[선형대수학] 벡터와 노름

김기정·2024년 4월 22일
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선형대수학

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이번 포스팅에서는 벡터(Vector)와 노름(Norm)의 주요 개념에 대해 알아보겠습니다.

Vector

벡터는 크기와 양을 설명하는 스칼라(Scalar)와 방향이 합쳐진 물리량입니다. 예를 들면 속도, 힘, 가속도등이 있습니다. 방향을 뺀 스칼라의 경우에는 거리, 질량이 대표적인 예라 할 수 있습니다.

수학적으로 정의했을 때는 Vector는 Vector Space에 있는 원소라고 할 수 있습니다. 그럼 Vector Space(:벡터공간)에 대한 정의를 알아보겠습니다.

Def> Vector Space

두 가지의 연산이 가능해야 하고 연산에 대한 8개의 공리를 만족시키면 그 집합은 Vector Space라 할 수 있습니다.

  • Operation : ++, \cdot
    Let VV be Set and FF be Field.
    • vector addition(++) : V×VVV \times V \rightarrow V
      Let v,wV\forall v, w \in V then v+wVv + w \in V
    • scalar mulitplication(\cdot) : F×VVF \times V \rightarrow V
      Let cc be scalar and vV\forall v \in V then cvVc \cdot v \in V
  • Axiom
    Let u,v,wV\forall u, v, w \in V and a,bFa, b \in F for VV: Vector Space & FF: Field
    [Vector Addition]
    • Associativity(결합) : u+(v+w)=(u+v)+wu + (v + w) = (u +v) + w
    • Commutativity(교환) : u+v=v+uu + v = v + u
    • Identity element(항등원) : there exist 0V\vec{0} \in V such that u+0=0+u=uu + \vec{0} = \vec{0} + u = u
    • Inverse element(역원) : vV\forall v \in V, there exist v-v such that v+(v)=0v + (-v) = \vec{0}
    [Scalar Multiplication]
    • Compatibility : a(bv)=(ab)va(bv) = (ab)v
    • Identity Element : there exist 1F1 \in F such that 1v=v1 \cdot v = v
    • Distributivity1 : a(u+v)=au+ava(u + v) = au + av
    • Distributivity2 : $(a + b)u = au + bu

이와 같이 +,+, \cdot의 연산이 위의 공리를 만족하면 Vector Space라 한다. 그리고 Vector Space안의 원소를 Vector라 정의합니다.

또한 F=RF = \R이면 Real Vector Space, F=CF = \mathbb{C}이면 Complex Vector Space라고 합니다. 저희는 주로 Real Vector Space에 대해서 다루겠습니다.

Example>

  • nNn \in \N에 대해 Rn\R^n는 Vector Space 이다. (R3,R2,etc\R^3, \R^2, etc)
    증명과정은 쉽고 간단하기 때문에 증명은 다루지 않겠습니다.

벡터들의 크기를 구하는 방법으로 norm을 사용합니다. 벡터의 크기를 구하는 norm에 대해 알아보겠습니다.

Def> Vector Norm

:RnR||\cdot|| : \R^n \rightarrow \R

다음 4가지의 조건을 만족시키는 것을 vector norm or norm이라 합니다.

  • vRn,v0\forall v \in \R^n, \quad ||v|| \ge 0
  • v=0v=0||v|| = 0 \Leftrightarrow v = \vec{0}
  • aR\forall a \in \R & vRn,av=av\forall v \in \R^n, \quad||av|| = |a|\cdot||v||
  • u,vRn,u+vu+v\forall u, v \in \R^n, \quad ||u + v|| \le ||u|| + ||v|| : triangle inequality(삼각 부등식)

Norm의 종류는 대표적으로 다음과 같습니다.

For vRnv \in \R^n

  • 1 - norm : v1=v1+v2++vn||v||_1 = |v_1| + |v_2| + \cdots + |v_n|
  • 2 - norm : v2=v12+v22++vn2||v||_2 = \sqrt{v_1^2 + v_2^2 + \cdots + v_n^2} \rightarrow Euclidean distance(유클리드 거리)
  • p - norm : vp=v1p+v2p++vnpp||v||_p = \sqrt[p]{v_1^p + v_2^p + \cdots + v_n^p}
  • infinite - norm : v=max{v1,v2,,vn}||v||_{\infin} = max\{|v_1|, |v_2|, \cdots, |v_n|\}

그럼 이제 Norm에 대해 기하학적인 의미를 보겠습니다.

v=[xy]R2v = \begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix} \in \R^2에 대하여, v11,v21,v1||v||_1 \le 1,||v||_2 \le 1,||v||_{\infin} \le 1를 색깔별로 구하면 다음과 같습니다.

