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Q2

2023

1

역행렬을 갖고 있는 행렬 \(A\in \mathbb{R}^{n*n}\) 를 특이값 분해 (singular value decomposition)하면 다음과 같이 표현된다고 한다 \(A\;=\;U\Sigma V^T\) 이를 이용하여 \(A^{-1}\) 와 \(A^{T}\) 의 특이값 분해를 하고, \(U\), \(\Sigma\), \(V\) 로 표현하여라.

풀이
  • 특이값 분해에 의해 A 는 다음과 같이 표현된다.

\(A\;=\;U\Sigma V^T\) 여기서 \(U\) 와 \(V\) 는 직교행렬 직교행렬의 성질 : \(U^T\;=\;U^{-1}\) , \(V^T\;=\;V^{-1}\)

  1. \(A\) 의 역행렬 \(A^{-1}\) 을 구하기 위해 다음 단계를 따른다.

    \(A^{-1}\;=\;(U \Sigma V^T)^{-1}\)

    행렬의 곱의 역행렬은 각 행렬의 역행렬을 역순으로 곱한것과 같다.

    \(A^{-1}\;=\;(V^T)^{-1}\Sigma^{-1}U^{-1}\) \(A^{-1}\;=\;V\Sigma^{-1}U^{T}\)

    여기서 \(\Sigma^{-1}\) 는 \(\Sigma\) 의 역행렬로 원래의 특이값의 역수를 가진 대각행렬

    \(\therefore\quad A^{-1}\;=\;V\Sigma^{-1}U^{T}\)

  2. \(A\) 의 전치 \(A^{T}\) 를 구하기 위해 다음 단계를 따른다.

    행렬의 전치는 각 행렬의 전치를 역순으로 곱한것과 같다.

    \(A^{T}\;=\;(U\Sigma V^T)^T\)

    행렬의 전치 성질을 이용한다.

    \(A^{T}\;=\;(V^T)^T\Sigma^TU^T\)

    직교행렬의 성질을 이용한다.

    \(A^T\;=\;V\Sigma^TU^T\)

    여기서 \(\Sigma^T\) 는 여전히 대각행렬이며 특이값은 동일하다.

    \(\therefore\quad A^T\;=\;V\Sigma^TU^T\)

2

\(A\in \mathbb{R}^{n*n}\) 이고 \(A^2\;=\;A^T\) 를 만족한다고 하자. \(A\) 의 모든 실수 고유값(real eigenvalue)들을 계산하여라. 단, \(A = I, O\) 인 경우는 고려하지 않는다.

  1. 고유값의 성질

    \(\lambda\) 가 \(A\) 의 고유값이라고 하면 아래 식이 성립한다.

    \(Av\;=\;\lambda v\) : \(v\) 는 \(A\) 에 대응하는 고유벡터

  2. 주어진 조건을 이용하여 \(A\) 의 고유값에 대한 식 유도

    \(A^2v\;=\;A(Av)\;=\;A(\lambda v)\;=\;\lambda Av\;=\;\lambda(\lambda v)\;=\;\lambda^2 v\) \(A^2\;=\;A^T\) 이므로 위의 두 식을 비교하면 \(\lambda^2v\;=\;A^Tv\)

    이제 \(A^T\) 에 대해 정리하면 \(v\) 가 \(A\) 의 고유벡터이므로

    \(A^Tv\;=\;\lambda^{'}v\) : \(\lambda^{'}\) 는 \(A^T\) 의 고유값

    \(A^T\) 의 고유값 = \(A\) 의 고유값

    \(\therefore\quad \lambda^2v\;=\;\lambda v\)

  3. 고유값 계산 \(\lambda^2\;=\;\lambda\) \(\lambda(\lambda-1)\;=\;0\)

    \(\therefore\quad \lambda\;=\;0,1\)

  4. 결과 행렬 \(A\in \mathbb{R}^{n*n}\) 가 \(A^2\;=\;A^T\) 를 만족할때 \(A\) 의 모든 실수 고유값은 0 또는 1 이다.

3

다음 행렬 A를 특이값 분해 하여라.

\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 4 & 3 & 2 \\ 2 & 3 & 4 \\ 3 & 9 & 3 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • 특이값 분해 공식

    \(A\;=\;U\Sigma V^T\) , \(U,V\) 는 직교행렬 \(\Sigma\) 는 대각행렬

  • 행렬 \(A\) 의 고유값과 고유벡터 계산

    \(A^TA\) 계산

\[ A^TA \;=\; \begin{aligned} \begin{bmatrix} 4 & 2 & 3 \\ 3 & 3 & 9 \\ 2 & 4 & 3 \\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 4 & 3 & 2 \\ 2 & 3 & 4 \\ 3 & 9 & 3 \\ \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} 29 & 45 & 25 \\ 45 & 99 & 45 \\ 25 & 45 & 29 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
1 열 계산 :
\[ \begin{aligned} &\begin{bmatrix} 4 & 2 & 3 \end{bmatrix} \\ &\begin{bmatrix} 3 & 3 & 9 \end{bmatrix} * \begin{bmatrix} 4 \\ 2 \\ 3 \end{bmatrix} \\ &\begin{bmatrix} 2 & 4 & 3 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} 4*4+2*2+3*3\;=\;29 \\ 3*4+3*2+9*3\;=\;45 \\ 2*4+4*2+3*3\;=\;25 \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} &\begin{bmatrix} 4 & 2 & 3 \end{bmatrix} \\ &\begin{bmatrix} 3 & 3 & 9 \end{bmatrix} * \begin{bmatrix} 3 \\ 3 \\ 9 \end{bmatrix} \\ &\begin{bmatrix} 2 & 4 & 3 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} 4*3+2*3+3*9\;=\;45 \\ 3*3+3*3+9*9\;=\;99 \\ 2*3+4*3+3*9\;=\;45 \end{aligned} \]
3 열 계산
\[ \begin{aligned} &\begin{bmatrix} 4 & 2 & 3 \end{bmatrix} \\ &\begin{bmatrix} 3 & 3 & 9 \end{bmatrix} * \begin{bmatrix} 2 \\ 4 \\ 3 \end{bmatrix} \\ &\begin{bmatrix} 2 & 4 & 3 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} 4*2+2*4+3*3\;=\;25 \\ 3*2+3*4+9*3\;=\;45 \\ 2*2+4*4+3*3\;=\;29 \end{aligned} \]
  • 고유값 계산 공식 \(det(A^TA-\lambda I)\;=\;0\)

    \(A^TA\) 의 고유값 계산 (특성다항식?)

\[ \begin{aligned} det \begin{bmatrix} 29-\lambda & 25 & 23 \\ 25 & 34-\lambda & 39 \\ 23 & 39 & 34-\lambda \\ \end{bmatrix} \;=\; 0 \end{aligned} \]
  1. 특이값 계산

    \(A^TA\) 의 고유값이 \(\lambda_1,\lambda_2,\lambda_3\) 라면, 행렬 \(A\) 의 특이값 \(\sigma_i\;=\;\sqrt{\lambda_i}\) 여기서 \(\sigma_i\) 는 대각행렬 \(\Sigma\) 의 대각원소이다.

    \(\therefore\quad \sigma_1\;=\;\sqrt{\lambda_1}\;,\;\sigma_2\;=\;\sqrt{\lambda_2}\;,\;\sigma_3\;=\;\sqrt{\lambda_3}\)

  2. 직교행렬 \(V\) 계산

    고유값 \(\lambda_i\) 에 대응하는 \(A^TA\) 의 고유벡터를 구하여 직교행렬 \(V\) 를 구성한다.

