Linearism › 선형대수 › LA.24

24장. 고윳값, 불변부분공간, 최소다항식

선형대수 · 3부. 추상 선형대수

심화 · 약 45분 · 연습문제 17 · 그림 1

요약

불변부분공간과 고유벡터, 행렬식 없이 증명하는 고윳값의 존재, 최소다항식의 존재·유일성과 근, 위삼각화와 위삼각행렬에서 읽는 것, 최소다항식으로 판정하는 대각화 가능성, 교환하는 연산자의 공통 고유벡터

16장에서 계산으로 다룬 고윳값과 고유벡터를 추상 벡터공간의 선형사상에서 다시 정의합니다. 변환이 자기 자신 안으로 보내는 부분공간(불변부분공간)과, 변환이 만족하는 가장 작은 다항식(최소다항식)이 새로 나옵니다. 대각화가 되지 않는 경우를 이해하는 열쇠입니다(심화).

24.1 행렬식 없이 고윳값을 다루기

질문. 16장에서는 행렬식으로 고윳값을 찾았습니다: det⁡(A−λI)=0\det(A - \lambda I) = 0. 그런데 행렬식은 계산은 편해도, 왜 고윳값이 존재하는지를 설명해 주지는 않습니다. 행렬도 행렬식도 쓰지 않고, 연산자 자체만 보고 “복소 벡터공간 위의 연산자는 반드시 고유벡터를 갖습니다”를 증명할 수 있을까요?

이 장은 연산자 T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V)의 구조를 연구하는 3부의 중심부입니다. 도구는 두 가지, 불변부분공간과 다항식입니다. 이 장의 결론은 다음과 같습니다.

  • 복소 유한차원 공간 위의 연산자는 고윳값을 갖습니다.
  • 그런 연산자는 어떤 기저에서 위삼각행렬이 됩니다.
  • 대각화 가능한 것은 최소다항식이 중근을 갖지 않는 것과 같습니다.

이 장에서 VV는 {0}\{0\}이 아닌 유한차원 벡터공간이고, n=dim⁡Vn = \dim V입니다.

24.2 불변부분공간과 고유벡터

정의 24.1 (불변부분공간). T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V)와 부분공간 UU에 대해, 모든 u∈Uu \in U에서 Tu∈UTu \in U이면 UU를 TT에 대한 불변부분공간(invariant subspace)이라 합니다.

불변부분공간은 “TT가 밖으로 내보내지 않는” 부분입니다. 그 안에서는 TT를 UU 위의 연산자 T∣U∈L(U)T|_U \in \mathcal{L}(U)로 볼 수 있습니다. 큰 공간의 연산자를 작은 공간의 연산자들로 쪼개어 이해하는 것이 이 장과 27장의 전략입니다.

예제 24.2. {0}\{0\}, VV, null⁡T\operatorname{null} T, range⁡T\operatorname{range} T는 언제나 불변입니다. 예를 들어 u∈range⁡Tu \in \operatorname{range} T이면 Tu∈range⁡TTu \in \operatorname{range} T는 당연합니다. 미분 DD에 대해 Pm(R)\mathcal{P}_m(\mathbb{R})은 P(R)\mathcal{P}(\mathbb{R})의 불변부분공간입니다(미분해도 차수가 늘지 않습니다).

1차원 불변부분공간 U=span⁡(v)U = \operatorname{span}(v) (v≠0v \ne 0)를 생각합시다. Tv∈UTv \in U이므로 Tv=λvTv = \lambda v인 λ\lambda가 있습니다. 즉 1차원 불변부분공간이 고유벡터입니다.

정의 24.3 (고윳값과 고유벡터). T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V)에 대해 Tv=λvTv = \lambda v인 v≠0v \ne 0이 있으면 λ∈F\lambda \in \mathbb{F}를 TT의 고윳값(eigenvalue), vv를 고유벡터(eigenvector)라 합니다. E(λ,T)=null⁡(T−λI)E(\lambda, T) = \operatorname{null}(T - \lambda I)를 고유공간(eigenspace)이라 합니다.

