Linearism › 선형대수 › LA.20

20장. 체와 벡터공간

선형대수 · 3부. 추상 선형대수

심화 · 약 40분 · 연습문제 12 · 그림 1

요약

체(유리수, 실수, 복소수, F₂, Fₚ), 벡터공간의 여덟 공리, 함수·다항식·행렬·수열 공간, 공리에서 나오는 기본 성질, 부분공간 판정, 부분공간의 합과 직합

지금까지는 숫자 목록인 벡터만 다뤘지만, 함수·다항식·행렬도 더하고 수를 곱할 수 있습니다. 이 장에서는 그런 대상 전체를 '벡터공간'이라는 하나의 정의로 묶습니다. 이렇게 추상화하면 1~19장의 결과가 함수와 다항식에도 그대로 쓰이게 됩니다. 3부(추상 선형대수)의 첫 장이며, 여기서부터 난이도가 한 단계 올라갑니다(심화).

20.1 화살표가 아닌 벡터

질문. 두 다항식을 더할 수 있고, 다항식에 수를 곱할 수 있습니다. 함수도, 행렬도, 수열도 그렇습니다. 이들의 덧셈과 스칼라배는 2.6절의 8가지 법칙을 모두 만족합니다. 그렇다면 Rn\mathbb{R}^n에 대해 증명한 정리들(span, 일차독립, 기저, 차원, 선형변환, ⋯\cdots)이 이들에게도 그대로 성립할까요?

성립합니다. 그 정리들의 증명을 다시 보면, 성분 viv_i를 직접 쓴 곳은 거의 없고 대부분 8가지 법칙만 썼습니다. 그렇다면 처음부터 8가지 법칙을 만족하는 것을 벡터라고 정의하면, 한 번의 증명으로 다항식, 함수, 행렬, 수열에 대한 정리를 모두 얻습니다. 이것이 3부의 출발점입니다.

또 하나 일반화합니다. 지금까지 스칼라는 실수였습니다. 그러나 7장과 16장에서 복소수가 필요했습니다. 컴퓨터과학에서는 0과 1 두 원소만 있는 수 체계가 중요합니다. 그래서 스칼라도 “사칙연산이 되는 수 체계”, 즉 체로 일반화합니다.

표기. 3부에서는 벡터를 굵게 쓰지 않습니다. 벡터가 함수나 다항식일 수 있어서, 굵은 글씨가 오히려 어색하기 때문입니다. 벡터는 u,v,wu, v, w, 스칼라는 a,b,c,λa, b, c, \lambda로 씁니다. 영벡터도 그냥 00으로 씁니다.

20.2 체

정의 20.1 (체). 집합 F\mathbb{F}에 덧셈 ++와 곱셈 ⋅\cdot이 정의되어 있고 다음을 만족하면 F\mathbb{F}를 체(field)라 합니다. 모든 a,b,c∈Fa, b, c \in \mathbb{F}에 대해

  1. (교환) a+b=b+aa + b = b + a, ab=baab = ba
  2. (결합) (a+b)+c=a+(b+c)(a + b) + c = a + (b + c), (ab)c=a(bc)(ab)c = a(bc)
  3. (항등원) 0≠10 \ne 1인 원소 0,1∈F0, 1 \in \mathbb{F}가 있어 a+0=aa + 0 = a, a1=aa1 = a
  4. (덧셈 역원) a+(−a)=0a + (-a) = 0인 −a∈F-a \in \mathbb{F}가 있습니다
  5. (곱셈 역원) a≠0a \ne 0이면 aa−1=1aa^{-1} = 1인 a−1∈Fa^{-1} \in \mathbb{F}가 있습니다
  6. (분배) a(b+c)=ab+aca(b + c) = ab + ac

간단히 말해 체는 0이 아닌 수로 나눌 수 있는 수 체계입니다.

예제 20.2.