  3. 직교행렬 \(U\) 계산

    행렬 \(A\) 의 특이값과 대응하는 \(U\) 를 구하기 위해 \(AV_i\;=\;\sigma_iU_i\) 식 이용 \(U_i\) 는 \(A\) 와 \(V_i\) 를 곱하여 특이값으로 나누어 구한다. \(\therefore\quad U_i\;=\;\frac{1}{\sigma_i}AV_i\)

  4. 특이값 분해 결과

    \(\therefore\quad A\;=\;U\Sigma V^T\)

    \(U\) : \(A\) 의 좌측 특이 벡터로 이루어진 직교행렬 \(\Sigma\) : \(A\) 의 특이값을 대각원소로 가지는 대각행렬 \(V\) : \(A^TA\) 의 고유벡터로 이루어진 직교행렬

4

행렬 A가 주어졌을 때, 다음을 답하여라.

\[ A\;=\; \begin{bmatrix} 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 2 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ \end{bmatrix} \]
  1. 행렬 \(A\) 의 행렬식을 계산하라.
풀이

\(A\) 의 행렬식 : \(det(A)\)

\[ \begin{aligned} &A \;=\; \begin{bmatrix} B & 0 \\ 0 & C \\ \end{bmatrix} \\ \\ &B \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 2 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 2 \\ \end{bmatrix} \\ \\ &C \;=\; \begin{bmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • \(B\) 는 상부 삼각행렬 : 대각 성분의 곱으로 행렬식을 구한다

    \(det(B)\;=\;1*1*2*2*2\;=\;8\) \(det(C)\;=\;(0*0)-(1*0)\;=\;0\)

    \(det(A)\;=\;det(B)*det(C)\;=\;0\)

    \(\therefore\quad det(A)\;=\;0\)

  • 행렬 \(A\) 의 특성 다항식 (characteristic polynomial)을 계산하라.

풀이

특성다항식의 정의 : \(det(A-\lambda I)\;=\;0\) : \(I\) 는 단위행렬

  • 단위 행렬 : 대각 성분이 모두 1 이고 다른 성분이 0 인 행렬
\[ A-\lambda I \;=\; \begin{bmatrix} 1-\lambda & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1-\lambda & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 2-\lambda & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 2-\lambda & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 2-\lambda & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0-\lambda & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0-\lambda \\ \end{bmatrix} \]
  • 특성다항식을 구하기 위해 이 행렬의 행렬식을 계산한다. 상부 삼각행렬 형태 이므로 특성 다항식은 다음과 같은 형태를 가진다.

    \(det(A-\lambda I)\;=\;det(B-\lambda I)*det(C-\lambda I)\)

\[ B-\lambda I \;=\; \begin{bmatrix} 1-\lambda & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1-\lambda & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 2-\lambda & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 2-\lambda & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 2-\lambda \\ \end{bmatrix} \]
\[ C-\lambda I \;=\; \begin{bmatrix} -\lambda & 0 \\ 1 & -\lambda \\ \end{bmatrix} \]
\[det(C-\lambda I)\;=\;(-\lambda)*(-\lambda)-(0*1)\;=\;\lambda^2\]
  • \(5X5\) 행렬인 \(B\) 의 행렬식 \(det(B-\lambda I)\) 를 계산한다. 블록 분해 방법을 사용하여 계산한다.
\[ \begin{aligned} det(B-\lambda I) \;=\; &(1-\lambda)det * \begin{bmatrix} 1-\lambda & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 2-\lambda & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 2-\lambda & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 2-\lambda \\ \end{bmatrix} -1 * \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 2-\lambda & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 2-\lambda & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 2-\lambda \\ \end{bmatrix} \\ \\ \rightarrow\quad &det \begin{bmatrix} 2-\lambda & 1 & 0 \\ 0 & 2-\lambda & 1 \\ 0 & 0 & 2-\lambda \\ \end{bmatrix} \;=\; (2-\lambda)^3 \end{aligned} \]
  • 특성다항식

    \(det(A-\lambda I)\;=\;det(B-\lambda I)*det(C-\lambda I)\;=\;((1-\lambda)(2-\lambda)^3-(2-\lambda)^3)*\lambda^2\) \(det(A-\lambda I)\;=\;(1-\lambda + (2-\lambda)^3-(2-\lambda)^3)*\lambda^2\;=\;(1-\lambda)(2-\lambda)^3\lambda^2\)

    \(\therefore\quad det(A-\lambda I)\;=\;(1-\lambda)(2-\lambda)^3\lambda^2\;=\;0\)

  • \(A\) 의 고유값 과 고유벡터를 구하라 이때 모든 고유값에 대하여 모든 entry 들이 -1,0,1 인 고유벡터들만 답으로 인정한다.

풀이
  • 특성 방정식 · 고유값 구하기 \(\lambda\;=\;1,2,0\)

  • 각 고유값에 대해 \((A-\lambda I)v\;=\;0\) 을 만족하는 \(v\) 를 구한다.

\(\lambda\;=\;1\) 일 경우

\[ \begin{aligned} A-I \;=\; \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & -1 \\ \end{bmatrix} \rightarrow \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & -1 \\ \end{bmatrix}v_1 \;=\; 0 \end{aligned} \]
  • 행렬 연산으로 풀면 고유벡터 \(v\) 를 얻을 수 있다.
\[ \begin{aligned} v_1 \;=\; \begin{bmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \end{aligned} \]

\(\lambda\;=\;2\) 일 경우

\[ \begin{aligned} A-2I \;=\; \begin{bmatrix} -1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & -1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & -2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & -2 \\ \end{bmatrix} \rightarrow \begin{bmatrix} -1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & -1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & -2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & -2 \\ \end{bmatrix}v_2 \;=\; 0 \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} v_{21} \;=\; \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ -1 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \quad v_{22} \;=\; \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ -1 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \quad v_{23} \;=\; \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \\ -1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \end{aligned} \]

\(\lambda\;=\;0\) 일 경우

\[ \begin{aligned} A \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 2 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ \end{bmatrix} \rightarrow \begin{bmatrix} 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 2 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 2 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ \end{bmatrix}v_3 \;=\; 0 \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} v_{31} \;=\; \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix} \quad v_{32} \;=\; \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
행렬연산 예제
\[ \begin{aligned} A\;=\; \begin{bmatrix} 4 & 1 \\ 2 & 3 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  1. 고유값 계산

특성방정식 : \(det(A-\lambda I)\;=\;0\)

\[ \begin{aligned} A-\lambda I \;=\; \begin{bmatrix} 4 & 1 \\ 2 & 3 \end{bmatrix} - \lambda \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} 4-\lambda & 1 \\ 2 & 3-\lambda \end{bmatrix} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} det(A-\lambda I) \;=\; \begin{vmatrix} 4-\lambda & 1 \\ 2 & 3-\lambda \end{vmatrix} \;=\; (4-\lambda)(3-\lambda)-(2*1) \;=\; \lambda^2-7\lambda+10 \;=\; 0 \end{aligned} \]

\(\lambda\;=\;{7\pm\sqrt{49-40} \over 2}\;=\;\frac{7\pm3}{2}\) : 근의 공식 \(x\;=\;\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a}\) \(\therefore\quad \lambda \;=\; 5,2\)

  • \(\lambda\;=\;5\) 일때
\[ \begin{aligned} A-5I \;=\; \begin{bmatrix} 4 & 1 \\ 2 & 3 \end{bmatrix} - \begin{bmatrix} 5 & 0 \\ 0 & 5 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} 4-5 & 1 \\ 2 & 3-5 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} -1 & 1 \\ 2 & -2 \end{bmatrix} \end{aligned} \]

\((A-5I)v\;=\;0\)

\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} -1 & 1 \\ 2 & -2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} v_{11} \\ v_{12} \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \end{aligned} \]

이 행렬의 해 \(v\) 를 구하기 위해 연립방정식을 푼다.

\[ \begin{aligned} \begin{cases} -&1v_{11}\;&+\;&1v_{12}\;&=\;0 \\ &2v_{11}\;&-\;&2v_{12}\;&=\;0 \end{cases} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} v_{11}\;=\;v_{12} \\ \\ \therefore\quad v_{1}\;=\; \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • \(\lambda\;=\;2\) 일때
\[ \begin{aligned} A-2I \;=\; \begin{bmatrix} 4 & 1 \\ 2 & 3 \end{bmatrix} - \begin{bmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 2 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} 4-2 & 1 \\ 2 & 3-2 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 2 & 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]

\((A-2I)v\;=\;0\)

\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 2 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} v_{21} \\ v_{22} \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \end{aligned} \]

이 행렬의 해 \(v\) 를 구하기 위해 연립방정식을 푼다.

\[ \begin{aligned} \begin{cases} &2v_{21}\;&+\;&v_{22}\;&=\;0 \\ &2v_{21}\;&+\;&v_{22}\;&=\;0 \end{cases} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} &v_{22}\;=\;-2\;v_{21} \\ \\ \therefore\quad &v_{2}\;=\; \begin{bmatrix} v_{21} \\ v_{22} \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} v_{21} \\ -2v_{21} \end{bmatrix} \;=\; v_{21} \begin{bmatrix} 1 \\ -2 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} 1 \\ -2 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • 고유벡터는 크기에 상관없이 방향을 나타낸다. 즉 \(v_{21}\) 을 소거 가능하다.

