행렬 곱의 성질
A가 m×n, B와 C가 n×p 행렬일 때, 다음이 성립한다.
1. A(B+C)=AB+AC
2. a(AB)=(aA)B=A(aB)
3. ImA=A=AIn
증명)
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(B+C)ij=Bij+Cij⇒{A(B+C)}ij=∑i=1nAik(B+C)kj=∑i=1n(AikBkj+AikCkj)=(AB+AC)ij
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{a(AB)}ij=a(AB)ij=a∑i=1nAikBkj=∑i=1n(aAik)Bkj=∑i=1nAik(aBkj)
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(ImA)ij=∑i=1mIikAkj=IiiAij=Aij(AIn)ij=∑i=1nAikIkj=AijIjj=Aij
행렬-벡터 곱 : 선형변환의 관점
V,W는 유한차원 벡터공간이고, 순서기저는 각각 β,γ이다. 선형변환 T:V→W와 u∈V에 대해 다음이 성립한다.
[T(u)]γ=[T]βγ[u]β
증명)
V의 기저 β={v1,...,vn}, W의 기저 γ={w1,...,wm}이 있다고 하자.
u∈V에 대해 u=a1v1+...+anvn인 (a1,...,an)∈Fn이 유일하게 존재한다.
따라서 T(u)=a1T(v1)+...+anT(vn)이다.
T(v1),...,T(vn)∈W이므로 각 기저의 변환된 결과를 γ의 유일한 일차결합으로 나타낼 수 있다.
T(v1)=b11w1+...+bm1wmT(v2)=b12w1+...+bm2wm⋮T(vn)=b1nw1+...+bmnwm
이로부터 T(u)=a1T(v1)+...+anT(vn)을 γ의 좌표벡터로 나타내면 다음과 같다.
[T(u)]γ=⎝⎜⎜⎛∑k=1nakb1k⋮∑k=1nakbmk⎠⎟⎟⎞
그리고 중간의 결과로부터 [T]βγ와 [u]β를 얻을 수 있다.
[T]βγ=⎝⎜⎜⎜⎜⎛b11b21⋮bm1b12b22⋮bm2......⋮...b1nb2n⋮bmn⎠⎟⎟⎟⎟⎞[u]β=⎝⎜⎜⎛a1⋮an⎠⎟⎟⎞
따라서 [T(u)]γ=[T]βγ[u]β이 성립한다.
즉 u∈V를 선형변환 T를 통해 T(u)를 구한 후 T(u)의 좌표벡터를 구하는 것은,
β와 γ에 대한 행렬표현과 u의 β에 대한 좌표벡터를 곱한 것과 동일하다.
이처럼 선형변환과 행렬 곱은 서로 동일한 측면을 가진다.
좌측 곱 변환
A는 m×n 행렬이고, 성분은 F의 원소다. 이 때 좌측 곱 변환 LA를 다음과 같이 정의한다.
LA:Fn→Fm,LA(x)=Ax
좌측 곱 변환의 성질
임의의 m×n 행렬 B와 Fn의 표준 순서기저 β, Fm의 표준 순서기저 γ에 대해 다음이 성립한다.
- [LA]βγ=A
- LA=LB≡A=B
- LA+B=LA+LB, LaA=aLA
- T:Fn→Fm이 선형이면 T=LC가 되도록하는 m×n 행렬 C가 유일하게 존재한다.
- E가 n×p 행렬이면 LAE=LALE이다.
- m=n이면 LI−n=IFn이다.
증명)
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LA(ej)=Aej는 [LA]βγ의 j열과 동일하다.
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(⇒) LA=LB⇒∀ej∈Fn,LA(ej)=LB(ej)⇒AIn=BIn⇒A=B(⇐) A=B⇒∀ej∈Fn, Aej=Bej⇒LA=LB
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(A+B)(ej)=Aej+Bej⇒LA(ej)+LB(ej)⇒LA+B=LA+LB(aA)(ej)=aA(ej)⇒LaA=aLA
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LC의 존재성 : C=[T]βγ일 때, [T(x)]γ=[T]βγ[x]β=C[x]β⇒T(x)=Cx⇒T=LC
LC의 유일성 : T=LC1,T=LC2이면 (2)에 의해 LC1=LC2⇒C1=C2
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AE(ej)=A(E(ej))⇒LAE=LALE
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LIn(ej)=Inej=ej, IFn(ej)=ej⇒m=n이면 LIn=IFn