  • Q\mathbb{Q}, R\mathbb{R}, C\mathbb{C}는 체입니다.
  • Z\mathbb{Z}는 체가 아닙니다. 2의 곱셈 역원 12\frac12이 Z\mathbb{Z}에 없습니다.
  • F2={0,1}\mathbb{F}_2 = \{0, 1\}에서 덧셈과 곱셈을 2로 나눈 나머지로 정의하면 체입니다.
++ 0 1
0 0 1
1 1 0
⋅\cdot 0 1
0 0 0
1 0 1

1+1=01 + 1 = 0이므로 −1=1-1 = 1입니다. 덧셈은 XOR, 곱셈은 AND와 같습니다. 소수 pp에 대해 Fp={0,1,…,p−1}\mathbb{F}_p = \{0, 1, \ldots, p - 1\} (나머지 연산)도 체입니다(문제 20.2).

n을 바꾸면 나머지 연산의 덧셈표·곱셈표와, 0이 아닌 원소마다 곱셈 역원이 있는지가 바뀝니다

이 위젯은 JavaScript가 필요합니다

F2\mathbb{F}_2 위의 선형대수는 오류 정정 부호, 암호, 회로 설계에서 쓰입니다(31장). 신기하게도 소거, 랭크, 기저, 차원은 F2\mathbb{F}_2에서도 그대로 작동합니다. 작동하지 않는 것은 길이와 내적처럼 “크기”를 쓰는 개념들입니다.

여기서의 약속. 3부에서 F\mathbb{F}는 R\mathbb{R} 또는 C\mathbb{C}를 뜻합니다. 다만 20–24장과 27–28장의 정의와 정리는 대부분 임의의 체에서 성립합니다. 내적을 쓰는 25–26장은 R\mathbb{R}, C\mathbb{C}에서만 의미가 있습니다.

20.3 벡터공간

정의 20.3 (벡터공간). 집합 VV에 덧셈 V×V→VV \times V \to V, (u,v)↦u+v(u, v) \mapsto u + v와 스칼라배 F×V→V\mathbb{F} \times V \to V, (a,v)↦av(a, v) \mapsto av가 정의되어 있고, 모든 u,v,w∈Vu, v, w \in V, a,b∈Fa, b \in \mathbb{F}에 대해 다음을 만족하면 VV를 F\mathbb{F} 위의 벡터공간(vector space)이라 합니다.

  1. u+v=v+uu + v = v + u
  2. (u+v)+w=u+(v+w)(u + v) + w = u + (v + w)
  3. v+0=vv + 0 = v인 원소 0∈V0 \in V가 있습니다
  4. 각 vv에 대해 v+w=0v + w = 0인 w∈Vw \in V가 있습니다
  5. a(bv)=(ab)va(bv) = (ab)v
  6. 1v=v1v = v
  7. a(u+v)=au+ava(u + v) = au + av
  8. (a+b)v=av+bv(a + b)v = av + bv

VV의 원소를 벡터(vector)라 합니다. F=R\mathbb{F} = \mathbb{R}이면 실벡터공간(real vector space), F=C\mathbb{F} = \mathbb{C}이면 복소벡터공간(complex vector space)이라 합니다.

정리 2.9의 목록 그대로입니다. 2장에서 “이 목록이 다시 나옵니다”고 한 곳이 여기입니다. 덧셈과 스칼라배가 함수(V×V→VV \times V \to V)라는 것은, 더하거나 곱한 결과가 다시 VV 안에 있다는 “닫혀 있음”을 포함합니다.

20.4 벡터공간의 예

예제 20.4 (Fn\mathbb{F}^n). Fn={(x1,…,xn):xi∈F}\mathbb{F}^n = \{(x_1, \ldots, x_n) : x_i \in \mathbb{F}\}, 성분별 연산. Rn\mathbb{R}^n, Cn\mathbb{C}^n, F2n\mathbb{F}_2^n (길이 nn의 비트열, 덧셈은 XOR).

예제 20.5 (함수 공간). SS가 임의의 집합일 때, SS에서 F\mathbb{F}로 가는 함수 전체 FS\mathbb{F}^S는 다음 연산으로 벡터공간입니다.

(f+g)(x)=f(x)+g(x),(af)(x)=af(x).(f + g)(x) = f(x) + g(x), \qquad (af)(x) = af(x).

영벡터는 항상 0인 함수, ff의 덧셈 역원은 (−f)(x)=−f(x)(-f)(x) = -f(x)입니다. 각 법칙은 xx마다 F\mathbb{F}에서 성립하는 법칙으로 확인됩니다.