5

행렬 \(A\) 의 행렬식 \(def(A)\) 가 주어졌을때 행렬 \(B\) 의 행렬식 \(def(B)\) 를 계산하라.

\[ A \;=\; \begin{bmatrix} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \end{bmatrix} \]
\[ \begin{aligned} def(A)\;=\;6 \end{aligned} \]
\[ B \;=\; \begin{bmatrix} 2a & 2d & 2g \\ b-c & e-f & h-i \\ c-a & f-d & i-g \end{bmatrix} \]
\[ \begin{aligned} def(B)\;=\;? \end{aligned} \]
풀이

행렬 \(B\) 는 행렬 \(A\) 를 변형하여 만들어졌다.

  • \(B\) 첫번째 행은 \(A\) 의 첫번째 행의 두 배
\[ \begin{bmatrix} 2a & 2d & 2g \end{bmatrix} \;=\; 2 \begin{bmatrix} a & d & g \end{bmatrix} \]
행렬의 한 행을 $k$ 배 하면 행렬식도 $k$ 배 된다.
$def(B)\;=\;2def(A)$
  • \(Row_2\) · \(Row_3\) 행렬 \(A\) 의 원소들 간 차로 구성되어있다.

    행렬 \(B\) 는 행렬 \(A\) 에서 각 행을 선형 변환한 형태이므로 두 행의 변형은 행렬식에 영향을 주지 않는다.

\(\therefore\quad def(B)\;=\;12\)

6

자연수 n이 홀수라고 하자. \(A\in \mathbb{R}^{n*n}\) 이 \(A^T\;=\;A\) 를 만족할 때, \(det(A)\)을 계산하여라.

풀이

위 조건에서 \(A\) 는 대칭행렬

  • 대칭행렬의 고유값 · 고유벡터

\(A\;=\;Q\Lambda Q^T\) :: \(\Lambda\) : \(A\) 의 고유값들로 이루어진 대각행렬

  • 행렬식의 성질

\(def(A)\;=\;def(Q\Lambda Q^T)\)

직교행렬의 행렬식은 1 · -1

\(Q\) · \(Q^T\) 의 행렬식은 다음과 같다.

\(def(Q)\;=\;1\;,\;-1\) \(def(Q^T)\;=\;(def(Q))^T\;=\;def(Q)\)

  • 행렬식의 곱셈 성질

\(def(A)\;=\;def(Q)def(\Lambda)def(Q^T)\) \(def(A)\;=\;def(Q)^2def(\Lambda)\) :: \(def(Q)^2\;=\;1\) \(def(A)\;=\;def(\Lambda)\)

  • 대각행렬 \(\Lambda\) 의 행렬식 대각행렬 \(\Lambda\) 의 행렬식은 대각성분의 곱 \(\Lambda\) 의 행렬식은 \(A\) 의 고유값들의 곱과 같다.

\(def(\Lambda)\;=\;\lambda_1\lambda_2\cdots\lambda_n\)

  • 고유값의 성질

대칭행렬 \(A\) 의 고유값은 실수이다. \(n\) 이 홀수일 때, \(A\) 의 고유값 중 적어도 하나는 0 이어야 한다. \(because\) 고유값이 0 이 아닌경우, 고유값들의 부호는 모두 양수이거나 음수여야 한다. 그러나 고유값이 실수 이고 홀수 개수의 고유값이 존재하면 고유값들의 곱은 부호가 양수도 음수도 될 수 없다. 따라서 고유값 중 하나는 0 이 된다.

고유값중 하나가 0 이므로

\(\therefore\quad def(A)\;=\;0\)

7

행렬 \(B\in R^{3*3}\) 의 특성다항식이 \(f(\lambda)\;=\;\lambda^3\;-\;5\lambda^2\;-11\lambda\;+15\)라고 할 때 다음을 답하여라.

  1. \(det(B^3)\)를 계산하시오.

행렬 \(B\) 의 특성다항식 \(f(\lambda)\) 의 상수항이 \(def(B)\) 이다. \(\therefore\quad def(B^3)\;=\;15^3\)

  1. \(tr(B^3)\)를 계산하여라. 근과 계수사이의 관계 · \(a^3+b^3+c^3−3abc = (a+b+c)(a^2 +b^2 +c^2 −ab−bc−ca)\) 이용 \(tr(A)\) 는 행렬 \(A\) 의 대각성분들의 합이다.

행렬 \(B\) 의 고유값을 \(\lambda_1\),\(\lambda_2\),\(\lambda_3\) 이라고 한다면. 특성 다항식의 근이 고유값 이므로 다음과 같은 근과 계수 사이의 관계를 이용하여 고유값의 합 과 곱을 알 수 있다.

\(f(\lambda)\;=\;(\lambda-\lambda_1)(\lambda-\lambda_2)(\lambda-\lambda_3)\;=\;\lambda^3-(\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3)\lambda^2+(\lambda_1\lambda_2+\lambda_2\lambda_3+\lambda_3\lambda_1)\lambda-(\lambda_1\lambda_2\lambda_3)\)

  • \(\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3\;=\;5\)
  • \(\lambda_1\lambda_2+\lambda_2\lambda_3+\lambda_3\lambda_1\;=\;-11\)
  • \(\lambda_1\lambda_2\lambda_3\;=\;15\)

  • \(tr(B^3)\) 는 행렬 \(B\) 의 고유값들의 세제곱의 합

\(tr(B^3)\;=\;\lambda_1^3\lambda_2^3\lambda_3^3\)

고유값에 대한 관계식 사용

\(\lambda_1^3\lambda_2^3\lambda_3^3-3\lambda_1\lambda_2\lambda_3\;=\;(\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3)((\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3)^2-3(\lambda_1\lambda_2+\lambda_2\lambda_3+\lambda_3\lambda_1))\)

  • \(\lambda_1^3+\lambda_2^3+\lambda_3^3-3(-15)\;=\;5(5^2-3(-11))\)
  • \(\lambda_1^3+\lambda_2^3+\lambda_3^3+45\;=\;5(25+33)\)
  • \(\lambda_1^3+\lambda_2^3+\lambda_3^3+45\;=\;5*58\)
  • \(\lambda_1^3+\lambda_2^3+\lambda_3^3+45\;=\;290\)
  • \(\lambda_1^3+\lambda_2^3+\lambda_3^3\;=\;290-45\;=\;245\)

\(\therefore\quad tr(B^3)\;=\;245\)

8

행렬 \(B\) 를 QR 분해 하여라

\[ B \;=\; \begin{bmatrix} 2 & 1 & -1 \\ 1 & 0 & 2 \\ 2 & -1 & 3 \end{bmatrix} \in \mathbb{R}^{3*3} \]
풀이
  • \(Q\) : 직교행렬
  • \(R\) : 상삼각행렬

  • Gram-Schmidt 직교화 과정

행렬 \(B\) 의 열벡터들을 \(b_1\),\(b_2\),\(b_3\) 라 한다면

\[ \begin{aligned} b_1 \;=\; \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \\ 2 \end{bmatrix} \quad b_2 \;=\; \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{bmatrix} \quad b_3 \;=\; \begin{bmatrix} -1 \\ 2 \\ 3 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • 직교벡터 \(u_1\) 구하기
\[ \begin{aligned} u_1\;=\; b_1 \;=\; \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \\ 2 \end{bmatrix} \quad \end{aligned} \]
  • 직교벡터 \(u_2\) 구하기 \(b_2\) 에서 \(u_1\) 성분 제거
\[ \begin{aligned} u_2\;=\;b_2-proj_{u_1}b_2 \\ \\ proj_{u_{1}}b_2\;=\;{u_1^Tb_2 \over u_1^Tu_1}u_1 \end{aligned} \]

