
  2. LA=LBA=BL_A = L_B \equiv A = B
  3. LA+B=LA+LB, LaA=aLAL_{A+B} = L_A+L_B, \ L_{aA}=aL_A
  4. T:FnFmT:F^n \rightarrow F^m이 선형이면 T=LCT = L_C가 되도록하는 m×nm \times n 행렬 CC가 유일하게 존재한다.
  5. EEn×pn \times p 행렬이면 LAE=LALEL_{AE} = L_AL_E이다.
  6. m=nm=n이면 LIn=IFnL_{I-n} = I_{F^n}이다.

증명)

  1. LA(ej)=AejL_A(e_j) = Ae_j[LA]βγ[L_A]_\beta^\gammajj열과 동일하다.

  2. ()(\Rightarrow) LA=LBejFn,LA(ej)=LB(ej)AIn=BInA=B() A=BejFn, Aej=BejLA=LBL_A = L_B \Rightarrow \forall e_j \in F^n, L_A(e_j) = L_B(e_j) \Rightarrow AI_n = BI_n \Rightarrow A = B \\ (\Leftarrow)\ A = B \Rightarrow \forall e_j \in F^n, \ Ae_j = Be_j \Rightarrow L_A = L_B

  3. (A+B)(ej)=Aej+BejLA(ej)+LB(ej)LA+B=LA+LB(aA)(ej)=aA(ej)LaA=aLA(A+B)(e_j) = Ae_j+Be_j \Rightarrow L_A(e_j) + L_B(e_j) \Rightarrow L_{A+B} = L_A+L_B \\ {} \\ (aA)(e_j) = aA(e_j) \Rightarrow L_{aA} = aL_A

  4. LCL_C의 존재성 : C=[T]βγC = [T]_\beta^\gamma일 때, [T(x)]γ=[T]βγ[x]β=C[x]βT(x)=CxT=LC[T(x)]_\gamma = [T]_\beta^\gamma [x]_\beta= C[x]_\beta \Rightarrow T(x) = Cx \Rightarrow T = L_C
    LCL_C의 유일성 : T=LC1,T=LC2T = L_{C_1}, T = L_{C_2}이면 (2)에 의해 LC1=LC2C1=C2L_{C_1} = L_{C_2} \Rightarrow C_1 = C_2

  5. AE(ej)=A(E(ej))LAE=LALEAE(e_{j}) = A(E(e_{j})) \Rightarrow L_{AE} = L_AL_E

  6. LIn(ej)=Inej=ej, IFn(ej)=ejm=nL_{I_n}(e_j) = I_ne_j = e_j, \ I_{F_n}(e_j) = e_j \Rightarrow m = n이면 LIn=IFnL_{I_n} = I_{F_n}

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