정리 24.4 (고윳값의 동치 조건). λ∈F\lambda \in \mathbb{F}에 대해 다음은 동치입니다.

  1. λ\lambda는 TT의 고윳값입니다.
  2. T−λIT - \lambda I는 단사가 아닙니다.
  3. T−λIT - \lambda I는 전사가 아닙니다.
  4. T−λIT - \lambda I는 가역이 아닙니다.

증명. (1)   ⟺  \iff (2)는 Tv=λv  ⟺  (T−λI)v=0Tv = \lambda v \iff (T - \lambda I)v = 0. (2)   ⟺  \iff (3)   ⟺  \iff (4)는 정리 22.16. ■

행렬식 대신 “가역이 아님”으로 고윳값을 판정했습니다.

정리 24.5 (서로 다른 고윳값의 고유벡터는 독립). λ1,…,λm\lambda_1, \ldots, \lambda_m이 서로 다른 고윳값이고 vkv_k가 각각의 고유벡터이면 v1,…,vmv_1, \ldots, v_m은 일차독립입니다. 따라서 TT의 고윳값은 많아야 nn개입니다.

증명은 정리 16.7과 같습니다.

▶ 문제 24.1–24.4

24.3 고윳값의 존재

정리 24.6 (복소 공간의 연산자는 고윳값을 갖습니다). F=C\mathbb{F} = \mathbb{C}이면 모든 T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V)는 고윳값을 갖습니다.

증명. v≠0v \ne 0을 아무거나 고릅니다. n+1n + 1개의 벡터

v,Tv,T2v,…,Tnvv, Tv, T^2v, \ldots, T^nv

는 nn차원 공간에서 일차종속입니다. 따라서 모두 0은 아닌 a0,…,ana_0, \ldots, a_n으로 a0v+a1Tv+⋯+anTnv=0a_0v + a_1Tv + \cdots + a_nT^nv = 0입니다. v≠0v \ne 0이므로 a1,…,ana_1, \ldots, a_n이 모두 0일 수는 없습니다(그러면 a0v=0a_0v = 0에서 a0=0a_0 = 0). 따라서 다항식 p(z)=a0+a1z+⋯+anznp(z) = a_0 + a_1z + \cdots + a_nz^n은 상수가 아닙니다. 대수학의 기본정리로 인수분해하면

p(z)=c(z−λ1)⋯(z−λm)(c≠0, m≥1).p(z) = c(z - \lambda_1) \cdots (z - \lambda_m) \quad (c \ne 0,\ m \ge 1).

정리 23.11에 의해

0=p(T)v=c(T−λ1I)(T−λ2I)⋯(T−λmI)v.0 = p(T)v = c(T - \lambda_1I)(T - \lambda_2I) \cdots (T - \lambda_mI)v.

영이 아닌 vv가 연산자들의 곱에 의해 0이 되었으므로, 적어도 하나의 T−λjIT - \lambda_jI는 단사가 아닙니다. 그 λj\lambda_j가 고윳값입니다. ■

직관. vv에 TT를 계속 걸어 보면 nn차원 공간 안에서 결국 “돌아오는” 관계가 생깁니다. 그 관계를 다항식으로 쓰고 인수분해하면, 어딘가에서 일차식 하나가 벡터를 죽입니다. 그 일차식이 고윳값을 알려 줍니다.

실수 공간에서는 실패합니다. R2\mathbb{R}^2의 90∘90^\circ 회전에는 고윳값이 없습니다. 증명에서 p(z)=1+z2p(z) = 1 + z^2 같은 다항식이 실수 범위에서 일차식으로 쪼개지지 않기 때문입니다. 다만 23장의 결과에 의해 실수 공간의 연산자도 언제나 1차원 또는 2차원 불변부분공간을 갖습니다(문제 24.6).

▶ 문제 24.5–24.6

24.4 최소다항식

정의 24.7 (최소다항식). p(T)=0p(T) = 0을 만족하는 모닉(monic) 다항식(최고차 계수가 1) 중 차수가 가장 작은 것을 TT의 최소다항식(minimal polynomial)이라 하고 mTm_T로 씁니다.