  • S={1,…,n}S = \{1, \ldots, n\}이면 함수 ff는 (f(1),…,f(n))(f(1), \ldots, f(n))으로 기록되므로 FS\mathbb{F}^S는 사실상 Fn\mathbb{F}^n입니다.
  • S={1,2,3,…}S = \{1, 2, 3, \ldots\}이면 FS\mathbb{F}^S는 무한수열 (x1,x2,…)(x_1, x_2, \ldots) 전체로, F∞\mathbb{F}^\infty로 씁니다.
  • S=RS = \mathbb{R}이면 RR\mathbb{R}^{\mathbb{R}}은 실함수 전체입니다. 그래프가 하나의 “벡터”입니다.

예제 20.6 (다항식). 계수가 F\mathbb{F}에 있는 다항식 전체 P(F)\mathcal{P}(\mathbb{F})는 (함수로서의) 덧셈과 스칼라배로 벡터공간입니다. 차수가 mm 이하인 다항식 전체 Pm(F)\mathcal{P}_m(\mathbb{F})도 벡터공간입니다(차수 mm 이하끼리 더해도 mm 이하). 반면 차수가 정확히 mm인 다항식 전체는 벡터공간이 아닙니다. x2+xx^2 + x와 −x2-x^2을 더하면 1차가 됩니다.

예제 20.7 (행렬). m×nm \times n 행렬 전체 Fm×n\mathbb{F}^{m \times n}은 5.4절의 덧셈과 스칼라배로 벡터공간입니다.

예제 20.8 (†, 미분방정식의 해). y′′+y=0y'' + y = 0을 만족하는 함수 y:R→Ry : \mathbb{R} \to \mathbb{R} 전체는 벡터공간입니다. 두 해의 합과 해의 상수배도 해이기 때문입니다. 이 공간은 cos⁡x\cos x, sin⁡x\sin x의 span이며 2차원입니다. 미분방정식의 해가 “벡터공간”을 이룬다는 것이 선형 미분방정식 이론의 출발점입니다.

예제 20.9 (같은 집합, 다른 체). C\mathbb{C}는 C\mathbb{C} 위의 벡터공간(1차원)이면서, 실수배만 허용하면 R\mathbb{R} 위의 벡터공간(기저 1,i1, i로 2차원)이기도 합니다. 벡터공간은 집합과 체의 쌍입니다.

▶ 문제 20.1–20.4

20.5 공리에서 나오는 기본 성질

정의에는 “영벡터가 있습니다”고만 했지 “하나뿐입니다”라고는 하지 않았습니다. 이런 사실들을 공리만으로 증명합시다. 이 증명들은 앞으로 쓸 증명 방식의 첫 연습입니다.

정리 20.10 (영벡터와 역원의 유일성).

  1. 벡터공간의 영벡터는 하나뿐입니다.
  2. 각 벡터의 덧셈 역원은 하나뿐입니다.

증명. (1) 00과 0′0'이 모두 영벡터이면 0′=0′+0=0+0′=00' = 0' + 0 = 0 + 0' = 0. 첫째 등호는 00이 영벡터, 둘째는 교환법칙, 셋째는 0′0'이 영벡터라는 것입니다.

(2) ww, w′w'이 모두 vv의 역원이면 w=w+0=w+(v+w′)=(w+v)+w′=0+w′=w′w = w + 0 = w + (v + w') = (w + v) + w' = 0 + w' = w'. ■

이제 vv의 역원을 −v-v로, w+(−v)w + (-v)를 w−vw - v로 쓸 수 있습니다.

정리 20.11 (0과의 곱). 모든 v∈Vv \in V, a∈Fa \in \mathbb{F}에 대해

  1. 0v=00v = 0 (왼쪽 0은 스칼라, 오른쪽 0은 벡터)
  2. a0=0a0 = 0
  3. (−1)v=−v(-1)v = -v

증명. (1)과 (3)은 문제 2.8에서 했습니다. (2): a0=a(0+0)=a0+a0a0 = a(0 + 0) = a0 + a0. 양변에 −(a0)-(a0)를 더하면 0=a00 = a0. ■

이 정리들은 당연해 보이지만, “당연한 것”을 공리에서 증명할 수 있다는 것은 공리가 충분하다는 뜻입니다. 앞으로 벡터공간에 대한 모든 증명은 이 8가지 법칙(과 체의 성질)만 씁니다.