\(u_1^Tb_2\) 계산

\[ \begin{aligned} u_1^Tb_2\;=\; \begin{bmatrix} 2 & 1 & 2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} \;=\; 2(1)+1(0)+2(-1) \;=\; 0 \end{aligned} \]

\(u_1^Tu_1\) 계산

\[ \begin{aligned} u_1^Tu_1\;=\; \begin{bmatrix} 2 & 1 & 2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \\ 2 \end{bmatrix} \;=\; 2(2)+1(1)+2(2) \;=\; 9 \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} proj_{u_{1}}b_2 \;=\; \frac{0}{9}u_1 \;=\; \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} u_2 \;=\; b_2 \;-\; \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • 직교벡터 \(u_3\) 구하기 \(b_3\) 에서 \(u_1\) · \(u_2\) 성분 제거
\[ \begin{aligned} &u_3 \;=\; b_3 \;-\; proj_{u_{1}}b_3 \;-\; proj_{u_{2}}b_3 \\ \\ &proj_{u_{1}}b_3 \;=\; {u_1^Tb_3 \over u_1^Tu_1}u_1 \quad\quad proj_{u_{2}}b_3 \;=\; {u_2^Tb_3 \over u_2^Tu_2}u_2 \end{aligned} \]

\(u_1^Tb_3\) 계산

\[ \begin{aligned} &u_1^Tb_3 \;=\; \begin{bmatrix} 2 & 1 & 2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} -1 \\ 2 \\ 3 \end{bmatrix} \;=\; 2(-1)+1(2)+2(3) \;=\; 6 \\ \\ &proj_{u_1}b_3 \;=\; \frac{6}{9}u_1 \;=\; \frac{2}{3} \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \\ 2 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} \frac{4}{3} \\ \frac{2}{3} \\ \frac{4}{3} \end{bmatrix} \end{aligned} \]

\(u_2^Tb_3\) 계산

\[ \begin{aligned} &u_2^Tb_3 \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 0 & -1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} -1 \\ 2 \\ 3 \end{bmatrix} \;=\; 1(-1)+0(2)+(-1)(3) \;=\; -4 \end{aligned} \]

\(u_2^Tu_2\) 계산

\[ \begin{aligned} &u_2^Tu_2 \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 0 & -1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{bmatrix} \;=\; 1(1)+0(0)+(-1)(-1) \;=\; 2 \\ \\ &proj_{u_2}b_3 \;=\; -\frac{4}{2}u_2 \;=\; -2 \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} -2 \\ 0 \\ 2 \end{bmatrix} \\ \\ \\ \\ &u_3 \;=\; b_3 \;-\; \begin{bmatrix} \frac{4}{3} \\ \frac{2}{3} \\ \frac{4}{3} \end{bmatrix} \;-\; \begin{bmatrix} -2 \\ 0 \\ 2 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} -1 \\ 2 \\ 3 \end{bmatrix} \;-\; \begin{bmatrix} \frac{4}{3} \\ \frac{2}{3} \\ \frac{4}{3} \\ \end{bmatrix} \;-\; \begin{bmatrix} -2 \\ 0 \\ 2 \end{bmatrix} \\ &\quad \;=\; \begin{bmatrix} -1-\frac{4}{3}+2 \\ 2-\frac{2}{3} \\ 3-\frac{4}{3}-2 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} \frac{2}{3} \\ \frac{4}{3} \\ \frac{2}{3} \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • 정규화 직교 벡터들을 정규화 하여 \(Q\) 의 열 벡터로 만든다.
\[ \begin{aligned} q_1 \;=\; {u_1 \over \parallel u_1 \parallel } \;=\; \frac{1}{3} \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \\ 2 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} \frac{2}{3} \\ \frac{1}{3} \\ \frac{2}{3} \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} q_2 \;=\; {u_2 \over \parallel u_2 \parallel } \;=\; \frac{1}{\sqrt 2} \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} \frac{1}{\sqrt 2} \\ 0 \\ -\frac{1}{\sqrt 2} \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} q_3 \;=\; {u_3 \over \parallel u_3 \parallel } \;=\; \frac{1}{ \sqrt{( {\frac{2}{3}})^2 + ( {\frac{4}{3}})^2 + ( {\frac{2}{3}})^2} } \begin{bmatrix} \frac{2}{3} \\ \frac{4}{3} \\ \frac{2}{3} \\ \end{bmatrix} \;=\; \frac{1}{ \sqrt{\frac{12}{9}} } \begin{bmatrix} \frac{2}{3} \\ \frac{4}{3} \\ \frac{2}{3} \\ \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} \frac{1}{\sqrt 2} \\ \frac{2}{\sqrt 6} \\ \frac{1}{\sqrt 6} \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • 결과
\[ \begin{aligned} Q \;=\; \begin{bmatrix} q_1 & q_2 & q_3 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} \frac{2}{3} & \frac{1}{\sqrt 2} & \frac{1}{\sqrt 6} \\ \frac{1}{3} & 0 & \frac{2}{\sqrt 6} \\ \frac{2}{3} & -\frac{1}{\sqrt 2} & \frac{1}{\sqrt 6} \end{bmatrix} \end{aligned} \]
\[ R\;=\;Q^TB \]
\[ \begin{aligned} R \;=\; \begin{bmatrix} 3 & 0 & 1 \\ 0 & \sqrt 2 & -\sqrt 2 \\ 0 & 0 & \sqrt 2 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} B \;=\; QR \;=\; \begin{bmatrix} \frac{2}{3} & \frac{1}{\sqrt 2} & \frac{1}{\sqrt 6} \\ \frac{1}{3} & 0 & \frac{2}{\sqrt 6} \\ \frac{2}{3} & -\frac{1}{\sqrt 2} & \frac{1}{\sqrt 6} \\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 3 & 0 & 1 \\ 0 & \sqrt 2 & -\sqrt 2 \\ 0 & 0 & \sqrt 2 \end{bmatrix} \end{aligned} \]

2022

1

\(I_n\)은 \(n\) 차원 항등행렬 (Identity matrix)이다. 다음 명제의 True/False 여부를 답하여라.

  1. \(AB=BA\) 가 성립하는가?

    False

    일반적으로 행렬 \(A\)와 \(B\) 는 교환법칙을 만족하지 않는다.

    • 예외 \(A\) · \(B\) 가 모두 대각행렬
  2. \(A^2\;=\;I_n\) 일때 \(A\;=\;I_n\) 이거나 \(A\;=\;-I_n\) 인가?

    False

    \(A\) 가 \(I_n\) · \(-I_n\) 외에도 다른 형태 일 수 있다.

    • \(A^2\;=\;I\) 를 만족하지만 \(A\) 는 \(I_n\) · \(-I_n\) 이 아니다.
    \[ A \;=\; \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix} \]
  3. \(C\in \mathbb{R}^{m*n}\) 이라고 하자. (단, \(m<n\) ) \(Cx\;=\;0\) 이면, \(x\) 는 반드시 0 벡터 인가?

    False

    \(m<n\) : \(C\) 의 \(null\;space\) 가 0 이 아닌 벡터를 포함 할 수 있다. \(\therefore\quad Cx\;=\;0\) 을 만족하는 \(x\;\neq\;0\) 이 존재 할 수 있다.

  4. 주어진 식 \(Ax\;=\;b\) 의 첨가행렬 (augmented matrix)의 Pivot 이 마지막 열에 존재한다면, \(Ax\;=\;b\) 의 해는 존재하지 않는가?

    True

    마지막 열에 Pivot 이 존재한다면 \(b\) 가 \(A\) 의 \(Column\;Space\) 에 속하지 않는다. \(\therefore\quad Ax\;=\;b\) 는 해가 존재하지 않는다.

  5. \(A\) , \(B\) 가 역행렬을 가진다면 \((AB)^{-1}\;=\;A^{-1}B^{-1}\) 가 성립하는가?