정리 24.8 (최소다항식의 존재와 유일성). T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V)의 최소다항식은 존재하고 유일합니다.

증명. 존재: dim⁡L(V)=n2\dim\mathcal{L}(V) = n^2이므로 I,T,T2,…,Tn2I, T, T^2, \ldots, T^{n^2} (n2+1n^2 + 1개)은 종속입니다. 따라서 p(T)=0p(T) = 0인 영이 아닌 다항식이 있고, 최고차 계수로 나누면 모닉입니다. 그런 것 중 차수가 가장 작은 것을 고릅니다. 유일: 차수가 같은 두 최소다항식 pp, qq가 있으면 p−qp - q는 (p−q)(T)=0(p - q)(T) = 0이고 차수가 더 작습니다. 영다항식이 아니면 최고차 계수로 나눠 더 작은 차수의 모닉 다항식이 되어 모순. 따라서 p=qp = q. ■

27장에서 deg⁡mT≤n\deg m_T \le n임을 보입니다(케일리–해밀턴 정리). 지금은 n2n^2 이하라는 것만 알면 됩니다.

정리 24.9 (최소다항식은 모든 소멸다항식을 나눕니다). q(T)=0q(T) = 0인 것은 mTm_T가 qq를 나누는 것과 동치입니다.

증명. (⇐) q=mTsq = m_Ts이면 q(T)=mT(T)s(T)=0q(T) = m_T(T)s(T) = 0. (⇒) 나눗셈 정리로 q=mTs+rq = m_Ts + r, deg⁡r<deg⁡mT\deg r < \deg m_T. r(T)=q(T)−mT(T)s(T)=0r(T) = q(T) - m_T(T)s(T) = 0입니다. r≠0r \ne 0이면 최소성에 모순이므로 r=0r = 0. ■

정리 24.10 (최소다항식의 근은 고윳값). λ∈F\lambda \in \mathbb{F}가 mTm_T의 근인 것은 λ\lambda가 TT의 고윳값인 것과 동치입니다.

증명. (⇒) mT(z)=(z−λ)q(z)m_T(z) = (z - \lambda)q(z)로 쓰면 deg⁡q<deg⁡mT\deg q < \deg m_T이므로 q(T)≠0q(T) \ne 0, 즉 q(T)v≠0q(T)v \ne 0인 vv가 있습니다. 0=mT(T)v=(T−λI)q(T)v0 = m_T(T)v = (T - \lambda I)q(T)v이므로 q(T)vq(T)v가 고유벡터입니다. (⇐) Tv=λvTv = \lambda v (v≠0v \ne 0)이면 0=mT(T)v=mT(λ)v0 = m_T(T)v = m_T(\lambda)v (문제 23.10)이므로 mT(λ)=0m_T(\lambda) = 0. ■

예제 24.11.

  • A=diag⁡(2,2,3)A = \operatorname{diag}(2, 2, 3): (A−2I)(A−3I)=O(A - 2I)(A - 3I) = O이고 일차식 하나로는 0이 안 되므로 mA=(z−2)(z−3)m_A = (z - 2)(z - 3).
  • B=[210020003]B = \begin{bmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{bmatrix}: (B−2I)(B−3I)=[010000001][−1100−10000]=[0−10000000]≠O(B - 2I)(B - 3I) = \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} -1 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{bmatrix} \ne O. (B−2I)2(B−3I)=O(B - 2I)^2(B - 3I) = O이므로 mB=(z−2)2(z−3)m_B = (z - 2)^2(z - 3).

두 행렬은 고윳값이 같지만 최소다항식이 다릅니다. 최소다항식이 고윳값보다 더 많은 정보를 담고 있습니다. 16장에서 AA는 대각화 가능, BB는 불가능했습니다. 이 차이가 최소다항식의 중근으로 나타납니다(24.6절).

최소다항식을 구하는 실용적인 방법: 고윳값 λ1,…,λk\lambda_1, \ldots, \lambda_k를 구한 뒤, (z−λ1)e1⋯(z−λk)ek(z - \lambda_1)^{e_1} \cdots (z - \lambda_k)^{e_k} 꼴에서 지수를 1부터 늘려 가며 0이 되는 가장 작은 것을 찾습니다. 정리 24.10에 의해 각 지수는 적어도 1입니다.