▶ 문제 20.5–20.6

20.6 부분공간

정의 20.12 (부분공간). VV의 부분집합 UU가 VV와 같은 연산으로 벡터공간이 되면 UU를 VV의 부분공간(subspace)이라 합니다.

정리 20.13 (부분공간 판정). U⊆VU \subseteq V가 부분공간인 것은 다음 세 조건과 동치입니다.

  1. 0∈U0 \in U
  2. u,w∈U⇒u+w∈Uu, w \in U \Rightarrow u + w \in U
  3. a∈Fa \in \mathbb{F}, u∈U⇒au∈Uu \in U \Rightarrow au \in U

증명. (⇐) (2), (3)에 의해 연산이 UU 안에서 닫혀 있습니다. 법칙 1, 2, 5–8은 VV에서 성립하므로 UU에서도 성립합니다. 법칙 3은 (1)에서 나옵니다. 법칙 4: u∈Uu \in U이면 (3)과 정리 20.11에 의해 −u=(−1)u∈U-u = (-1)u \in U. (⇒) UU의 영벡터 0U0_U는 0U+0U=0U0_U + 0_U = 0_U를 만족하고, VV에서 양변에 −0U-0_U를 더하면 0U=00_U = 0입니다. 나머지는 닫혀 있음. ■

10장의 정의와 같습니다. 차이는 이제 VV가 Rn\mathbb{R}^n이 아니어도 된다는 것입니다.

예제 20.14.

  • Pm(F)\mathcal{P}_m(\mathbb{F})는 P(F)\mathcal{P}(\mathbb{F})의 부분공간입니다.
  • {f∈R[0,1]:f(0)=0}\{f \in \mathbb{R}^{[0,1]} : f(0) = 0\}은 부분공간입니다. {f:f(0)=1}\{f : f(0) = 1\}은 아닙니다.
  • Fn×n\mathbb{F}^{n \times n}에서 대칭행렬 전체, 위삼각행렬 전체, 대각합이 0인 행렬 전체는 부분공간입니다.
  • (†) 연속함수 전체, 미분가능한 함수 전체는 RR\mathbb{R}^{\mathbb{R}}의 부분공간입니다.
  • 0으로 수렴하는 수열 전체는 R∞\mathbb{R}^\infty의 부분공간입니다.

▶ 문제 20.7–20.9

20.7 부분공간의 합과 직합

정의 20.15 (부분공간의 합). VV의 부분공간 U1,…,UmU_1, \ldots, U_m에 대해

U1+⋯+Um={u1+⋯+um:ui∈Ui}U_1 + \cdots + U_m = \{u_1 + \cdots + u_m : u_i \in U_i\}

을 이들의 합(sum)이라 합니다.

U1+⋯+UmU_1 + \cdots + U_m은 모든 UiU_i를 포함하는 가장 작은 부분공간입니다(문제 20.10). 합집합은 보통 부분공간이 아니었습니다(문제 10.3). 합이 그것을 고친 것입니다.

예제 20.16. R3\mathbb{R}^3에서 UU = xyxy 평면, WW = zz축이면 U+W=R3U + W = \mathbb{R}^3. UU = xyxy 평면, WW = yzyz 평면이어도 U+W=R3U + W = \mathbb{R}^3입니다. 그러나 두 경우는 다릅니다. 첫째 경우 (1,2,3)=(1,2,0)+(0,0,3)(1, 2, 3) = (1, 2, 0) + (0, 0, 3)으로 쓰는 방법이 하나뿐이지만, 둘째 경우 (1,2,3)=(1,2,0)+(0,0,3)=(1,0,0)+(0,2,3)(1, 2, 3) = (1, 2, 0) + (0, 0, 3) = (1, 0, 0) + (0, 2, 3) 등 여러 가지입니다.

정의 20.17 (직합). U1+⋯+UmU_1 + \cdots + U_m의 모든 원소가 u1+⋯+umu_1 + \cdots + u_m (ui∈Uiu_i \in U_i)으로 유일하게 쓰이면, 이 합을 직합(direct sum)이라 하고 U1⊕⋯⊕UmU_1 \oplus \cdots \oplus U_m으로 씁니다.

