[선형대수] Lecture 10: The four fundamental subspaces

이재호·2025년 3월 6일

선형대수

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오늘은 "4 Fundmental Subspaces"에 대해서 알아본다.
A:m×nA:m\times n의 subspaces 종류는 다음과 같다.

  • columnspace: C(A)RmC(A) \in \mathbb{R}^m
  • nullspace: N(A)RnN(A) \in \mathbb{R}^n
  • rowspace: all combinations of rows of A = all combinations of columns of ATA^T = C(AT)RnC(A^T) \in \mathbb{R}^n
  • nullspace of ATA^T: left nullspace of AA = N(A)TRmN(A)^T \in \mathbb{R}^m

이전 강의들에서 columnspace와 nullspace에 대해서는 배웠지만, 이번에는 rowspace와 nullspace of ATA^T라는 새로운 subspace들을 다룬다.

우선 각 subspace들의 basis와 dimension을 정리해보자.

  1. C(A)C(A)
    • dimension : rr(rank)
    • bias : pivot columns
  2. C(AT)C(A^T)
    • dimension : rr (위 칼럼스페이스와 동일하게 피벗의 수인 rank만큼의 차원을 갖는다.)
    • bias : ?
  3. N(A)N(A)
    • dimension : nrn-r (# of free variables)
    • bias : special solutions
  4. N(AT)N(A^T)
    • dimension : mrm-r (마찬가지로 # of free variables이지만, 이는 행에 대해서 적용하기 때문에 mrm-r로 연산한다.)
    • bias : ?

그렇다면 C(AT)C(A^T)N(AT)N(A^T)의 bias는 어떻게 구할 수 있을까? 예시와 함께 보자.
ex.

A=[123111211231][123101100000][101101100000]=RA = \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 & 1 \\ 1 & 1 & 2 & 1 \\ 1 & 2 & 3 & 1 \\ \end{bmatrix} \rightarrow \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 & 1 \\ 0 & -1 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix} \rightarrow \begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix} = R

그리고 위 예시에서 R의 칼럼 공간이 A의 칼럼 공간과 같다고 생각할 수 있는데, 이는 잘못된 생각이다.
왜냐하면 R은 A의 로우 공간에서 로우들의 조합을 변경하면서 나온 값이기에, 이는 로우스페이스를 의미한다. 따라서 R과 A는 같은 로우 공간을 갖는다고 해석할 수 있다.

C(R)C(A) but, “same rowspace"C(R) \ne C(A) \ but, \ \text{``same rowspace"}

그리고 위에서 basis는 [1011]\begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 & 1 \\ \end{bmatrix}[0110]\begin{bmatrix} 0 & 1 & 1 & 0 \\ \end{bmatrix}이다. 즉, 다음과 같이 표현할 수 있다.

basis of C(AT) = first r rows of R\text{basis of $C(A^T)$ = first $r$ rows of $R$}

다음으로 N(AT)N(A^T)의 basis를 구해보자.
이전 강의(lecture 3)에서 배웠던 "Gauss-Jordan" 방법을 적용해보자.

lecture3 내용)

[Am×nIm×m][Rm×nEm×m][A_{m\times n}I_{m\times m}] \rightarrow [R_{m\times n}E_{m\times m}]
[123110011210101231001][123110001101100000101][101112001101100000101]\begin{bmatrix} \begin{array}{c c c c | c c c} 1 & 2 & 3 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 2 & 1 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 2 & 3 & 1 & 0 & 0 & 1 \\ \end{array} \end{bmatrix} \rightarrow \begin{bmatrix} \begin{array}{c c c c | c c c} 1 & 2 & 3 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -1 & -1 & 0 & -1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & -1 & 0 & 1 \\ \end{array} \end{bmatrix} \\ \rightarrow \begin{bmatrix} \begin{array}{c c c c | c c c} 1 & 0 & 1 & 1 & -1 & 2 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 0 & 1 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & -1 & 0 & 1 \\ \end{array} \end{bmatrix}

따라서 EA=REA = R임을 알 수 있다.

[120110101]E[123111211231]A=[101101100000]R\underbrace{ \begin{bmatrix} -1 & 2 & 0 \\ 1 & -1 & 0 \\ -1 & 0 & 1 \\ \end{bmatrix} }_{E} \underbrace{ \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 & 1 \\ 1 & 1 & 2 & 1 \\ 1 & 2 & 3 & 1 \\ \end{bmatrix} }_{A} = \underbrace{ \begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix} }_{R}

그리고 위에서 N(AT)N(A^T)의 bias는 어떻게 추론할 수 있을까? 우선 N(AT)N(A^T)은 "left nullspace of A"로, 즉, EE를 의미한다. 그리고 해당 차원은 nr=32=1n-r=3-2=1로 1이 된다. 따라서 bias를 이루는 벡터는 1개만 존재할 것이다.
그리고 위에서 RR을 보면, row3row_3가 0인 것을 알 수가 있고, N(AT)N(A^T)는 결과가 0이 되는 벡터를 찾아야 하기 때문에, EErow3row_3[1 0 1][-1 \ 0 \ 1]이 bias라고 볼 수 있다.

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