[선형대수학] 단위 벡터와 정사영

Kyeongmin·2023년 8월 26일
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수학

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1. 단위 벡터 (Unit vector)

  1. 단위 벡터의 정의
    벡터의 크기(norm)가 1인 벡터를 단위 벡터(unit vector)라고 한다.
    ※ 벡터의 크기 norm =v=v12+v22++vn2=\, ||\vec{v}|| \,=\, \sqrt{v_1^2 + v_2^2 + \dots + v_n^2}
  2. 단위 벡터 구하기
    • 주어진 벡터 v\vec{v} 와 같은 방향의 단위 벡터를 u\vec{u} 라고 했을 때, 아래 공식을 통해서 단위벡터를 구할 수 있다.
    • 단위 벡터 u=1vv\vec{u} = \frac{1}{||\vec{v}||}\vec{v}
    • 단위 벡터 공식의 증명
      u=1vv=1vv=1vv=1||\vec{u}|| = ||\frac{1}{||\vec{v}||}\vec{v}|| = ||\frac{1}{||\vec{v}||}|| \, ||\vec{v}|| = \frac{1}{||\vec{v}||} ||\vec{v}|| = 1
  3. 예시
    벡터 v\vec{v} 가 아래와 같이 주어졌을 때, 단위 벡터를 u\vec{u} 구하는 방법은 아래와 같다.
    v=[121],v=12+22+(1)2=6u=1vv=16[121]=[162616]\vec{v} \,=\, \begin{bmatrix}1\\ 2\\ -1\end{bmatrix} \quad,\quad ||\vec{v}|| = \sqrt{1^2 \,+\, 2^2 \,+\, (-1)^2} \,= \sqrt{6} \\\,\\ \vec{u} \,=\, \frac{1}{||\vec{v}||}\vec{v} \,= \, \frac{1}{\sqrt{6}}\begin{bmatrix}1\\ 2\\ -1\end{bmatrix} \,=\, \begin{bmatrix}\frac{1}{\sqrt{6}}\\ \frac{2}{\sqrt{6}}\\ \frac{-1}{\sqrt{6}}\end{bmatrix}

2. 정사영 (Orthogonal projection)

  1. 정사영의 정의
    어떠한 도형 또는 선분 v\vec{v} 에 빛을 비추었을 때, 빛과 수직인 평면 U\textbf{U} 에 생기는 그림자를 말한다.
    이때 평면 U\textbf{U} 에 생기는 그림자를 projU(v)proj_{\textbf{U}}(\vec{v}) 와 같이 표현한다.
  2. 정사영의 성질
    • projU(v)proj_{\textbf{U}}(\vec{v})vprojU(v)\vec{v} - proj_{\textbf{U}}(\vec{v}) 는 서로 직교하기 때문에, projU(V)(vprojU(v))=0proj_{\textbf{U}}(\textbf{V}) \cdot (\vec{v} - proj_{\textbf{U}}(\vec{v})) = 0 이다.
    • projU(v)proj_{\textbf{U}}(\vec{v}) 는 평면 U\textbf{U} 와 같은 방향이기 때문에, projU(v)=cU(cR)proj_{\textbf{U}}(\vec{v}) = c\textbf{U}(c \in \mathbb{R}) 이다.
    • projU(v)proj_{\textbf{U}}(\vec{v}) 는 평면 U\textbf{U} 와 같은 방향이기 때문에, U(vprojU(v))=0\textbf{U} \cdot (\vec{v} - proj_{\textbf{U}}(\vec{v})) = 0 이다.
  3. 정사영 구하기
    위의 정사영의 성질에 따라, 다음과 같은 수식을 통해 정사영을 구할 수 있다.
    U(vprojU(v))=U(vcU)=0UvcUU=0Uv=cUUUvUU=cprojU(v)=cU=UvUUU=UvU2U\textbf{U} \cdot (\vec{v} - proj_{\textbf{U}}(\vec{v})) \,=\, \textbf{U} \cdot (\vec{v} - c\textbf{U}) \,=\, 0 \\\,\\ \textbf{U} \cdot \vec{v} \,-\, c\textbf{U} \cdot \textbf{U} = 0\\\,\\ \textbf{U} \cdot \vec{v} \,=\, c\textbf{U} \cdot \textbf{U}\\\,\\ \frac{\textbf{U} \cdot \vec{v}}{\textbf{U} \cdot \textbf{U}} \,=\, c \\\,\\ proj_{\textbf{U}}(\vec{v}) \,=\, c\textbf{U} \,=\, \frac{\textbf{U} \cdot \vec{v}}{\textbf{U} \cdot \textbf{U}}\textbf{U} \,=\, \frac{\textbf{U} \cdot \vec{v}}{|| \textbf{U} ||^2}\textbf{U}
  4. 예시
    벡터 x,v\vec{x}, \vec{v} 와 선분 L\textbf{L} 이 주어졌을 때, 다음과 같이 정사영을 구할 수 있다.
    x=[23],v=[21],L={cvcR}projL(x)=cv=xvvvvprojL(x)=[23][21][21][21][21]=75[21]=[14575]=[2.81.4]\vec{x} \,=\, \begin{bmatrix}2 \\ 3\end{bmatrix} \quad,\quad \vec{v} \,=\, \begin{bmatrix}2 \\ 1\end{bmatrix} \quad,\quad \textbf{L} \,=\, \big\{c\vec{v} \,|\, c \in \mathbb{R}\big\} \\\,\\ proj_{\textbf{L}}(\vec{x}) \,=\, c\vec{v} \,=\, \frac{\vec{x}\cdot\vec{v}}{\vec{v}\cdot\vec{v}}\vec{v} \\\,\\ proj_{\textbf{L}}(\vec{x}) \,=\, \frac{\begin{bmatrix}2 \\ 3\end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix}2 \\ 1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}2 \\ 1\end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix}2 \\ 1\end{bmatrix}} \begin{bmatrix}2 \\ 1\end{bmatrix} \,=\, \frac{7}{5}\begin{bmatrix}2 \\ 1\end{bmatrix} \,=\, \begin{bmatrix}\frac{14}{5} \\ \frac{7}{5}\end{bmatrix} \,=\, \begin{bmatrix}2.8 \\ 1.4\end{bmatrix}

