[선형대수학] 역행렬과 행렬식

Kyeongmin·2023년 9월 2일

수학

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1. 기약행사다리꼴과 역행렬

행렬 Am×n\textbf{A}_{m\times n}이 역행렬을 가지려면, Rank(A)=n=mRank(\textbf{A}) =n=m 이어야 한다.
이는 rref(A)=Inrref(\textbf{A})=I_n 임을 뜻한다.

1. 기약행 사다리꼴의 선형 변환
행렬 A\textbf{A}의 기약행 사다리꼴을 구하는 것을 선형 변환으로 나타낼 수 있고,
선형 변환으로 나타낼 수 있기 때문에 이는 행렬곱으로 표현할 수 있다.

  • 기약행 사다리꼴 변환 과정
    A=[1−1−1−123114]→[1−1−1a1012a2+a1025a3−a1]→[101a1+a2012a2001a3−2a2]→[100a1−a3010a2−2a3001a3]\textbf{A}= \begin{bmatrix} 1 & -1 & -1 \\ -1 & 2 & 3 \\ 1 & 1 & 4 \end{bmatrix}\rightarrow \left[ \begin{array}{ccc|c} 1 & -1 & -1 & a_1 \\ 0 & 1 & 2 & a_2+a_1 \\ 0 & 2 & 5 & a_3-a_1 \end {array} \right]\rightarrow \left[ \begin{array}{ccc|c} 1 & 0 & 1 & a_1+a_2 \\ 0 & 1 & 2 & a_2 \\ 0 & 0 & 1 & a_3-2a_2 \end {array} \right]\rightarrow \left[ \begin{array}{ccc|c} 1 & 0 & 0 & a_1-a_3 \\ 0 & 1 & 0 & a_2-2a_3\\ 0 & 0 & 1 & a_3 \end {array} \right]
  • 기약행 사다리꼴 변환 과정의 선형 변환 형태
    T1(a⃗):[a1a2a3]⟼[a1a2+a1a3−a1]  ,  T2(a⃗):[a1a2a3]⟼[a1+a2a2a3−2a2]  ,  T3(a⃗):[a1a2a3]⟼[a1−a3a2−2a3a3] T1(a⃗)=S1a⃗,T2(a⃗)=S2a⃗,T3(a⃗)=S3a⃗\textbf{T}_1(\vec{a}): \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \end{bmatrix} \longmapsto \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2+a_1 \\ a_3-a_1 \end{bmatrix} \;,\; \textbf{T}_2(\vec{a}): \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \end{bmatrix} \longmapsto \begin{bmatrix} a_1+a_2 \\ a_2 \\ a_3-2a_2 \end{bmatrix} \;,\; \textbf{T}_3(\vec{a}): \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \end{bmatrix} \longmapsto \begin{bmatrix} a_1-a_3 \\ a_2-2a_3 \\ a_3 \end{bmatrix}\\\,\\ T_1(\vec{a}) = \textbf{S}_1\vec{a} \quad,\quad T_2(\vec{a}) = \textbf{S}_2\vec{a} \quad,\quad T_3(\vec{a}) = \textbf{S}_3\vec{a}
  • 기약행 사다리꼴 변환을 통한 역행렬 구하기
    T3(T2(T1(A)))  =  S3S2S1A  =  rref(A)  =  In S3S2S1A  =  In  =  A−1A…S3S2S1  =  A−1T_3(T_2(T_1(\textbf{A}))) \;=\; \textbf{S}_3\textbf{S}_2\textbf{S}_1\textbf{A} \;=\; rref(\textbf{A}) \;=\; \textbf{I}_n \\\,\\ \textbf{S}_3\textbf{S}_2\textbf{S}_1\textbf{A} \;=\; \textbf{I}_n \;=\; \textbf{A}^{-1}\textbf{A} \quad \dots \quad \textbf{S}_3\textbf{S}_2\textbf{S}_1 \;=\; \textbf{A}^{-1}
    즉, [A  ∣  In]  =  [In  ∣  A−1][\textbf{A} \;|\;\textbf{I}_n] \; = \; [\textbf{I}_n \;|\; \textbf{A}^{-1}] 이다.
  1. 역행렬 구하기
    • 2 x 2 행렬의 역행렬
      • 행렬식 : Det(A)=∣ A ∣=∣abcd∣=ad−bcDet(\textbf{A}) = |\,\textbf{A}\,| = \begin{vmatrix}a&b\\c&d\end{vmatrix} = ad-bc
      • 역행렬
        A−1=1ad−bc[d−c−ba]=1Det(A)[d−c−ba]\textbf{A}^{-1} = \frac{1}{ad-bc}\begin{bmatrix}d & -c \\ -b & a\end{bmatrix} = \frac{1}{Det(\textbf{A})}\begin{bmatrix}d & -c \\ -b & a\end{bmatrix}
      • 가역성 판단
        Det(A)=ad−bcDet(\textbf{A})=ad-bc 가 0이라면 가역성을 가지지 않고, 0이 아니라면 가역성을 가진다.
    • 3 x 3 행렬의 역행렬 (생략)
    • n x n 행렬의 역행렬 (생략)
    • 다른 행/열을 이용한 역행렬 구하기 (생략)
  2. 사루스의 법칙
    3 x 3 행렬에서의 행렬식을 구하는 방법이다.
    우측 방향 대각선 행은 더하고, 좌측 방향 대각선 행을 빼는 방식이다.
    A=[abcdefghi]…Det(A)=aei + bfg + cdh − afh − bdi − ceg \textbf{A} = \begin{bmatrix}a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \end{bmatrix} \quad \dots \quad Det(\textbf{A}) = aei\,+\, bfg\,+\, cdh \,-\, afh \,-\, bdi \,-\, ceg \\\,\\