정리 20.18 (직합의 판정).

  1. U1+⋯+UmU_1 + \cdots + U_m이 직합인 것은 0=u1+⋯+um0 = u_1 + \cdots + u_m (ui∈Uiu_i \in U_i)이면 모든 ui=0u_i = 0인 것과 동치입니다.
  2. 두 부분공간에 대해서는: U+WU + W가 직합   ⟺  \iff U∩W={0}U \cap W = \{0\}.

증명. (1) (⇒) 0=0+⋯+00 = 0 + \cdots + 0도 한 표현이므로 유일성에서 모든 ui=0u_i = 0. (⇐) v=∑ui=∑ui′v = \sum u_i = \sum u_i'이면 0=∑(ui−ui′)0 = \sum (u_i - u_i')이고 ui−ui′∈Uiu_i - u_i' \in U_i이므로 모든 ui=ui′u_i = u_i'.

(2) (⇒) v∈U∩Wv \in U \cap W이면 0=v+(−v)0 = v + (-v)이고 v∈Uv \in U, −v∈W-v \in W이므로 (1)에서 v=0v = 0. (⇐) 0=u+w0 = u + w이면 u=−w∈U∩W={0}u = -w \in U \cap W = \{0\}이므로 u=w=0u = w = 0. ■

세 개 이상에서는 둘씩 교집합이 {0}\{0\}이어도 직합이 아닐 수 있습니다. 예를 들어 R2\mathbb{R}^2의 세 직선 xx축, yy축, 직선 y=xy = x는 둘씩 교집합이 {0}\{0\}이지만 (1,1)=(1,0)+(0,1)+(0,0)=(0,0)+(0,0)+(1,1)(1, 1) = (1, 0) + (0, 1) + (0, 0) = (0, 0) + (0, 0) + (1, 1)입니다(문제 20.12).

예제 20.19. Fn×n\mathbb{F}^{n \times n} = (대칭행렬) ⊕\oplus (반대칭행렬). 모든 정사각행렬은 A=A+AT2+A−AT2A = \frac{A + A^T}{2} + \frac{A - A^T}{2}로 쓰이고, 대칭이면서 반대칭인 행렬은 OO뿐입니다.

13장의 정리 13.5는 Rn=C(AT)⊕N(A)\mathbb{R}^n = C(A^T) \oplus N(A)라는 직합 분해였습니다. 직합은 공간을 “서로 간섭하지 않는 조각들”로 나누는 언어이며, 24장과 27장에서 연산자를 이해하는 핵심 도구가 됩니다.

▶ 문제 20.10–20.12

쓰이는 곳. 함수의 공간을 벡터공간으로 보는 관점은 커널 방법(재생 핵 힐베르트 공간), 양자역학의 상태 공간, 신호처리에서 기본입니다. 논문이 '함수 공간 H\mathcal{H}'라고 말하면 이 장의 정의를 떠올리면 됩니다.

이 장의 요약

  • 체: 0이 아닌 수로 나눌 수 있는 수 체계. Q\mathbb{Q}, R\mathbb{R}, C\mathbb{C}, F2\mathbb{F}_2, Fp\mathbb{F}_p.
  • 벡터공간: 덧셈과 스칼라배가 8가지 법칙을 만족하는 집합. Fn\mathbb{F}^n, 함수 공간 FS\mathbb{F}^S, 다항식 P(F)\mathcal{P}(\mathbb{F}), 행렬 Fm×n\mathbb{F}^{m \times n}.
  • 영벡터와 역원은 유일합니다. 0v=00v = 0, a0=0a0 = 0, (−1)v=−v(-1)v = -v는 공리에서 증명됩니다.
  • 부분공간 판정: 0을 포함하고 덧셈·스칼라배에 닫혀 있습니다.
  • 합 U1+⋯+UmU_1 + \cdots + U_m; 표현이 유일하면 직합 ⊕\oplus. 두 개일 때는 교집합이 {0}\{0\}인 것과 같습니다.

문제

3부의 문제에서는 벡터를 굵게 쓰지 않습니다. 증명 문제는 본문처럼 공리와 앞의 정리만 써서 증명합니다.

