[선형대수학] 직교여공간

Kyeongmin·2023년 9월 10일

수학

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1. 직교여공간

  1. 직교여공간이란
    • 2개 벡터가 서로 수직할 때 이를 직교라고 말하고, ⊥\perp 기호를 사용한다.
    • 직교인 2개 벡터들을 내적하면 값이 0이 나오는 특징을 가지고 있다.
    • 직교여공간은 부분공간이다.
      V⊥  =  {x⃗∈Rn   ∣   x⃗⋅v⃗=0  ,  v⃗∈V}\textbf{V}^{\perp} \;=\; \{\vec{x} \in \mathbb{R}^n \;\,|\,\; \vec{x}\cdot\vec{v}=0 \;,\;\vec{v} \in \textbf{V}\}

2. 직교여공간의 특징

  1. 직교여공간의 직교여공간
    • 행렬 A\textbf{A}의 직교여공간의 직교여공간은 본래 행렬과 같다.
      A  =  (A⊥)⊥\textbf{A}\;=\; (\textbf{A}^\perp)^\perp
  2. 전치행렬과 직교여공간
    • 영공간과 행공간의 직교여공간
      N(A)  =  C(AT)⊥,N(A)⊥  =  C(AT)N(\textbf{A}) \;=\; C(\textbf{A}^T)^\perp \quad\quad,\quad\quad N(\textbf{A})^\perp \;=\; C(\textbf{A}^T)
    • 좌영공간과 열공간의 직교여공간
      N(AT)  =  C(A)⊥,N(AT)⊥  =  C(A)N(\textbf{A}^T) \;=\; C(\textbf{A})^\perp \quad\quad,\quad\quad N(\textbf{A}^T)^\perp \;=\; C(\textbf{A})
  3. 직교여공간의 차원
    행렬 Vn×k\textbf{V}_{n\times k}에 대해 아래와 같은 공식이 성립한다.
    dim(V)+dim(V⊥)=n dim(\textbf{V}) + dim(\textbf{V}^\perp) = n\\\,
    아래는 위 공식에 대한 증명이다.
    basis  of  V={v⃗1,v⃗2,  …  v⃗k}An×k=[v⃗1v⃗2…v⃗k]V⊥      =  C(A)⊥  =  N(AT) Rank(AT)+nullity(AT)=nRank(A)+nullity(AT)=n…(Rank(A)=Rank(AT))dim(C(A))+dim(N(AT))=ndim(V)+dim(V⊥)…(N(AT)=V⊥)basis \;of \;\textbf{V} = \{\vec{v}_1,\vec{v}_2,\;\dots\; \vec{v}_k\}\\ \textbf{A}_{n\times k} = \begin{bmatrix}\vec{v}_1 & \vec{v}_2 & \dots &\vec{v}_k\end{bmatrix} \\ \textbf{V}^\perp \;\;\;=\; C(\textbf{A})^\perp \;=\; N(\textbf{A}^T) \\\,\\ Rank(\textbf{A}^T) + nullity(\textbf{A}^T) = n\\ Rank(\textbf{A}) + nullity(\textbf{A}^T) = n \quad\quad\quad\dots\quad(Rank(\textbf{A})=Rank(\textbf{A}^T))\\ dim(C(\textbf{A})) + dim(N(\textbf{A}^T))=n \\ dim(\textbf{V}) + dim(\textbf{V}^\perp) \quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\dots\quad(N(\textbf{A}^T)=\textbf{V}^\perp)

3. Ax=b의 해와 직교여공간의 관계

Ax⃗=b⃗\textbf{A}\vec{x}=\vec{b} 의 가장 작은 해 r⃗0\vec{r}_0 는 유일하고 r⃗0∈C(AT)\vec{r}_0 \in C(\textbf{A}^T) 이다.

아래는 위 공식에 대한 증명이다.
x⃗=r⃗0+n⃗0…r⃗0∈C(AT)  ,  n⃗0∈N(A)r⃗0=x⃗−n⃗0 Ar⃗0=Ax⃗−An⃗0=b⃗−0⃗=b⃗\vec{x} = \vec{r}_0 + \vec{n}_0 \quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\dots\quad\quad \vec{r}_0 \in C(\textbf{A}^T) \;,\; \vec{n}_0 \in N(\textbf{A}) \\ \vec{r}_0 = \vec{x} - \vec{n}_0 \\\,\\ \textbf{A}\vec{r}_0 = \textbf{A}\vec{x} - \textbf{A}\vec{n}_0 = \vec{b} - \vec{0} = \vec{b}
즉, r⃗0=x⃗\vec{r}_0 = \vec{x} 이며 r⃗0∈C(AT)\vec{r}_0 \in C(\textbf{A}^T) 이다.

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