2. 행렬식 응용

  1. 스칼라곱의 행렬식
    2차원 행렬 뿐만 아니라 3차원, n차원 행렬에서도 아래 특징을 지닌다.  \,\\\,
    • 특정 행에 대한 스칼라 곱
      행렬 A\textbf{A}의 특정 행에 스칼라 kk를 곱한 행렬 A′\textbf{A}^\prime 에 대해서 Det(A′)=k Det(A)Det(\textbf{A}^\prime) = k\,Det(\textbf{A}) 이다.
      A=[abcd],Det(A)=ad−bc A′=[abkckd],Det(A′)=kad−kbc=k(ad−bc)=k Det(A) \textbf{A} = \begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix} \quad , \quad Det(\textbf{A})=ad-bc \\\,\\ \textbf{A}^\prime = \begin{bmatrix}a&b\\kc&kd\end{bmatrix} \quad , \quad Det(\textbf{A}^\prime)=kad-kbc = k(ad-bc) =k\,Det(\textbf{A}) \\\,\\
    • 행렬에 대한 스칼라 곱
      행렬 A\textbf{A} 에 스칼라 kk를 곱한 행렬 kAk\textbf{A} 에 대해서 Det(kA)=k2 Det(A)Det(k\textbf{A}) = k^2\,Det(\textbf{A}) 이다.
      kA=[kakbkckd],Det(kA)=k2ad−k2bc=k2(ad−bc)=k2 Det(A)     Det(kBn×n)=kn Det(Bn×n) k\textbf{A} = \begin{bmatrix}ka&kb\\kc&kd\end{bmatrix} \quad , \quad Det(k\textbf{A})=k^2ad-k^2bc = k^2(ad-bc) =k^2\,Det(\textbf{A}) \\\,\\ \quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\;\; Det(k\textbf{B}_{n\times n}) = k^n\,Det(\textbf{B}_{n\times n})\\\,\\
  2. 행 덧셈의 행렬식
    2차원 행렬 뿐만 아니라 3차원, n차원 행렬에서도 아래 특징을 지닌다.
    다른 행렬 X,Y\textbf{X}, \textbf{Y}의 특정 행을 더해 새로운 행렬 Z\textbf{Z}를 만들었을 때, Det(Z)=Det(X)+Det(Y)Det(\textbf{Z}) = Det(\textbf{X})+Det(\textbf{Y}) 이다.  \,\\\,
    X=[abx1x2]  ,  Y=[aby1y2]  ,  Z=[abx1+y1x2+y2] Det(X)=ax2−bx1  ,  Det(Y)=ay2−by1Det(Z)=a(x2+y2)−b(x1+y1)=ax2−bx1+ay2−by1=Det(X)+Det(Y) \textbf{X}=\begin{bmatrix}a&b\\x_1&x_2\end{bmatrix}\;,\; \textbf{Y}=\begin{bmatrix}a&b\\y_1&y_2\end{bmatrix}\;,\; \textbf{Z}=\begin{bmatrix}a&b\\x_1+y_1&x_2+y_2\end{bmatrix} \\\,\\ Det(\textbf{X})= ax_2-bx_1 \;,\; Det(\textbf{Y})= ay_2-by_1 \\ Det(\textbf{Z})=a(x_2+y_2) - b(x_1+y_1) = ax_2-bx_1+ay_2-by_1 = Det(\textbf{X}) + Det(\textbf{Y}) \\\,\\
  3. 교환행렬의 행렬식
    행렬에서 특정 행들의 위치만 바꾼 행렬을 교환행렬이라고 하고, 행렬식에서 아래와 같은 특징을 지닌다.
    • 행렬 A\textbf{A}에서 특정 행 r⃗i,r⃗j\vec{r}_i,\vec{r}_j 위치를 바꾼 행렬 Sij\textbf{S}_{ij}에 대해서 Det(Sij)=−Det(A)Det(\textbf{S}_{ij})=-Det(\textbf{A}) 이다.
       A=[r⃗1…r⃗ir⃗j…r⃗n],Sij=[r⃗1…r⃗jr⃗i…r⃗n]…Det(Sij)=−Det(A) \\\,\\ \textbf{A}=\begin{bmatrix}\vec{r}_1 \\ \dots \\ \vec{r}_i \\ \vec{r}_j \\ \dots \\ \vec{r}_n \end{bmatrix} \quad , \quad \textbf{S}_{ij}=\begin{bmatrix}\vec{r}_1 \\ \dots \\ \vec{r}_j \\ \vec{r}_i \\ \dots \\ \vec{r}_n \end{bmatrix} \quad\quad \dots \quad Det(\textbf{S}_{ij})=-Det(\textbf{A}) \\\,