20.1 [계산] · 확인 문제

주어진 연산으로 R\mathbb{R} 위의 벡터공간인지 판정합니다. 아니면 깨지는 공리를 말합니다. 벡터공간이면 O, 아니면 X를 적습니다.

집합과 연산 벡터공간인가
(a) R2\mathbb{R}^2에서 (x1,y1)⊕(x2,y2)=(x1+x2,0)(x_1, y_1) \oplus (x_2, y_2) = (x_1 + x_2, 0), 스칼라배는 보통대로 [?]
(b) 양의 실수 전체 R>0\mathbb{R}_{>0}에서 x⊕y=xyx \oplus y = xy, a⊙x=xaa \odot x = x^a [?]
(c) p(1)=0p(1) = 0인 다항식 전체, 보통의 연산 [?]
(d) 가역인 2×22 \times 2 행렬 전체, 보통의 연산 [?]
정답
X
O
O
X
풀이

(a) 아닙니다. v⊕z=vv \oplus z = v인 zz가 y≠0y \ne 0인 vv에 대해 없습니다(법칙 3).

(b) 벡터공간입니다. 영벡터는 1 (x⋅1=xx \cdot 1 = x), xx의 역원은 1/x1/x, a⊙(b⊙x)=xaba \odot (b \odot x) = x^{ab}, (a+b)⊙x=xa+b=xaxb(a + b) \odot x = x^{a+b} = x^ax^b, a⊙(xy)=(xy)a=xayaa \odot (xy) = (xy)^a = x^ay^a 등. 덧셈이 곱셈이고 스칼라배가 거듭제곱인 벡터공간입니다.

(c) 벡터공간입니다(부분공간).

(d) 아닙니다. I+(−I)=OI + (-I) = O는 가역이 아닙니다(닫혀 있지 않음), 영벡터 OO도 없습니다.

20.2 [계산] · 확인 문제

(a) F5\mathbb{F}_5에서 0이 아닌 각 원소의 곱셈 역원을 구합니다. (b) {0,1,2,3}\{0, 1, 2, 3\}에 4로 나눈 나머지로 덧셈과 곱셈을 정의하면 체가 아님을 보입니다. 표에는 (a)를 적습니다. 위 위젯에서 n=5n = 5와 n=4n = 4를 비교할 수 있습니다.

1−11^{-1} 2−12^{-1} 3−13^{-1} 4−14^{-1}
[?] [?] [?] [?]
정답
1
3
2
4
풀이

(a) 1⋅1=11 \cdot 1 = 1, 2⋅3=6≡12 \cdot 3 = 6 \equiv 1, 4⋅4=16≡14 \cdot 4 = 16 \equiv 1. 역원: 1−1=11^{-1} = 1, 2−1=32^{-1} = 3, 3−1=23^{-1} = 2, 4−1=44^{-1} = 4.

(b) 2⋅0=02 \cdot 0 = 0, 2⋅1=22 \cdot 1 = 2, 2⋅2=02 \cdot 2 = 0, 2⋅3=22 \cdot 3 = 2이므로 2의 곱셈 역원이 없습니다.

20.3 [계산] · 확인 문제

F23\mathbb{F}_2^3에서 (a) (1,0,1)+(1,1,0)(1, 0, 1) + (1, 1, 0)과 (1,0,1)+(1,0,1)(1, 0, 1) + (1, 0, 1)을 계산합니다. (b) span⁡{(1,0,1),(1,1,0)}\operatorname{span}\{(1, 0, 1), (1, 1, 0)\}의 원소를 모두 나열합니다. 몇 개일까요?

값 첫째 둘째 셋째
(1,0,1)+(1,1,0)(1, 0, 1) + (1, 1, 0) [?] [?] [?]
(1,0,1)+(1,0,1)(1, 0, 1) + (1, 0, 1) [?] [?] [?]
(b) 원소의 개수 [?] - -
정답
0
1
1
0
0
0
4
풀이

(a) (0,1,1)(0, 1, 1), (0,0,0)(0, 0, 0). 모든 vv에 대해 v+v=0v + v = 0입니다.

(b) a=(1,0,1)a = (1, 0, 1), b=(1,1,0)b = (1, 1, 0)이면 계수가 0 또는 1이므로 0,a,b,a+b=(0,1,1)0, a, b, a + b = (0, 1, 1). 4개 (=22= 2^2).