고윳값마다 지수를 바꾸면 ∏(A − λI)의 곱이 영행렬인지가 바뀝니다. 영행렬이 되는 가장 작은 지수가 최소다항식입니다

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▶ 문제 24.7–24.10

24.5 위삼각행렬

정리 24.12 (위삼각의 조건). VV의 기저 v1,…,vnv_1, \ldots, v_n에 대해 다음은 동치입니다.

  1. M(T)\mathcal{M}(T)는 위삼각입니다.
  2. 각 kk에 대해 Tvk∈span⁡(v1,…,vk)Tv_k \in \operatorname{span}(v_1, \ldots, v_k).
  3. 각 kk에 대해 span⁡(v1,…,vk)\operatorname{span}(v_1, \ldots, v_k)는 TT에 대해 불변입니다.

증명. (1)   ⟺  \iff (2): 제kk열이 TvkTv_k의 좌표이고, 위삼각이란 제kk열의 k+1k + 1번째 이후가 0이라는 것입니다. (2)   ⟺  \iff (3): (3)⇒(2)는 분명하고, (2)이면 j≤kj \le k에 대해 Tvj∈span⁡(v1,…,vj)⊆span⁡(v1,…,vk)Tv_j \in \operatorname{span}(v_1, \ldots, v_j) \subseteq \operatorname{span}(v_1, \ldots, v_k). ■

위삼각행렬은 “점점 커지는 불변부분공간의 사슬” span⁡(v1)⊆span⁡(v1,v2)⊆⋯\operatorname{span}(v_1) \subseteq \operatorname{span}(v_1, v_2) \subseteq \cdots를 기록한 것입니다.

정리 24.13 (위삼각화 (슈어의 정리의 대수적 형태)). F=C\mathbb{F} = \mathbb{C}이면 모든 T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V)는 어떤 기저에 대해 위삼각행렬을 갖습니다.

증명. nn에 대한 귀납법. 정리 24.6으로 고유벡터 v1v_1 (Tv1=λ1v1Tv_1 = \lambda_1v_1)을 잡습니다. U=span⁡(v1)U = \operatorname{span}(v_1)은 불변이므로 몫공간 V/UV/U 위의 연산자

T/U∈L(V/U),(T/U)(v+U)=Tv+UT/U \in \mathcal{L}(V/U), \qquad (T/U)(v + U) = Tv + U

가 잘 정의됩니다(v+U=v′+Uv + U = v' + U이면 v−v′∈Uv - v' \in U, T(v−v′)∈UT(v - v') \in U이므로 Tv+U=Tv′+UTv + U = Tv' + U). dim⁡V/U=n−1\dim V/U = n - 1이므로 귀납 가정에 의해 V/UV/U의 기저 v2+U,…,vn+Uv_2 + U, \ldots, v_n + U가 있어 각 kk에 대해

(T/U)(vk+U)∈span⁡(v2+U,…,vk+U).(T/U)(v_k + U) \in \operatorname{span}(v_2 + U, \ldots, v_k + U).

이것은 Tvk−(a2v2+⋯+akvk)∈UTv_k - (a_2v_2 + \cdots + a_kv_k) \in U, 즉 Tvk∈span⁡(v1,v2,…,vk)Tv_k \in \operatorname{span}(v_1, v_2, \ldots, v_k)라는 뜻입니다. v1,…,vnv_1, \ldots, v_n은 VV의 기저이고(문제 24.11), 정리 24.12(2)를 만족합니다. ■

몫공간이 진가를 발휘하는 증명입니다. 고유벡터 하나를 찾으면, 그 방향을 “접어 버린” 작은 공간에서 같은 일을 반복합니다. 17장의 스펙트럴 정리는 같은 귀납이었지만 직교여공간을 썼습니다. 내적이 없으면 직교여공간 대신 몫공간을 씁니다.