  • v11x+y11x+y1||v||_1 \le 1 \quad \Rightarrow \quad |x| + |y| \le 1 \quad \Rightarrow \quad -1 \le x + y \le 1
  • v21x2+y21x2+y21||v||_2 \le 1 \quad \Rightarrow \quad \sqrt{x^2 + y^2} \le 1 \quad \Rightarrow \quad x^2 + y^2 \le 1
  • v1max{x,y}1x1 or y1||v||_\infin \le 1 \quad \Rightarrow \quad max\{|x|, |y|\} \le 1 \quad \Rightarrow \quad |x| \le 1 \ or \ |y| \le 1

그럼 만약 v=[11]v = \begin{bmatrix} 1\\ 1 \end{bmatrix} 이라 하면 v1,v2,v||v||_1, ||v||_2, ||v||_\infin의 대수 비교는 어떻게 될까요?

(1) v1v2v||v||_1 \le ||v||_2 \le ||v||_\infin
(2) v1v2v||v||_1 \ge ||v||_2 \ge ||v||_\infin

기하학적인 의미와 반대로 (2)가 정답입니다.

  • v1=2||v||_1 = 2
  • v2=2||v||_2 = \sqrt2
  • v=1||v||_\infin = 1

전체적으로 대수 비교를 증명하면 다음과 같습니다.

v=vmax_idx=vmax_idx2i=1nvi2=v2since v22=i=1nvi2(i=1nvi)2=v12,we have v2v1||v||_\infin = |v_{max\_idx}| = \sqrt{v_{max\_idx}^2} \le \sqrt{\sum_{i=1}^n{v_i^2}} = ||v||_2 \\ \text{since } {||v||_2}^2 = \sum_{i=1}^n{v_i^2} \le (\sum_{i=1}^n{|v_i|})^2 = {||v||_1}^2 , \text{we have } ||v||_2 \le ||v||_1 \\
vv2v1\therefore ||v||_\infin \le ||v||_2 \le ||v||_1

이 노름중에 무엇이 좋다라곤 말할 수 없습니다. 하지만 저는 주로 Euclidean distance인 norm-2를 사용할 예정입니다.

기본 연산

다음으로 Vector의 연산에 대해 다뤄보겠습니다. 저희가 다룰 연산은 ++(Addition), Scalar multiplication, -(Subtraction))입니다.

Addition

For u,vRnu, v \in \R^n,

u+v=[u1u2un]+[v1v2vn]=[u1+v1u2+v2un+vn]u + v \quad = \quad \begin{bmatrix} u_1 \\ u_2 \\ \vdots \\ u_n \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} v_1 \\ v_2 \\ \vdots \\ v_n \end{bmatrix} \quad = \quad \begin{bmatrix} u_1 + v_1 \\ u_2 + v_2 \\ \vdots \\ u_n + v_n \end{bmatrix}

Scalar multiplication

For cR&uRnc \in \R \quad \& \quad u\in \R^n,

cu=c[u1u2un]=[cu1cu2cun]c \cdot u \quad = \quad c \cdot \begin{bmatrix} u_1 \\ u_2 \\ \vdots \\ u_n \end{bmatrix} \quad = \quad \begin{bmatrix} c\cdot u_1 \\ c\cdot u_2 \\ \vdots \\ c\cdot u_n \end{bmatrix}

Subtraction

For u,vRnu, v \in \R^n,

uv=u+(1)v=[u1u2un]+(1)[v1v2vn]=[u1u2un]+[v1v2vn]=[u1v1u2v2unvn]u - v \quad = \quad u + (-1) \cdot v \quad = \quad \begin{bmatrix} u_1 \\ u_2 \\ \vdots \\ u_n \end{bmatrix} + (-1) \cdot \begin{bmatrix} v_1 \\ v_2 \\ \vdots \\ v_n \end{bmatrix} \quad = \quad \begin{bmatrix} u_1 \\ u_2 \\ \vdots \\ u_n \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} -v_1 \\ -v_2 \\ \vdots \\ -v_n \end{bmatrix} \quad = \quad \begin{bmatrix} u_1 - v_1 \\ u_2 - v_2 \\ \vdots \\ u_n - v_n \end{bmatrix}

이처럼 벡터의 연산은 요소별로 연산이 이루어집니다. 다음으로 벡터의 내적에 대해 알아보겠습니다.

벡터의 내적(Inner Product)

벡터의 내적은 다음과 같은 함수입니다.

<,> : V×VR(V:Vector Space)<\cdot,\cdot> \ : \ V \times V \rightarrow \R \quad (V:\text{Vector Space})

For u,vRnu, v \in \R^n,

<u,v>=uTv=[u1u2un][v1v2vn]=i=1Nuivi<u, v> \quad = \quad u^T v \quad = \quad \begin{bmatrix} u_1 & u_2 & \cdots & u_n \end{bmatrix} \begin{bmatrix} v_1 \\ v_2 \\ \vdots \\ v_n \end{bmatrix} \quad = \quad \sum_{i=1}^N{u_iv_i}

벡터의 내적에 대한 정의는 위와 같습니다. 이제 부터는 벡터의 내적에 대한 연산과 관련된 성질에 대해 설명하겠습니다.