20.4 [증명]

함수 공간 FS\mathbb{F}^S에서 (a+b)f=af+bf(a + b)f = af + bf와 a(f+g)=af+aga(f + g) = af + ag가 성립함을 보입니다. 무엇을 보여야 하는지(함수가 같다는 것의 뜻)부터 적습니다.

풀이

두 함수가 같다는 것은 모든 x∈Sx \in S에서 값이 같다는 것입니다. ((a+b)f)(x)=(a+b)f(x)=af(x)+bf(x)=(af)(x)+(bf)(x)=(af+bf)(x)\big((a + b)f\big)(x) = (a + b)f(x) = af(x) + bf(x) = (af)(x) + (bf)(x) = (af + bf)(x). 가운데 등호는 F\mathbb{F}의 분배법칙. 둘째도 같습니다.

20.5 [증명]

a∈Fa \in \mathbb{F}, v∈Vv \in V이고 av=0av = 0이면 a=0a = 0 또는 v=0v = 0임을 보입니다.

풀이

a≠0a \ne 0이면 v=1v=(a−1a)v=a−1(av)=a−10=0v = 1v = (a^{-1}a)v = a^{-1}(av) = a^{-1}0 = 0 (정리 20.11(2)).

20.6 [증명]

(a) −(−v)=v-(-v) = v임을 보입니다. (b) (−a)v=−(av)=a(−v)(-a)v = -(av) = a(-v)임을 보입니다.

풀이

(a) −v-v는 v+(−v)=0v + (-v) = 0을 만족하므로, 교환법칙에 의해 vv는 −v-v의 역원입니다. 유일성(정리 20.10)에서 −(−v)=v-(-v) = v.

(b) (−a)v+av=(−a+a)v=0v=0(-a)v + av = (-a + a)v = 0v = 0이므로 (−a)v=−(av)(-a)v = -(av). a(−v)+av=a(−v+v)=a0=0a(-v) + av = a(-v + v) = a0 = 0이므로 a(−v)=−(av)a(-v) = -(av).

20.7 [계산] · 확인 문제

부분공간인지 판정합니다. 부분공간이면 O, 아니면 X를 적습니다.

집합 부분공간인가
(a) {p∈P3(R):p(2)=0}\{p \in \mathcal{P}_3(\mathbb{R}) : p(2) = 0\} [?]
(b) {p∈P3(R):p(0)=p(1)}\{p \in \mathcal{P}_3(\mathbb{R}) : p(0) = p(1)\} [?]
(c) {p∈P(R):deg⁡p=2}\{p \in \mathcal{P}(\mathbb{R}) : \deg p = 2\} [?]
(d) {f∈RR:f(x)≥0 ∀x}\{f \in \mathbb{R}^{\mathbb{R}} : f(x) \ge 0\ \forall x\} [?]
(e) {(xn)∈R∞:xn+2=xn+1+xn ∀n}\{(x_n) \in \mathbb{R}^\infty : x_{n+2} = x_{n+1} + x_n\ \forall n\} [?]
(f) {A∈R2×2:det⁡A=0}\{A \in \mathbb{R}^{2 \times 2} : \det A = 0\} [?]
정답
O
O
X
X
O
X
풀이

(a) 예. (b) 예 (p(0)−p(1)=0p(0) - p(1) = 0은 선형 조건). (c) 아니다 (0∉0 \notin, 또 x2+(−x2+x)=xx^2 + (-x^2 + x) = x). (d) 아니다 (−1-1배에 닫혀 있지 않습니다). (e) 예 (점화식은 선형 조건). (f) 아닙니다: [1000]+[0001]=I\begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} = I.

20.8 [증명]

VV의 부분공간들의 교집합은 부분공간임을 보입니다(개수가 무한해도).

풀이

{Uα}\{U_\alpha\}가 부분공간들이면 00은 모두에 있습니다. u,wu, w가 모든 UαU_\alpha에 있으면 u+wu + w, auau도 모든 UαU_\alpha에 있습니다.

20.9 [도전]

C\mathbb{C}를 R\mathbb{R} 위의 벡터공간으로 볼 때의 부분공간을 모두 구합니다. C\mathbb{C} 위의 벡터공간으로 볼 때는?

