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 : +, ⋅
Let V be Set and F be Field.
- vector addition(+) : V×V→V
Let ∀v,w∈V then v+w∈V
- scalar mulitplication(⋅) : F×V→V
Let c be scalar and ∀v∈V then c⋅v∈V
- Axiom
Let ∀u,v,w∈V and a,b∈F for V: Vector Space & F: Field
[Vector Addition]
- Associativity(결합) : u+(v+w)=(u+v)+w
- Commutativity(교환) : u+v=v+u
- Identity element(항등원) : there exist 0∈V such that u+0=0+u=u
- Inverse element(역원) : ∀v∈V, there exist −v such that v+(−v)=0
[Scalar Multiplication]
- Compatibility : a(bv)=(ab)v
- Identity Element : there exist 1∈F such that 1⋅v=v
- Distributivity1 : a(u+v)=au+av
- Distributivity2 : $(a + b)u = au + bu
이와 같이 +,⋅의 연산이 위의 공리를 만족하면 Vector Space라 한다. 그리고 Vector Space안의 원소를 Vector라 정의합니다.
또한 F=R이면 Real Vector Space, F=C이면 Complex Vector Space라고 합니다. 저희는 주로 Real Vector Space에 대해서 다루겠습니다.
Example>
- n∈N에 대해 Rn는 Vector Space 이다. (R3,R2,etc)
증명과정은 쉽고 간단하기 때문에 증명은 다루지 않겠습니다.
벡터들의 크기를 구하는 방법으로 norm을 사용합니다. 벡터의 크기를 구하는 norm에 대해 알아보겠습니다.
Def> Vector Norm
∣∣⋅∣∣:Rn→R
다음 4가지의 조건을 만족시키는 것을 vector norm or norm이라 합니다.
- ∀v∈Rn,∣∣v∣∣≥0
- ∣∣v∣∣=0⇔v=0
- ∀a∈R & ∀v∈Rn,∣∣av∣∣=∣a∣⋅∣∣v∣∣
- ∀u,v∈Rn,∣∣u+v∣∣≤∣∣u∣∣+∣∣v∣∣ : triangle inequality(삼각 부등식)
Norm의 종류는 대표적으로 다음과 같습니다.
For v∈Rn
- 1 - norm : ∣∣v∣∣1=∣v1∣+∣v2∣+⋯+∣vn∣
- 2 - norm : ∣∣v∣∣2=v12+v22+⋯+vn2 → Euclidean distance(유클리드 거리)
- p - norm : ∣∣v∣∣p=pv1p+v2p+⋯+vnp
- infinite - norm : ∣∣v∣∣∞=max{∣v1∣,∣v2∣,⋯,∣vn∣}
그럼 이제 Norm에 대해 기하학적인 의미를 보겠습니다.
v=[xy]∈R2에 대하여, ∣∣v∣∣1≤1,∣∣v∣∣2≤1,∣∣v∣∣∞≤1를 색깔별로 구하면 다음과 같습니다.
- ∣∣v∣∣1≤1⇒∣x∣+∣y∣≤1⇒−1≤x+y≤1
- ∣∣v∣∣2≤1⇒x2+y2≤1⇒x2+y2≤1
- ∣∣v∣∣∞≤1⇒max{∣x∣,∣y∣}≤1⇒∣x∣≤1 or ∣y∣≤1

그럼 만약 v=[11] 이라 하면 ∣∣v∣∣1,∣∣v∣∣2,∣∣v∣∣∞의 대수 비교는 어떻게 될까요?
(1) ∣∣v∣∣1≤∣∣v∣∣2≤∣∣v∣∣∞
(2) ∣∣v∣∣1≥∣∣v∣∣2≥∣∣v∣∣∞
기하학적인 의미와 반대로 (2)가 정답입니다.
- ∣∣v∣∣1=2
- ∣∣v∣∣2=2
- ∣∣v∣∣∞=1
전체적으로 대수 비교를 증명하면 다음과 같습니다.