    False

    올바른 역행렬 계산 : \((AB)^{-1}\;=\;B^{-1}A^{-1}\) 행렬의 곱의 역행렬은 각 행렬의 역행렬을 순서를 뒤집어 곱한것과 같다.

  6. 행렬 \(A\in \mathbb{R}^{n*n}\) 의 영공간 (null space)가 \(N(A)\;=\;\{0\}\) 라고 하자. 이 때 모든 \(b\in \mathbb{R}^{n}\) 에 대해서, \(Ax\;=\;b\) 를 만족하는 x가 존재하는가?

    True \(N(A)\;=\;\{0\}\) : \(A\) 가 전단사 (Invertible) 임을 의미한다. \(\therefore\quad b\in \mathbb{R}^n\) 에 대해 유일해 \(x\;=\;A^{-1}b\) 가 존재한다.

  7. 세 벡터 \(v_1\),\(v_2\),\(v_3\) 중 고른 임의의 두 벡터는 항상 1차 독립을 만족할 때 이때 세 벡터는 1차 독립인가?

    False 임의의 두 벡터가 1차 독립이더라도. 세 벡터가 1차 독립임이 성립하지 않는다. \(v_1\) , \(v_2\) , \(v_3\) 가 모두 같은 평면에 있을 수 있다.

  8. \(A\in \mathbb{R}^{m*n}\) 의 Pivot 의 개수가 \(m\) 일때 \(A\) 의 \(Column\) 들은 1차 독립인가?

    False Pivot 의 개수가 \(m\) : \(A\) 의 rank 가 \(m\) 이다. 이는 열이 \(m\) 개 모두 1차 독립임을 보장하지 않는다. \(A\) 의 열이 \(n\) 개 임을 고려하면 \(m<n\) 이다.

  9. \(A\in \mathbb{R}^{m*n}\) 의 Pivot 의 개수가 \(n\) 일때 \(A\) 의 \(Column\) 들은 1차 독립인가?

    True Pivot 의 개수가 \(n\) : \(A\) rank 가 \(n\) 이다. 이는 \(A\) 의 열이 1차 독립임을 나타낸다.

  10. 임의의 행렬 \(A\) 에 대해 \(\mathbb{C}(A)\;=\;R(A^T)\) 가 성립하는가? True \(\mathbb{C}(A)\) : \(A\) 의 \(Column\;Space\) \(\mathbb{R}(A^T)\) : \(A\) 의 \(Row\;Space\) 의 span 을 나타낸다. 이 둘은 항상 동일하다.

  11. \(\mathbb{R}^3\) 상 두 벡터 \(v_1\) , \(v_2\) 가 주어질때 두 벡터로 만들어진 벡터공간은 항상 평면인가?

    True \(\mathbb{R}^3\) 에서 두 벡터로 span 한 공간은 두 벡터가 평행하지 않은 이상 항상 평면이다.

  12. \(AB\;+\;B^TA^T\) 항상 대칭행렬 (Symmetric Matrix) 인가?

    True \((AB+B^TA^T)^T\;=\;B^TA^T+(AB)^T\;=\;B^TA^T+B^TA^T\;=\;B^TA^T+AB\) 이는 대칭이다.

  13. \(\{\;(\;x\;,\;y\;)\;:\;x^2\;+\;y^2\;=\;0\;\}\) 은 \(\mathbb{R}^2\) 의 부분공간 (Subspace) 인가?

    False 이 집합은 단 하나의 점 \((0,0)\) 만 포함하고 벡터공간의 정의 : 덧셈과 스칼라 곱셈에 닫혀있음 을 만족하지 않는다.

  14. 두 벡터공간의 교집합은 벡터공간인가?

    True 두 벡터공간의 교집합은 다시 벡터공간이 된다.

  15. 두 벡터공간의 공집합은 벡터공간인가? False 두 벡터공간의 교집합이 공집합인 경우는 존재하지 않는다. 공집합은 벡터 공간의 요구조건 을 만족하지 않는다.

2

행렬 \(A\) 가 Invertible 인지 아닌지 확인하고, 참이라면 역행렬 (Inverse Matrix)를 계산하라.

\[ \begin{aligned} A \;=\; \begin{bmatrix} 2 & -1 & 0 & 0 \\ -1 & 2 & -1 & 0 \\ 0 & -1 & 2 & -1 \\ 0 & 0 & -1 & 2 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • 행렬 \(A\) 의 Invertibility 확인 : \(det(A)\;=\;0\) 인지 확인

    행렬식 계산

\[ \begin{aligned} det(A) \;=\; \begin{bmatrix} 2 & -1 & 0 & 0 \\ -1 & 2 & -1 & 0 \\ 0 & -1 & 2 & -1 \\ 0 & 0 & -1 & 2 \\ \end{bmatrix} \;=\; 2det \begin{bmatrix} 2 & -1 & 0 \\ -1 & 2 & -1 \\ 0 & -1 & 2 \\ \end{bmatrix} \;-\; (-1)det \begin{bmatrix} -1 & 0 \\ -1 & 2 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
작은 3X3 행렬의 행렬식 계산
\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 2 & -1 & 0 \\ -1 & 2 & -1 \\ 0 & -1 & 2 \\ \end{bmatrix} \;=\; 2det \begin{bmatrix} 2 & -1 \\ -1 & 2 \end{bmatrix} \;-\; (-1)det \begin{bmatrix} -1 & -1 \\ 0 & 2 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
작은 2X2 행렬의 행렬식 계산
\[ \begin{aligned} &\begin{bmatrix} 2 & -1 \\ -1 & 2 \end{bmatrix} \;=\; 2(2)-(-1)(-1) \;=\; 4-1 \;=\; 3 \\ \\ &\begin{bmatrix} -1 & -1 \\ 0 & 2 \end{bmatrix} \;=\; -1(2)-(-1)(0) \;=\; -2 \end{aligned} \]
작은 3X3 행렬식 계산의 결과
\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 2 & -1 & 0 \\ -1 & 2 & -1 \\ 0 & -1 & 2 \\ \end{bmatrix} \;=\; 2(3)-(-1)(-2) \;=\; 4 \end{aligned} \]
본래의 4X4 행렬 $A$ 의 행렬식 계산

$$

\begin{aligned} det(A) \;=\; \begin{bmatrix} 2 & -1 & 0 & 0 \ -1 & 2 & -1 & 0 \ 0 & -1 & 2 & -1 \ 0 & 0 & -1 & 2 \ \end{bmatrix} \;=\; 2(4)-(-1)(-1) \;=\; 7 \end{aligned} $$

  • 역행렬 계산

    행렬 \(A\) 의 역행렬 \(A^{-1}\) 계산 (가우스-조던 소거법) \(A\) : 대칭 삼중대각선 행렬

\[ \begin{aligned} {[A|I]} \rightarrow {[I|A^{-1}]} \end{aligned} \]
행렬 $A$ 와 항등행렬 $I$ 를 첨가하여 $A$ 를 단위 행렬로 변환하는 과정에서 $A^{-1}$ 계산
\[ \begin{aligned} {[A|I]} \;=\; \begin{bmatrix} 2 & -1 & 0 & 0 & | & 1 & 0 & 0 & 0 \\ -1 & 2 & -1 & 0 & | & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -1 & 2 & -1 & | & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & -1 & 2 & | & 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
첫번째 열을 1 로 만든다.
\[ \begin{aligned} {[A|I]} \;=\; \begin{bmatrix} 1 & -\frac{1}{2} & 0 & 0 & | & \frac{1}{2} & 0 & 0 & 0 \\ -1 & 2 & -1 & 0 & | & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -1 & 2 & -1 & | & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & -1 & 2 & | & 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
두번째 열을 1로 만든다.
\[ \begin{aligned} {[A|I]} \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & | & \frac{3}{4} & -\frac{1}{2} & 0 & 0 \\ 0 & 2 & -1 & 0 & | & \frac{1}{2} & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -1 & 2 & -1 & | & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & -1 & 2 & | & 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
세번째 열을 1로 만든다.
\[ \begin{aligned} {[A|I]} \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & | & \frac{3}{4} & -\frac{1}{2} & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & | & 0 & \frac{3}{2} & -\frac{1}{2} & 0 \\ 0 & 0 & 1 & -1 & | & 0 & -1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & -1 & 2 & | & 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
마지막 열을 1로 만든다.
\[ \begin{aligned} {[A|I]} \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & | & \frac{3}{4} & -\frac{1}{2} & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & | & 0 & \frac{3}{2} & -\frac{1}{2} & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & | & 0 & -1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & | & 0 & 0 & -\frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{bmatrix} \end{aligned} \]
$A^{-1}$ 을 도출한다.
\[ \begin{aligned} {[A|I]} \;=\; \begin{bmatrix} \frac{3}{4} & -\frac{1}{2} & 0 & 0 \\ -\frac{1}{2} & \frac{3}{2} & -\frac{1}{2} & 0 \\ 0 & -\frac{1}{2} & 1 & -\frac{1}{2} \\ 0 & 0 & -\frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{bmatrix} \end{aligned} \]

