https://ocw.mit.edu/courses/18-06-linear-algebra-spring-2010/video_galleries/video-lectures/
먼저, 이전 강의에서 진행한 내용을 복습해보자.
A⎣⎢⎡−Ai,1−−Ai,2−−Ai,3−⎦⎥⎤B⎣⎢⎡−−−B1,jB2,jB3,j⎦⎥⎤ =C⎣⎢⎡−−−−Ci,j−⎦⎥⎤
위 AB=C 행렬식에서 Ci,j의 값은 어떻게 구할 수 있을까?
Ci,j는 다음과 같이 구할 수 있다.
Ci,j=(rowi of A)⋅(colj of B)
=ai,1b1,j+ai,2b2,j+...+ai,nbn,j
=k=1∑nai,kbk,j
그렇다면 위 수식을 보고, AB=C를 만족하기 위한 각 행렬의 사이즈를 생각해보자.
- 만약 A의 사이즈가 m×n이라면, B의 사이즈는 n×p이어야 한다. 따라서 C의 사이즈는 m×p가 된다.
A⎣⎢⎡−−−−−−−−−⎦⎥⎤B⎣⎢⎡−−−−−−⎦⎥⎤ =C⎣⎢⎡−−−−−−⎦⎥⎤
또한, AB=C는 다음과 같이 해석할 수 있다.
- colj of C=A⋅(colj of B)
A⎣⎢⎡−−−−−−−−−⎦⎥⎤⋅colj of B⎣⎢⎡−−−⎦⎥⎤ =colj of C⎣⎢⎡−−−⎦⎥⎤
- rowi of C=(rowi of A)⋅B
rowi of A[−−−]⋅B⎣⎢⎡−−−−−−⎦⎥⎤ =rowi of C[−−]
그렇다면 col of A×row of B는 어떨까?
이때 사이즈는 (m×1)×(1×p)와 같다.
예를 들어서 다음 행렬식을 계산해보자.
⎣⎢⎡234⎦⎥⎤[16]
위 행렬식을 계산하면 결과는 다음과 같다.
⎣⎢⎡234⎦⎥⎤[16] =⎣⎢⎡234121824⎦⎥⎤
따라서 AB=C에서, AB=sum of (cols of A×rows of B)라고 해석이 가능하다.
그렇다면 좀더 복잡한 행렬로 생각해보자.
⎣⎢⎡234789⎦⎥⎤[1060]
위 행렬식을 계산하면 결과는 다음과 같다.
⎣⎢⎡234789⎦⎥⎤[1060] =⎣⎢⎡234⎦⎥⎤[16]+⎣⎢⎡789⎦⎥⎤[00] =⎣⎢⎡234121824⎦⎥⎤+⎣⎢⎡000000⎦⎥⎤ =⎣⎢⎡234121824⎦⎥⎤
AB=sum of (cols of A×rows of B)을 통해서 계산하니 직관적으로 계산이 가능해짐을 알 수 있다.
또한, 이를 행렬의 원소 단위가 아닌 행렬 그 자체인 블록 단위의 연산으로도 적용할 수도 있다.
ex.
A[A1A3A2A4]B[B1B3B2B4] =C[A1B1+A2B3−−−]
이제 Inverse Matrix(역행렬)를 알아보자.
수식은 다음과 같다.
A−1A=I=AA−1
즉, 행렬 A에 대해서 어떤 행렬을 곱했을 때, identity matrix인 I가 나오도록 하는 행렬이 A의 역행렬 A−1이다.
다만 A−1A=I=AA−1 을 만족하려면 중요한 전제 조건이 있다.
바로, 행렬 A의 역행렬이 존재한다는 전제 조건이다.
행렬 A의 역행렬이 존재한다. = 행렬 A는 invertible 행렬이다. = 행렬 A는 non-singular 행렬이다.
그렇다면, singular 행렬은 어떤 경우에 해당될까? 예시와 함께 살펴보자.
ex.
A=[1236]
위에서 행렬 A는 singular matrix다. 왜 그럴까?
- determination을 하면 0이 나온다.
- 만약 A에 어떤 행렬 B를 곱해서 C 행렬을 구한다고 할 때, C의 모든 행,열은 A의 행,열의 배수꼴로 나타난다.
즉, 강의에서는 다음과 같은 한 마디로 행렬 A가 singular matrix라고 정의한다.
We can find a vector X with Ax = 0. (in x != 0)
예를 들어 살펴보자.
Ax=[1236][−−] =[00]
위 행렬식에서 벡터 x에 어떤 값을 넣으면 위 식을 만족할까? 아마도 다음과 같은 값으로 넣으면 될 것이다.
Ax=[1236][3−1] =[00]
그렇다면 Ax=0 행렬식에서 다음과 같이 접근해보자.
A−1Ax=A−10
분명 x는 [3−1]이라고 확인했는데, x=0이 나왔다. 따라서 이는 모순이 되고,
행렬 A는 not inevertible(=sigular)하다고 할 수 있다.
그렇다면 역행렬은 어떻게 구할 수 있을까?
예시를 살펴보자.
A[1237]A−1[−−−−] =I[1001]
위 행렬식을 보고 A−1을 바로 구하기는 쉽지 않다.
따라서 Gauss-Jordan 방법을 활용해야 한다.
먼저, 다음과 같이 행렬을 만든다.
A∣I[12371001]
그러고 나서 elimination(소거)를 시작한다.
A ∣ I[12371001]r2−2r1→[10311−201]r1−3r2→I ∣ ?[10017−2−31]
즉, 가우스-조던 방법을 거쳐서,
E[A ∣ I]=[I ∣ ?]
형태로 변환하였다.
그리고 다음과 같은 추론을 통해 ?가 A−1임을 알 수 있다.
EAA−1=IA−1
따라서,
?=EI=E=A−1