    • 행렬 A\textbf{A}의 행 ri=rjr_i = r_j 일 때, 행렬 A\textbf{A} 는 가역성을 지니지 않는다.
      Ifri=rj  …Det(Sij)=Det(A)=−Det(A)=0IfDet(A)=0…rref(A)≠In \textbf{If}\quad r_i = r_j\; \quad\quad\quad \dots \quad Det(\textbf{S}_{ij})=Det(\textbf{A})=-Det(\textbf{A})=0 \\ \textbf{If}\quad Det(\textbf{A})=0 \quad \dots \quad rref(\textbf{A}) \neq \textbf{I}_n \\\,
  4. 행연산의 행렬식
    행렬 A\textbf{A}에서 행 간 연산을 한 행렬을 B\textbf{B} 라고 하면, Det(A)=Det(B) Det(\textbf{A}) = Det(\textbf{B})\\\,
    A=[r⃗1…r⃗ir⃗j…],B=[r⃗1…r⃗ir⃗j−c r⃗i…] Det(B)=Det([r⃗1…r⃗ir⃗j−c r⃗i…])=Det(A)+Det([r⃗1…r⃗i−c r⃗i…]) Det([r⃗1…r⃗i−c r⃗i…])=−c×Det([r⃗1…r⃗ir⃗i…])=−c×0=0…(r⃗i=r⃗i) Det(B)=Det(A)+0=Det(A) \textbf{A}=\begin{bmatrix}\vec{r}_1 \\ \dots \\ \vec{r}_i \\ \vec{r}_j \\ \dots\end{bmatrix} \quad,\quad \textbf{B}=\begin{bmatrix}\vec{r}_1 \\ \dots \\ \vec{r}_i \\ \vec{r}_j-c\,\vec{r}_i \\ \dots\end{bmatrix} \\\,\\ Det(\textbf{B}) = Det(\begin{bmatrix}\vec{r}_1\\ \dots\\ \vec{r}_i\\ \vec{r}_j-c\,\vec{r}_i\\ \dots\end{bmatrix}) = Det(\textbf{A})+Det(\begin{bmatrix}\vec{r}_1\\ \dots \\ \vec{r}_i \\ -c\,\vec{r}_i \\ \dots\end{bmatrix}) \\\,\\ Det(\begin{bmatrix}\vec{r}_1\\ \dots \\ \vec{r}_i \\ -c\,\vec{r}_i \\ \dots\end{bmatrix}) = -c \times Det(\begin{bmatrix}\vec{r}_1 \\ \dots \\ \vec{r}_i \\ \vec{r}_i \\ \dots\end{bmatrix})= -c \times 0 =0 \quad \dots \quad (\vec{r}_i=\vec{r}_i)\\\,\\ Det(\textbf{B}) = Det(\textbf{A}) + 0 = Det(\textbf{A})\\\,
  5. 상삼각/하삼각행렬의 행렬식
    행렬 A\textbf{A}에서 a11,a22, … ,anna_{11},a_{22},\,\dots\,,a_{nn}을 주대각성분이라고 하며,
    주대각성분의 아래가 모두 0인 경우를 상삼각행렬 U\textbf{U}, 주대각성분의 위가 모두 0인 경우를 하삼각행렬 L\textbf{L}이라고 한다.
    상/하삼각행렬의 행렬식 Det(L)=Det(U)=a11×a22×⋯×annDet(\textbf{L}) = Det(\textbf{U}) = a_{11}\times a_{22}\times\dots\times a_{nn} 이다.
     U=[abc0de00f],Det(U)=a∣de0f∣−0∣bc0f∣+0∣bcde∣=adf \\\,\\ \textbf{U}=\begin{bmatrix}a&b&c\\0&d&e\\0&0&f\end{bmatrix} \quad,\quad Det(\textbf{U}) = a\begin{vmatrix}d&e\\0&f\end{vmatrix} -0\begin{vmatrix}b&c\\0&f\end{vmatrix} +0\begin{vmatrix}b&c\\d&e\end{vmatrix} =adf\\\,
  6. 행렬식과 평행사변형의 관계
    행렬 A2×2\textbf{A}_{2\times2}의 열벡터 c⃗1,c⃗2\vec{c}_1,\vec{c}_2으로 이루어진 평행사변형의 넓이 R=∣ Det(A) ∣\textbf{R}=|\,Det(\textbf{A})\,| 이다.
     \,\\
  7. 행렬식과 선형변환의 관계
    선형변환 T=Ax⃗\textbf{T}=\textbf{A}\vec{x} 이고 선형변환 전(정의역)의 넓이가 R\textbf{R}이라고 했을 때, 선형변환 후(치역)의 넓이 RT=∣ R  Det(A) ∣\textbf{R}_{T} = |\,\textbf{R}\;Det(\textbf{A})\,| 이다.
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