정리 24.14 (위삼각행렬에서 읽는 것). M(T)\mathcal{M}(T)가 위삼각이고 대각성분이 λ1,…,λn\lambda_1, \ldots, \lambda_n이면

  1. TT의 고윳값은 정확히 λ1,…,λn\lambda_1, \ldots, \lambda_n입니다.
  2. TT가 가역인 것은 모든 λk≠0\lambda_k \ne 0인 것과 동치입니다.
  3. (T−λ1I)⋯(T−λnI)=0(T - \lambda_1I) \cdots (T - \lambda_nI) = 0.

증명. (2) 어떤 λk=0\lambda_k = 0이면 TT는 span⁡(v1,…,vk)\operatorname{span}(v_1, \ldots, v_k)를 span⁡(v1,…,vk−1)\operatorname{span}(v_1, \ldots, v_{k-1}) 안으로 보내므로 그 부분공간에서 단사가 아닙니다(차원이 줄어듭니다). 모두 0이 아니면 Tvk=λkvkTv_k = \lambda_kv_k + (앞의 것들)에서 귀납적으로 모든 vkv_k가 치역에 있어 전사. (1) T−λIT - \lambda I의 행렬은 대각이 λk−λ\lambda_k - \lambda인 위삼각입니다. (2)에 의해 λ\lambda가 고윳값   ⟺  \iff 어떤 λk=λ\lambda_k = \lambda. (3) (T−λkI)(T - \lambda_kI)는 span⁡(v1,…,vk)\operatorname{span}(v_1, \ldots, v_k)를 span⁡(v1,…,vk−1)\operatorname{span}(v_1, \ldots, v_{k-1})로 보냅니다(kk번째 대각이 0이 되므로). 오른쪽부터 차례로 적용하면 V=span⁡(v1,…,vn)V = \operatorname{span}(v_1, \ldots, v_n)이 한 단계씩 줄어 결국 {0}\{0\}이 됩니다. ■

(3)은 q(z)=(z−λ1)⋯(z−λn)q(z) = (z - \lambda_1) \cdots (z - \lambda_n)이 q(T)=0q(T) = 0을 만족한다는 것입니다. 이 qq가 27장의 특성다항식이고, (3)이 케일리–해밀턴 정리이며, 그래서 deg⁡mT≤n\deg m_T \le n입니다.

▶ 문제 24.11–24.13

24.6 대각화 가능성

정리 24.15 (대각화 가능의 동치 조건). λ1,…,λm\lambda_1, \ldots, \lambda_m이 TT의 서로 다른 고윳값 전부일 때, 다음은 동치입니다.

  1. TT는 대각화 가능합니다(고유벡터로 된 기저가 있습니다).
  2. V=E(λ1,T)⊕⋯⊕E(λm,T)V = E(\lambda_1, T) \oplus \cdots \oplus E(\lambda_m, T).
  3. dim⁡V=dim⁡E(λ1,T)+⋯+dim⁡E(λm,T)\dim V = \dim E(\lambda_1, T) + \cdots + \dim E(\lambda_m, T).
  4. 최소다항식이 서로 다른 일차식들의 곱입니다: mT(z)=(z−λ1)⋯(z−λm)m_T(z) = (z - \lambda_1) \cdots (z - \lambda_m).

증명. 고유공간들의 합은 언제나 직합입니다(정리 24.5를 각 고유공간의 원소에 적용). 따라서 합의 차원은 각 차원의 합이고, (1)   ⟺  \iff (2)   ⟺  \iff (3)이 나옵니다.

(1)⇒(4): 고유벡터 기저의 각 vv에 대해 (T−λ1I)⋯(T−λmI)v=0(T - \lambda_1I) \cdots (T - \lambda_mI)v = 0입니다(vv의 고윳값에 해당하는 인수가 vv를 죽이고, 인수들은 교환합니다). 따라서 이 다항식이 TT를 0으로 만듭니다. 정리 24.10에 의해 mTm_T는 각 (z−λj)(z - \lambda_j)를 인수로 가지므로 이것이 최소다항식입니다.