3

다음 1차식들의 시스템이 주어졌다.

\[ \begin{aligned} 2&x_1 &+ &x_2 &- &x_3 &+ &3x_4 &= &1 \\ &x_1 &- &x_2 &- &2x_3 &+ &x_4 &= &2 \\ 2&x_1 &\; &\; &- &x_3 &+ &3x_4 &= &3 \end{aligned} \]
  1. 첨가행렬 (Augmented Matrix) 를 구하고 이를 통해 위 시스템의 해를 찾아라

    계수 행렬 \(A\) 와 상수항 벡터 \(b\) 를 구성한다.

\[ \begin{aligned} &A \;=\; \begin{bmatrix} 2 & 1 & -1 & 3 \\ 1 & -1 & -2 & 1 \\ 2 & 0 & -1 & 3 \end{bmatrix} \\ \\ &b \;=\; \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
첨가행렬 구성
\[ \begin{aligned} {[A|b]} \;=\; \begin{bmatrix} 2 & 1 & -1 & 3 & | & 1 \\ 1 & -1 & -2 & 1 & | & 2 \\ 2 & 0 & -1 & 3 & | & 3 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
첨가행렬 변형 (가우스-조던 소거법)
기약행 사다리꼴 행렬(RREF : Reduced Row Echelon Form)
: 대각성분 = 1 , 나머지 성분 = 0


- 피벗($Row_1$) 열의 피벗을 제외한 원소를 0 으로 만든다.
    이때 각 행에서 피벗 행의 적절한 배수를 뺀다.


$\frac{1}{2}Row_1$
\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 1 & \frac{1}{2} & -\frac{1}{2} & \frac{3}{2} & | & \frac{1}{2} \\ 1 & -1 & -2 & 1 & | & 2 \\ 2 & 0 & -1 & 3 & | & 3 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
$Row_2-Row_1$
\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 1 & \frac{1}{2} & -\frac{1}{2} & \frac{3}{2} & | & \frac{1}{2} \\ 0 & -\frac{3}{2} & -\frac{3}{2} & -\frac{1}{2} & | & \frac{3}{2} \\ 2 & 0 & -1 & 3 & | & 3 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
$Row_3-2Row_1$
\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 1 & \frac{1}{2} & -\frac{1}{2} & \frac{3}{2} & | & \frac{1}{2} \\ 0 & -\frac{3}{2} & -\frac{3}{2} & -\frac{1}{2} & | & \frac{3}{2} \\ 0 & -1 & 0 & 0 & | & 2 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
- 새로 선택한 Pivot 을 1로 만든다.

$-\frac{2}{3}Row_2$
\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 1 & \frac{1}{2} & -\frac{1}{2} & \frac{3}{2} & | & \frac{1}{2} \\ 0 & 1 & 1 & \frac{1}{3} & | & -1 \\ 0 & -1 & 0 & 0 & | & 2 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
- 피벗($Row_2$) 열의 피벗을 제외한 모든 원소를 0 으로 만든다.
    이때 각 행에서 피벗 행의 적절한 배수를 뺀다.

$Row_3+Row_2$
\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 1 & \frac{1}{2} & -\frac{1}{2} & \frac{3}{2} & | & \frac{1}{2} \\ 0 & 1 & 1 & \frac{1}{3} & | & -1 \\ 0 & 0 & 1 & \frac{1}{3} & | & 1 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
$Row_1-\frac{1}{2}Row_2$
\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 1 & 0 & -1 & \frac{4}{3} & | & 1 \\ 0 & 1 & 1 & \frac{1}{3} & | & -1 \\ 0 & 0 & 1 & \frac{1}{3} & | & 1 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
- 피벗($Row_3$) 열의 피벗을 제외한 모든 원소를 0 으로 만든다.
    이때 각 행에서 피벗 행의 적절한 배수를 뺀다.

$Row_1+Row_3$
\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & \frac{5}{3} & | & 2 \\ 0 & 1 & 1 & \frac{1}{3} & | & -1 \\ 0 & 0 & 1 & \frac{1}{3} & | & 1 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
$Row_2-Row_3$ : RREF
\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & \frac{5}{3} & | & 2 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & | & -2 \\ 0 & 0 & 1 & \frac{1}{3} & | & 1 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  1. Augmented Matrix 에서 Privot 들을 모두 서술하시오. \(\therefore\quad(1,1)\) , \((2,2)\) , \((3,3)\)

4

행렬 \(A\) 를 LDU 분해 하라.

\[ \begin{aligned} A \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 3 & -1 \\ 2 & 8 & 4 \\ -1 & 3 & 4 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]

\(L\) : 하삼각 행렬 \(D\) : 대각행렬 \(U\) : 상삼각 행렬

  • LU 분해

    \(Row_1\in U\) = \(Row_1\in A\) \(Col_1\in L\) = \(Col_1\in A\)

    첫번째 열의 Pivot 을 1로 설정하고 \(Row_1\in A\) 를 \(Row_1\in U\) 에 대입한다.

\[ \begin{aligned} &U \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 3 & -1 \\ 0 & u_{22} & u_{32} \\ 0 & u{23} & u_{33} \end{bmatrix} \\ \\ &L \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ l_{21} & 1 & 0 \\ l_{31} & l_{32} & 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • \(Col_2,Col_3\in L\) 과 \(Row_2\in U\) 설정

    \(A-L*U\;=\;0\) 두번째 행을 계산하기 위해 \(L\) 의 두번째 열 설정 첫 행 · 열 을 이용하여 \(U\) 의 두번째 행 설정

    두 번째 행을 계산하기 위해 첫 번째 열을 사용하여 나머지 요소를 조정 \(Row_2\;=\;Row_2-2*Row_1\rightarrow \;{[0\;2\;6]}\) : \(l_{21}\;=\;2\) \(Row_3\;=\;Row_3-(-1)*Row_1\;\rightarrow\;{[0\;6\;3]}\) : \(l_{31}\;=\;(-1)\)

\[ \begin{aligned} &U \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 3 & -1 \\ 0 & 2 & 6 \\ 0 & u_{32} & u_{33} \end{bmatrix} \\ \\ &L \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 2 & 1 & 0 \\ -1 & l_{32} & 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • \(Col_3\in L\) 과 \(Row_3\in U\) 설정

    \(Row_3\;=\;Row_3\;-3Row_2\;=\;\rightarrow\;{[0\;0\;-15]}\) : \(l_{32}\;=\;3\)

\[ \begin{aligned} &U \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 3 & -1 \\ 0 & 2 & 6 \\ 0 & 0 & -15 \end{bmatrix} \\ \\ &L \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 2 & 1 & 0 \\ -1 & 3 & 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • \(U\;=\;U^{'}D\) 설정 : 대각행렬 구하기

\(D\) : \(U\) 의 대각 원소로 이루어진 대각행렬 \(U^{'}\) : 대각 원소가 모두 1인 상삼각행렬

\[ \begin{aligned} &U \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 3 & -1 \\ 0 & 2 & 6 \\ 0 & 0 & -15 \end{bmatrix} \\ \\ &D \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & -15 \end{bmatrix} \\ \\ &U^{'} \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 3 & -1 \\ 0 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]

\(Row\in U^{'}\) 계산 : \(-\frac{1}{15}Row_3\in U\) , \(\frac{1}{2}Row2 \in U\) \(\therefore\) Pivot 이 1이 아닌 경우 스칼라 곱으로 Pivot 을 1로 맞춘다.