Property1. 대칭교환가능

For u,vRnu, v \in \R^n,

<u,v>=<v,u><u, v> \quad = \quad <v, u>

Property2. scalar multiplication & inner product

For u,vRnu, v \in \R^n & cRc \in \R,

<cu,v>=c<u,v>=<u,cv><cu, v> \quad = \quad c <u, v> \quad = \quad <u,cv>

Property3. 분배법칙

For p,q,rRnp,q,r \in \R^n ,

<p,q+r>=<p,q>+<p,r><p, q+r> \quad = \quad <p,q> + <p, r>

Property4. 자기 자신과의 내적

For uRnu \in \R^n,

<u,u>0&<u,u>=0  u=0<u, u> \quad \ge \quad 0 \quad \& \quad <u,u> = 0 \ \Leftrightarrow \ u = \vec0

이렇게 4가지의 성질을 가지고 있습니다. 위 4개의 성질 모두 정의를 이용하면 쉽게 증명이 가능합니다. 이제 부터는 norm과의 관련성, Cauchy-Schwarz inequality, 기하학적인 내적의 의미를 설명드리겠습니다.

1. norm and inner product

For uRnu \in \R^n,

u2=i=1nui2=<u,u>||u||_2 \quad = \quad \sqrt{\sum_{i=1}^n {u_i}^2 } \quad = \quad \sqrt{<u,u>}

2. Cauchy-Schwarz Inequality

u,vRn,<u,v>  u2v2\forall u, v \in \R^n, \quad |<u, v>| \ \le \ ||u||_2 ||v||_2

proof>
u,vRn&2=\forall u, v \in \R^n \quad \& \quad ||\cdot||_2 = ||\cdot||,

Since definition of norm, we have ku+v0.||ku +v|| \ge 0. \quadSo we have   ku+v20\ \ ||ku +v||^2 \ge 0.

ku+v2=<ku+v,ku+v>=k2<u,u>+2k<u,v>+<v,v>=k2u2+2k<u,v>+v2\begin{matrix} ||ku+v||^2 &=& <ku+v,ku+v> \\\\ &=& k^2<u,u> + 2k<u,v> + <v,v> \\\\ &=& k^2||u||^2 +2k<u,v> + ||v||^2 \end{matrix}

D/4D/4 is discriminant of the quadratic polynomial ak2+2bk+cak^2+2bk+c

ku+v20D/40<u,v>2u2v20<u,v>2u2v2<u,v>uv\begin{matrix} ||ku+v||^2\quad \ge \quad0 &\Rightarrow& D/4\quad \le \quad0 \\\\ &\Rightarrow& <u,v>^2 - ||u||^2||v||^2 \quad \le\quad 0 \\\\ &\Rightarrow& <u,v>^2\quad \le \quad ||u||^2||v||^2 \\\\ &\Rightarrow& |<u,v>| \quad \le \quad ||u||||v|| \end{matrix}

추가적으로 <u,v>|<u, v>|u2v2||u||_2||v||_2가 같을 때는 u,vu,v가 평행하다고 할 수 있습니다. 이유는 다음과 같습니다.

<u,v>=uvD/4=0ku+v2=0ku+v=0ku+v=0ku=vu // v\begin{matrix} |<u, v>| = ||u||||v|| &\Rightarrow& D/4 = 0 &\Rightarrow& ||ku+v||^2 = 0 \\\\ &\Rightarrow& ||ku+v|| = 0 &\Rightarrow& ku+v = \vec0 \\\\ &\Rightarrow& -ku = v &\Rightarrow& u\ //\ v \\\\ \end{matrix}

지금까지 Cauchy-Schwarz inequality에 대해 증명까지 하면서 살펴보았습니다. 마지막으로 내적의 기하학적인 의미에 대해 살펴보겠습니다.

3. 내적이 가지는 기하학적인 의미

위의 그림을 보면 <u,v><u,v>를 기하학적으로 표현한 식입니다. 주목해야 할 것은 cosθ\cos\theta입니다.

코사인 법칙을 이용해 cosθ=<u,v>uv\cos\theta = {<u,v>\over ||u||||v||}이라는 점을 구할 수 있습니다.

또한 Cauchy-Schwarz inequality와도 관련성이 있습니다.

<u,v>  uv  <u,v>uv  1  1  <u,v>uv  1|<u,v>| \ \le \ ||u||||v|| \ \Rightarrow \ |{<u,v>\over ||u||||v||}| \ \le \ 1 \ \Rightarrow \ -1 \ \le \ {<u,v>\over ||u||||v||} \ \le \ 1 \\\\

즉, θ\theta에 따라 내적의 값에 영향을 받습니다. 만약 θ=π2\theta ={\pi \over2}라면 cosθ=0\cos\theta = 0이 되어 내적 또한 0이 되어버립니다. 기하학적인 의미는 여기까지 입니다.

이번 포스팅은 여기서 마치겠습니다. 궁금한점이나 잘못된점이 있으면 댓글 달아주시면 감사하겠습니다.

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