(4)⇒(2): 라그랑주 다항식

Lj(z)=∏i≠jz−λiλj−λiL_j(z) = \prod_{i \ne j}\frac{z - \lambda_i}{\lambda_j - \lambda_i}

을 생각합시다. Lj(λk)=1L_j(\lambda_k) = 1 (k=jk = j), 00 (k≠jk \ne j)이므로 ∑jLj(z)−1\sum_j L_j(z) - 1은 차수 m−1m - 1 이하이고 근이 mm개, 즉 영다항식입니다(따름정리 23.4). 따라서

I=L1(T)+⋯+Lm(T).I = L_1(T) + \cdots + L_m(T).

모든 vv를 v=∑jLj(T)vv = \sum_j L_j(T)v로 쓸 수 있습니다. 그런데 (T−λjI)Lj(T)=cjmT(T)=0(T - \lambda_jI)L_j(T) = c_jm_T(T) = 0 (cjc_j는 상수)이므로 Lj(T)v∈E(λj,T)L_j(T)v \in E(\lambda_j, T)입니다. 따라서 V=∑jE(λj,T)V = \sum_j E(\lambda_j, T)이고, 이 합은 직합입니다. ■

(4)⇒(2)의 증명에서 Lj(T)L_j(T)는 VV를 jj번째 고유공간으로 사영하는 연산자입니다. 대칭행렬의 스펙트럴 분해 S=∑λjS = \sum\lambda_j(사영)를 내적 없이 만든 것입니다.

예제 24.16.

  • A2=AA^2 = A (사영)이면 mAm_A는 z2−z=z(z−1)z^2 - z = z(z - 1)을 나누므로 중근이 없고, 대각화 가능합니다.
  • Ak=IA^k = I (어떤 k≥1k \ge 1, F=C\mathbb{F} = \mathbb{C})이면 mAm_A는 zk−1z^k - 1을 나누고, zk−1z^k - 1은 서로 다른 kk개의 근(1의 kk제곱근)을 가지므로 대각화 가능합니다.
  • N2=0N^2 = 0, N≠0N \ne 0이면 mN=z2m_N = z^2이므로 대각화 불가능합니다.

고윳값을 하나도 계산하지 않고 대각화 가능성을 판정했습니다.

▶ 문제 24.14–24.16

24.7 교환하는 연산자

정리 24.17 (교환하면 공통 고유벡터). F=C\mathbb{F} = \mathbb{C}이고 ST=TSST = TS이면 SS와 TT는 공통 고유벡터를 갖습니다.

증명. TT의 고윳값 λ\lambda를 잡읍시다. E=E(λ,T)E = E(\lambda, T)는 SS에 대해 불변입니다: v∈Ev \in E이면 T(Sv)=S(Tv)=λSvT(Sv) = S(Tv) = \lambda Sv이므로 Sv∈ESv \in E. 정리 24.6을 S∣E∈L(E)S|_E \in \mathcal{L}(E)에 적용하면 SS의 고유벡터 v∈Ev \in E가 있고, 이것은 TT의 고유벡터이기도 합니다. ■

같은 논리로, 교환하는 두 대각화 가능 연산자는 동시에 대각화됩니다(같은 기저에서 둘 다 대각). 양자역학에서 “동시에 측정할 수 있는 물리량”이 교환하는 연산자로 표현되는 이유가 이것입니다.

▶ 문제 24.17

쓰이는 곳. 동역학계에서 불변부분공간은 '한번 들어가면 빠져나오지 못하는 방향'이고, 최소다항식은 행렬 함수 f(A)f(A)를 계산하는 데 쓰입니다.

이 장의 요약

  • 불변부분공간: TT가 밖으로 내보내지 않는 부분공간. 1차원 불변부분공간 = 고유벡터.
  • λ\lambda가 고윳값   ⟺  \iff T−λIT - \lambda I가 단사/전사/가역이 아닙니다.
  • 복소 유한차원 공간의 연산자는 고윳값을 갖습니다(v,Tv,…,Tnvv, Tv, \ldots, T^nv의 종속관계 + 대수학의 기본정리).
  • 최소다항식 mTm_T: TT를 0으로 만드는 가장 작은 모닉 다항식. 다른 소멸다항식을 모두 나누고, 근은 정확히 고윳값.
  • C\mathbb{C} 위에서 모든 연산자는 위삼각화됩니다. 대각이 고윳값이고, ∏(T−λkI)=0\prod(T - \lambda_kI) = 0.
  • 대각화 가능   ⟺  \iff 고유공간들의 직합이 VV   ⟺  \iff mTm_T가 중근이 없습니다.
  • 교환하는 연산자는 공통 고유벡터를 갖습니다.