5

행렬 \(A\) 와 벡터 \(b\) 가 주어져있다,

\[ \begin{aligned} A \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 3 & 0 & 2 \\ 0 & 0 & 1 & 4 \\ 1 & 3 & 1 & 6 \\ \end{bmatrix} \quad\quad b \;=\; \begin{bmatrix} 1 \\ 6 \\ 7 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  1. \(Ax\;=\;b\) 의 특수 해 (Particular solution) \(x_p\) 를 계산하라.

    • \(A\) 의 형태를 행 감소형태로 변환
\[ \begin{aligned} A \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 3 & 0 & 2 & | & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 4 & | & 6 \\ 1 & 3 & 1 & 6 & | & 7 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
$Row_3\;=\;Row_3-Row_1$ , $Row_3\;=\;Row_3\;-\;Row_2$
\[ \begin{aligned} A \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 3 & 0 & 2 & | & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 4 & | & 6 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & | & 0 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
- 방정식 구하기
\[ \begin{aligned} \begin{cases} x_1 & + & 3x_2 & + & 2x_4 & = & 1 \\ \; & \; & x_3 & + & 4x_4 & = & 6 \end{cases} \end{aligned} \]
- 자유 변수 설정

$x_2$ 와 $x_4$ 를 자유 변수로 설정한다.
$x_3\;=\;6-4x_4$
$x_1\;=\;1-3x_3-2x_4$

특정해 ($x_p$) : 자유 변수를 0 으로 둔 벡터
\[ x_p \;=\; \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 6 \\ 0 \end{bmatrix} \]
  1. \(A\) 의 영공간 (Null space) 를 계산하라.

    • NullSpace : \(Ax\;=\;0\) 을 만족하는 모든 \(x\) 벡터들로 구성된다.
\[ \begin{aligned} A \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 3 & 0 & 2 \\ 0 & 0 & 1 & 4 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
- 일반해 구하기
\[ \begin{aligned} & x_1\;=\;-3x_2-2x_4 \\ & x_3\;=\;-4x_4 \end{aligned} \]
자유변수 $x_2$ 와 $x_4$ 에 대한 해 구하기
\[ x \;=\; x_2 \begin{bmatrix} -3 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \;+\; x_4 \begin{bmatrix} -2 \\ 0 \\ -4 \\ 1 \end{bmatrix} \]
- 결론
\[ \begin{aligned} Null(A) \;=\; span \quad \{ \begin{bmatrix} -3 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} , \begin{bmatrix} -2 \\ 0 \\ -4 \\ 1 \end{bmatrix} \} \end{aligned} \]
  1. \(Ax\;=\;b\) 의 완전해를 계산하라.

    • 완전해 : 특수해 + 영공간의 선형 결합 \(x\;=\;x_p+x_n\) \(x_p\) : 특정해 \(x_n\) : 영공간의 임의의 원소
\[ \begin{aligned} x \;=\; \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 6 \\ 0 \end{bmatrix} \;+\; x_2 \begin{bmatrix} -3 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \;+\; x_4 \begin{bmatrix} -2 \\ 0 \\ -4 \\ 1 \end{bmatrix} \end{aligned} \]

6

행렬 \(A\) 가 역행렬을 갖지 않게 하는 c 를 모두 찾아라,

\[ \begin{aligned} A \;=\; \begin{bmatrix} 2 & c & c \\ c & c & c \\ 8 & 7 & c \\ \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • 행렬식 \(det(A)\) 계산
\[ \begin{aligned} det(A) \;=\; 2 \begin{bmatrix} c & c \\ 7 & c \end{bmatrix} \;-\; c \begin{bmatrix} c & c \\ 8 & c \end{bmatrix} \;+\; \begin{bmatrix} c & c \\ 8 & 7 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
3X3 행렬의  행렬식은 첫 행을 기준으로 전개하여 구한다.
\[ \begin{aligned} &\begin{bmatrix} c & c \\ 7 & c \end{bmatrix} \;=\; c*c\;-\;c*7\;=\;c^2-7c \\ \\ &\begin{bmatrix} c & c \\ 8 & c \end{bmatrix} \;=\; c*c-c*8\;=\;c^2-8c \\ \\ &\begin{bmatrix} c & c \\ 8 & 7 \end{bmatrix} \;=\; c*7-c*8\;=\;-c \\ \\ &det(A) \;=\; -c^3+9c^2-14\;=\;0 \\ &\;=\; -c(c^2-9c+14)\;=\;0 \end{aligned} \]
$c=0$ 이거나 $c^2-9c+14\;=\;0$ 인 값을 찾는다.
\[c\;=\;{p\pm \sqrt{81-56} \over 2}\;=\;\frac{9\pm5}{2}\]

\therefore \quad c\;=\;0,2,7

$$

7

행렬 \(A\in \mathbb{R}^{m*n}\) 이 주어져 있을때 열공간 (Column space) 과 영공간 (Null space) 이 각각 \(\mathbb{R}^m\) · \(\mathbb{R}^n\) 의 부분공간 임을 보여라.

  • 행렬 \(A\) 의 열 공간은 \(A\) 의 열 벡터들의 선형 결합으로 생성되는 공간.

$$

\[\begin{aligned} Col(A)\;=\;\{Ax\;|\;x\in \mathbb R^n\} \end{aligned}\]

$$ \(x\) : \(\mathbb R^n\) 의 벡터 열공간이 \(\mathbb R^m\) 의 부분공간임을 보이기 위한 조건

1. 영 벡터가 포함된다. : $Ax\;=\;A0\;=\;0$ 일 경우
2. 임의의 두 벡터의 합이 포함된다.
    : $y_1,y_2\in Col(A)$ 라면 $y_1\;=\;Ax_1$ , $y_2\;=\;Ax_2$ 인 $x_1,x_2\in \mathbb R^n$ 이 존재한다.
    $\therefore \quad y_1+y_2\;=\;Ax_1+Ax_2\;=\;A(x_1+x_2)$ , $x_1+x_2\in \mathbb R^n$ 이므로 $y_1+y_2\in Col(A)$

3. 임의의 벡터와 스칼라 곱이 포함된다.
    : $y\in Col(A)$ 이고 $y\;=\;Ax$ 인 $x\in \mathbb R^n$ 이 존재한다면
    임의의 스칼라 $c\in \mathbb R$ 에 대해 
    $cy\;=\;c(Ax)\;=\;A(cx)$ , $cx\in \mathbb R^n$ 이므로 $cy\in Col(A)$ 이다.

\(\therefore\quad Col(A)\) 는 \(\mathbb R^m\) 의 부분공간이다.

  • 영공간 : \(Ax\;=\;0\) 을 만족하는 모든 \(x\) 로 구성된 공간. $$
\[\begin{aligned} Null(A)\;=\;\{\;x\in \mathbb R^n\;|\;Ax\;=\;0\;\} \end{aligned}\]

$$ 영공간이 \(\mathbb R^n\) 의 부분공간임을 보이기 위한 조건 1. 영 벡터가 포함된다. : \(Ax\;=\;A0\;=\;0\) 일 경우 2. 임의의 두 벡터의 합이 포함된다. : \(x_1,x_2\in Null(A)\) 라면 \(Ax_1\;=\;0\) , \(Ax_2\;=\;0\) 이다. \(\therefore \quad A(x_1+x_2)\;=\;Ax_1+Ax_2\;=\;0\) , \(x_1+x_2\in Null(A)\)

3. 임의의 벡터와 스칼라 곱이 포함된다.
    : $x\in Null(A)$ 이고 $Ax\;=\;0$ 라면 임의의 스칼라 $c\in \mathbb R$ 에 대해
    $A(cx)\;=\;c(Ax)\;=\;c*0\;=\;0$ , $cx\in Null(A)$ 이다.

\(\therefore\quad Null(A)\) 는 \(\mathbb R^n\) 의 부분공간이다.