풀이

R\mathbb{R} 위: C\mathbb{C}는 R2\mathbb{R}^2와 같으므로(기저 1,i1, i) 부분공간은 {0}\{0\}, 원점을 지나는 모든 직선 {tz0:t∈R}\{tz_0 : t \in \mathbb{R}\}, C\mathbb{C} 전체. C\mathbb{C} 위: z0≠0z_0 \ne 0을 포함하면 모든 w=(w/z0)z0w = (w/z_0)z_0을 포함하므로 {0}\{0\}과 C\mathbb{C}뿐.

20.10 [증명]

U+WU + W는 UU와 WW를 모두 포함하는 부분공간이고, UU와 WW를 포함하는 모든 부분공간은 U+WU + W를 포함함을 보입니다.

풀이

0=0+00 = 0 + 0. (u+w)+(u′+w′)=(u+u′)+(w+w′)(u + w) + (u' + w') = (u + u') + (w + w'), a(u+w)=au+awa(u + w) = au + aw이므로 부분공간. u=u+0u = u + 0이므로 U⊆U+WU \subseteq U + W, 같은 방법으로 W⊆U+WW \subseteq U + W. UU와 WW를 포함하는 부분공간은 덧셈에 닫혀 있으므로 모든 u+wu + w를 포함합니다.

20.11 [계산] · 확인 문제

합이 직합인지 판정하고, 합이 무엇인지 말합니다. 직합이면 O, 아니면 X를 적습니다. (a) R3\mathbb{R}^3에서 U=span⁡{(1,0,0),(0,1,0)}U = \operatorname{span}\{(1, 0, 0), (0, 1, 0)\}, W=span⁡{(0,1,1)}W = \operatorname{span}\{(0, 1, 1)\} (b) P3(R)\mathcal{P}_3(\mathbb{R})에서 UU = 짝수차 항만 있는 다항식(a+bx2a + bx^2), WW = 홀수차 항만 있는 다항식(cx+dx3cx + dx^3)

(a) (b)
[?] [?]
정답
O
O
풀이

(a) (0,1,1)(0, 1, 1)의 배수 (0,t,t)(0, t, t)가 UU (셋째 성분 0)에 있으려면 t=0t = 0. U∩W={0}U \cap W = \{0\}, 직합. 차원 2+1=32 + 1 = 3이므로 U⊕W=R3U \oplus W = \mathbb{R}^3 (21장).

(b) 짝수차이면서 홀수차인 다항식은 0뿐. 직합이고 U⊕W=P3(R)U \oplus W = \mathcal{P}_3(\mathbb{R}).

20.12 [도전]

(a) R2\mathbb{R}^2의 xx축, yy축, 직선 y=xy = x는 둘씩의 교집합이 {0}\{0\}이지만 세 개의 합은 직합이 아님을 보입니다. (b) U1+U2+U3U_1 + U_2 + U_3이 직합인 것은 U1∩U2={0}U_1 \cap U_2 = \{0\}이고 (U1+U2)∩U3={0}(U_1 + U_2) \cap U_3 = \{0\}인 것과 동치임을 보입니다.

풀이

(a) 0=(1,0)+(0,1)+(−1,−1)0 = (1, 0) + (0, 1) + (-1, -1)이고 각각 xx축, yy축, y=xy = x에 있으며 0이 아닙니다. 정리 20.18(1)에 의해 직합 아님.

(b) (⇒) v∈(U1+U2)∩U3v \in (U_1 + U_2) \cap U_3이면 v=u1+u2v = u_1 + u_2이고 0=u1+u2+(−v)0 = u_1 + u_2 + (-v)이므로 모두 0. U1∩U2U_1 \cap U_2도 같습니다. (⇐) 0=u1+u2+u30 = u_1 + u_2 + u_3이면 −u3=u1+u2∈(U1+U2)∩U3-u_3 = u_1 + u_2 \in (U_1 + U_2) \cap U_3이므로 u3=0u_3 = 0, 그러면 u1=−u2∈U1∩U2u_1 = -u_2 \in U_1 \cap U_2이므로 u1=u2=0u_1 = u_2 = 0.