∣∣v∣∣∞=∣vmax_idx∣=vmax_idx2≤i=1∑nvi2=∣∣v∣∣2since ∣∣v∣∣22=i=1∑nvi2≤(i=1∑n∣vi∣)2=∣∣v∣∣12,we have ∣∣v∣∣2≤∣∣v∣∣1
∴∣∣v∣∣∞≤∣∣v∣∣2≤∣∣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,v∈Rn,
u+v=⎣⎢⎢⎢⎢⎡u1u2⋮un⎦⎥⎥⎥⎥⎤+⎣⎢⎢⎢⎢⎡v1v2⋮vn⎦⎥⎥⎥⎥⎤=⎣⎢⎢⎢⎢⎡u1+v1u2+v2⋮un+vn⎦⎥⎥⎥⎥⎤
Scalar multiplication
For c∈R&u∈Rn,
c⋅u=c⋅⎣⎢⎢⎢⎢⎡u1u2⋮un⎦⎥⎥⎥⎥⎤=⎣⎢⎢⎢⎢⎡c⋅u1c⋅u2⋮c⋅un⎦⎥⎥⎥⎥⎤
Subtraction
For u,v∈Rn,
u−v=u+(−1)⋅v=⎣⎢⎢⎢⎢⎡u1u2⋮un⎦⎥⎥⎥⎥⎤+(−1)⋅⎣⎢⎢⎢⎢⎡v1v2⋮vn⎦⎥⎥⎥⎥⎤=⎣⎢⎢⎢⎢⎡u1u2⋮un⎦⎥⎥⎥⎥⎤+⎣⎢⎢⎢⎢⎡−v1−v2⋮−vn⎦⎥⎥⎥⎥⎤=⎣⎢⎢⎢⎢⎡u1−v1u2−v2⋮un−vn⎦⎥⎥⎥⎥⎤
이처럼 벡터의 연산은 요소별로 연산이 이루어집니다. 다음으로 벡터의 내적에 대해 알아보겠습니다.
벡터의 내적(Inner Product)
벡터의 내적은 다음과 같은 함수입니다.
<⋅,⋅> : V×V→R(V:Vector Space)
For u,v∈Rn,
<u,v>=uTv=[u1u2⋯un]⎣⎢⎢⎢⎢⎡v1v2⋮vn⎦⎥⎥⎥⎥⎤=i=1∑Nuivi
벡터의 내적에 대한 정의는 위와 같습니다. 이제 부터는 벡터의 내적에 대한 연산과 관련된 성질에 대해 설명하겠습니다.
Property1. 대칭교환가능
For u,v∈Rn,
<u,v>=<v,u>
Property2. scalar multiplication & inner product
For u,v∈Rn & c∈R,
<cu,v>=c<u,v>=<u,cv>
Property3. 분배법칙
For p,q,r∈Rn ,
<p,q+r>=<p,q>+<p,r>
Property4. 자기 자신과의 내적
For u∈Rn,
<u,u>≥0&<u,u>=0 ⇔ u=0
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 u∈Rn,
∣∣u∣∣2=i=1∑nui2=<u,u>
2. Cauchy-Schwarz Inequality
∀u,v∈Rn,∣<u,v>∣ ≤ ∣∣u∣∣2∣∣v∣∣2
proof>
∀u,v∈Rn&∣∣⋅∣∣2=∣∣⋅∣∣,
Since definition of norm, we have ∣∣ku+v∣∣≥0.So we have ∣∣ku+v∣∣2≥0.
∣∣ku+v∣∣2===<ku+v,ku+v>k2<u,u>+2k<u,v>+<v,v>k2∣∣u∣∣2+2k<u,v>+∣∣v∣∣2
D/4 is discriminant of the quadratic polynomial ak2+2bk+c
∣∣ku+v∣∣2≥0⇒⇒⇒⇒D/4≤0<u,v>2−∣∣u∣∣2∣∣v∣∣2≤0<u,v>2≤∣∣u∣∣2∣∣v∣∣2∣<u,v>∣≤∣∣u∣∣∣∣v∣∣
추가적으로 ∣<u,v>∣와 ∣∣u∣∣2∣∣v∣∣2가 같을 때는 u,v가 평행하다고 할 수 있습니다. 이유는 다음과 같습니다.
∣<u,v>∣=∣∣u∣∣∣∣v∣∣⇒⇒⇒D/4=0∣∣ku+v∣∣=0−ku=v⇒⇒⇒∣∣ku+v∣∣2=0ku+v=0u // v
지금까지 Cauchy-Schwarz inequality에 대해 증명까지 하면서 살펴보았습니다. 마지막으로 내적의 기하학적인 의미에 대해 살펴보겠습니다.
3. 내적이 가지는 기하학적인 의미

위의 그림을 보면 <u,v>를 기하학적으로 표현한 식입니다. 주목해야 할 것은 cosθ입니다.
코사인 법칙을 이용해 cosθ=∣∣u∣∣∣∣v∣∣<u,v>이라는 점을 구할 수 있습니다.
또한 Cauchy-Schwarz inequality와도 관련성이 있습니다.
∣<u,v>∣ ≤ ∣∣u∣∣∣∣v∣∣ ⇒ ∣∣∣u∣∣∣∣v∣∣<u,v>∣ ≤ 1 ⇒ −1 ≤ ∣∣u∣∣∣∣v∣∣<u,v> ≤ 1
즉, θ에 따라 내적의 값에 영향을 받습니다. 만약 θ=2π라면 cosθ=0이 되어 내적 또한 0이 되어버립니다. 기하학적인 의미는 여기까지 입니다.
이번 포스팅은 여기서 마치겠습니다. 궁금한점이나 잘못된점이 있으면 댓글 달아주시면 감사하겠습니다.
Reference