3. 단위 벡터와 정사영

단위 벡터가 주어졌을 때, 정사영은 보다 더 간략하게 구할 수 있다.

L={cu^cR}projL(u^)=xu^u^u^u^=xu^u^2u^=xu^1u^=(xu^)u^\textbf{L} \,=\, \big\{c\hat{u} \,|\, c \in \mathbb{R}\big\} \\\,\\ proj_{\textbf{L}}(\hat{u}) \,=\, \frac{\vec{x}\cdot\hat{u}}{\hat{u}\cdot\hat{u}}\hat{u} \,=\, \frac{\vec{x}\cdot\hat{u}}{||\hat{u}|| ^ 2}\hat{u} \,=\, \frac{\vec{x}\cdot\hat{u}}{1}\hat{u} \,=\, (\vec{x}\cdot\hat{u})\hat{u}

정사영은 선형 결합의 조건을 만족하므로, 행렬과 벡터의 곱셈으로 나타낼 수 있다.

T=projL:R2R2T(x)=[T(e1)T(e2)]x[T(e1)T(e2)]=[([10][u1u2])[u1u2]([01][u1u2])[u1u2]]=[u1[u1u2]u2[u1u2]]=[u12u1u2u1u2u22]T(x)=[u12u1u2u1u2u22]x\textbf{T} \,=\, proj_\textbf{L} \,:\, \mathbb{R}^2 \longmapsto \mathbb{R}^2 \\\,\\ \textbf{T}(\vec{x}) \,=\, \begin{bmatrix}\textbf{T}(e_1) & \textbf{T}(e_2)\end{bmatrix}\vec{x} \\\,\\ \begin{bmatrix}\textbf{T}(e_1) & \textbf{T}(e_2)\end{bmatrix} \,=\, \begin{bmatrix} \begin{pmatrix}\begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} u_1 \\ u_2 \end{bmatrix}\end{pmatrix}\begin{bmatrix} u_1 \\ u_2 \end{bmatrix} & \begin{pmatrix}\begin{bmatrix} 0 \\ 1 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} u_1 \\ u_2 \end{bmatrix}\end{pmatrix}\begin{bmatrix} u_1 \\ u_2 \end{bmatrix} \end{bmatrix} \,=\, \begin{bmatrix} u_1\begin{bmatrix} u_1 \\ u_2 \end{bmatrix} & u_2\begin{bmatrix} u_1 \\ u_2 \end{bmatrix} \end{bmatrix} \,=\, \begin{bmatrix} u_1^2 & u_1u_2 \\ u_1u_2 & u_2^2 \end{bmatrix} \\\,\\ \textbf{T}(\vec{x}) \,=\, \begin{bmatrix} u_1^2 & u_1u_2 \\ u_1u_2 & u_2^2 \end{bmatrix}\vec{x}
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