8

$$

\[\begin{aligned} Let\quad A \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & -1 & 2 \\ 2 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 & 3 \\ \end{bmatrix} \end{aligned}\]

$$

  1. 행렬 \(A\) 의 행간소사다리꼴 (Reduced row echelon form) \(R\) 을 계산하라.

$$

\[\begin{aligned} R \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \end{aligned}\]

$$

  1. 두 부분공간 \(\mathbb{C}(R)\) , \(\mathbb{C}(A)\) 차원 · 기저를 구하라.

\(\mathbb C(R)\) : \(R\) 의 열 벡터들로 생성되는 공간 \(R\) : 단위행렬

  • 차원 : \(dim(\mathbb C(R))\;=\;4\)

  • 기저 : \(\mathbb C(R)\;=\;\{e_1,e_2,e_3,e_4\}\) \(e_i\) : 단위 벡터

\(\mathbb C(A)\)

  • 차원 : \(dim(\mathbb C(A))\;=\;4\)

  • 기저 : \(A\) 의 Pivot 열의 열벡터들이 \(\mathbb C(A)\) 의 기저를 이룬다. \(\mathbb C(A)\;=\;\{\;(1,1,2,0)^T\;,\;(0,1,0,-1)^T\;,\;(1,-1,1,1)^T\;,\;(1,2,0,3)^T\;\}\)

9

  1. 다음 벡터들이 1차 독립 (linearly independent) 인지 확인하고 이유를 서술하라.

$$

\[\begin{aligned} v_1 \;=\; \begin{bmatrix} 1 & -3 & 2 \end{bmatrix} \\ v_2 \;=\; \begin{bmatrix} 2 & 1 & -3 \end{bmatrix} \\ v_3 \;=\; \begin{bmatrix} -3 & 2 & 1 \end{bmatrix} \end{aligned}\]

$$

  • 벡터들의 선형 결합이 0 이 되는 유일한 해가 \(c_1=c_2=c_3=0\) 인지 확인한다. 아래 선형 시스템의 해를 구한다.

$$

\[\begin{aligned} c_1 &\begin{bmatrix} 1 \\ -3 \\ 2 \end{bmatrix} \;+\; c_2 \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \\ -3 \end{bmatrix} \;+\; c_3 \begin{bmatrix} -3 \\ 2 \\ 1 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \\ \\ &\;=\; \begin{bmatrix} 1 & 2 & -3\\ -3 & 1 & 2 \\ 2 & -3 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} c_1 \\ c_2 \\ c_3 \end{bmatrix} \;=\; \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \end{aligned}\]

$$

$$

\[\begin{aligned} A \;=\; \begin{bmatrix} 1 & 2 & -3\\ -3 & 1 & 2 \\ 2 & -3 & 1 \end{bmatrix} \end{aligned}\]

$$ 위 행렬을 \(A\) 라고 할때 \(det(A)\) 를 계산한다.

$$

\[\begin{aligned} det(A) \;=\; 1 \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ -3 & 1 \end{bmatrix} \;-\; 2 \begin{bmatrix} -3 & 2 \\ 2 & 1 \end{bmatrix} \;+\; (-3) \begin{bmatrix} -3 & 1 \\ 2 & -3 \end{bmatrix} \;=\; 1*7+(-2)*(-7)+(-3)*7\;=\;0 \end{aligned}\]

$$

<font color="#e64980">  행렬식이 0 이므로 세 벡터는 선형 독립이 아니다.</font>
  1. 다음 집합이 \(\mathbb{R}^3\) 의 기저(basis) 가 되는지 확인하고 이유를 서술하시오.

    \(\mathbb R^3\) 의 기저가 되려면 주어진 벡터 집합이 선형 독립이어야하므로 이 집합은 \(\mathbb R^3\) 의 기저가 될 수 없다.

10

두 부분공간 \(U\), \(V\) 가 다음과 같이 정의되어 있다.

$$

\[\begin{aligned} &U \;=\; \{\;(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)\;:\;x_1-x_2+2x_3-x_5\;=\;0\} \\ &V \;=\; \{\;(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)\;:\;x_1+x_2-2x_4\;=\;0\} \end{aligned}\]

$$

부분공간 \(U\) , \(V\) 의 기저 · 차원을 계산하라.

  • \(U\) 방정식을 만족하는 \((x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)\) 의 형태를 찾기위해 \(x_1\) 을 다른 변수들로 표현
\[x_1\;=\;x_2-2x_3+x_5\]
이를 통해 자유변수 $x_2,x_3,x_4,x_5$ 를 사용하여 $x_1$ 을 표현 할 수 있다.
\[ (x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)\;=\;(x_2-2x_3+x_5,x_2,x_3,x_4,x_5) \]
이를 기저 벡터로 분리한다.
\[ \begin{aligned} (x_2-2x_3+x_5,x_2,x_3,x_4,x_5) \;=\; &x_2(\;\;\;1,1,0,0,0) \\ \;+\; &x_3(-2,0,1,0,0) \\ \;+\; &x_4(\;\;\;0,0,0,1,0) \\ \;+\; &x_5(\;\;\;1,0,0,0,1) \end{aligned} \]
예시 : 
$x_2-2x_3+x5$  에서 $x_2$ 의 계수 : 1
$(x_2-2x_3+x_5,x_2,x_3,x_4,x_5)$ 에서 $x_2$ 의 계수 : 1


$U$ 의 기저 $\rightarrow$ { $(1,1,0,0,0)$ , $(-2,0,1,0,0)$ , $(0,0,0,1,0)$ , $(1,0,0,0,1)$ }
$U$ 의 차원 $\rightarrow$ 기저 벡터들의 개수 $=$ $dim(U)\;=\;4$
  • \(V\) 방정식을 만족하는 \((x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)\) 의 형태를 찾기위해 \(x_1\) 을 다른 변수들로 표현
\[x_1\;=\;-x_2+2x_4\]
이를 통해 자유변수 $x_2,x_3,x_4,x_5$ 를 사용하여 $x_1$ 을 표현 할 수 있다.
\[ (x_1,x_2,x_3,x_4,x_5)\;=\;(-x_2+2x_4,x_2,x_3,x_4,x_5) \]
이를 기저 벡터로 분리한다.
\[ \begin{aligned} (-x_2+2x_4,x_2,x_3,x_4,x_5) \;=\; &x_2(-1,1,0,0,0) \\ \;+\; &x_3(\;\;\;0,0,1,0,0) \\ \;+\; &x_4(\;\;\;2,0,0,1,0) \\ \;+\; &x_5(\;\;\;0,0,0,0,1) \end{aligned} \]
$V$ 의 기저 $\rightarrow$ { $(-1,1,0,0,0)$ , $(0,0,1,0,0)$ , $(2,0,0,1,0)$ , $(0,0,0,0,1)$ }
$U$ 의 차원 $\rightarrow$ 기저 벡터들의 개수 $=$ $dim(U)\;=\;4$

개념 정리

행사다리꼴 REF(Row Echelon Form)

\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} x_{11} & - & - & - &\cdots & - \\ 0 & x_{22} & - & - &\cdots & - \\ 0 & 0 & 0 & x_{34} &\cdots & - \\ 0 & 0 & 0 & 0 &\cdots & x_{4n} \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots\\ 0 & 0 & \cdots & \cdots & \cdots & 0 \end{bmatrix} \end{aligned} \]
  • 모두 0 \(Row\) 는 맨 아래에 존재한다.
  • 0 이 아닌 행의 선행 계수는 항상 위 행의 0 이 아닌 첫 항목의 오른쪽에 있다.
  • Pivot 아래의 모든 열 항목은 0 이다.

기약행사다리꼴 RREF(Reduced Row Echelon Form)

REF 에서 Pivot = 1 이고 Pivot 위의 모든 원소들을 0 으로 만들었을 때.

\[ \begin{aligned} \begin{bmatrix} 1 & 0 & - & 0 &\cdots & - \\ 0 & 1 & - & 0 &\cdots & - \\ 0 & 0 & 0 & 1 &\cdots & - \\ 0 & 0 & 0 & 0 &\cdots & 1 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots\\ 0 & 0 & \cdots & \cdots & \cdots & 0 \end{bmatrix} \end{aligned} \]