문제

24.1 [계산]

R2\mathbb{R}^2에서 다음 연산자의 불변부분공간을 모두 구합니다. (a) 90∘90^\circ 회전 (b) diag⁡(2,3)\operatorname{diag}(2, 3) (c) diag⁡(2,2)\operatorname{diag}(2, 2)

풀이

(a) {0}\{0\}, R2\mathbb{R}^2뿐(1차원 불변부분공간 = 고유벡터가 없습니다). (b) {0}\{0\}, xx축, yy축, R2\mathbb{R}^2. (c) 2I2I이므로 모든 부분공간.

24.2 [증명]

ST=TSST = TS이면 null⁡S\operatorname{null} S와 range⁡S\operatorname{range} S는 TT에 대해 불변임을 보입니다.

풀이

v∈null⁡Sv \in \operatorname{null} S이면 S(Tv)=T(Sv)=T0=0S(Tv) = T(Sv) = T0 = 0. Sv∈range⁡SSv \in \operatorname{range} S이면 T(Sv)=S(Tv)∈range⁡ST(Sv) = S(Tv) \in \operatorname{range} S.

24.3 [계산]

(a) 미분 D∈L(P3(R))D \in \mathcal{L}(\mathcal{P}_3(\mathbb{R}))의 고윳값과 고유벡터를 구합니다. (b) F∞\mathbb{F}^\infty의 왼쪽 밀기 L(x1,x2,…)=(x2,x3,…)L(x_1, x_2, \ldots) = (x_2, x_3, \ldots)에 대해 모든 λ∈F\lambda \in \mathbb{F}가 고윳값임을 보입니다. (c) 오른쪽 밀기 R(x1,x2,…)=(0,x1,x2,…)R(x_1, x_2, \ldots) = (0, x_1, x_2, \ldots)는 고윳값이 없음을 보입니다.

풀이

(a) Dp=λpDp = \lambda p에서 λ≠0\lambda \ne 0이면 차수 비교로 p=0p = 0. λ=0\lambda = 0: 상수 다항식. 고윳값은 0뿐.

(b) v=(1,λ,λ2,…)v = (1, \lambda, \lambda^2, \ldots)이면 Lv=(λ,λ2,…)=λvLv = (\lambda, \lambda^2, \ldots) = \lambda v.

(c) Rv=λvRv = \lambda v이면 첫 성분 0=λx10 = \lambda x_1, 다음 x1=λx2x_1 = \lambda x_2, ⋯\cdots. λ=0\lambda = 0이면 Rv=0Rv = 0에서 v=0v = 0. λ≠0\lambda \ne 0이면 x1=0x_1 = 0, 그다음 x2=x1/λ=0x_2 = x_1/\lambda = 0, ⋯\cdots, v=0v = 0.

24.4 [증명]

TT가 가역이면 λ\lambda가 TT의 고윳값인 것과 1λ\frac1\lambda이 T−1T^{-1}의 고윳값인 것이 동치이고, 고유벡터도 같음을 보입니다.

풀이

Tv=λvTv = \lambda v이면 TT가 가역이라 λ≠0\lambda \ne 0 (v≠0v \ne 0), v=T−1Tv=λT−1vv = T^{-1}Tv = \lambda T^{-1}v이므로 T−1v=1λvT^{-1}v = \frac1\lambda v. 역방향도 같은 논리.

24.5 [계산]

T∈L(C2)T \in \mathcal{L}(\mathbb{C}^2), T=[0−110]T = \begin{bmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix}에 정리 24.6의 증명을 그대로 적용해 봅니다. v=e1v = e_1에서 시작해 종속관계와 다항식을 구하고, 인수분해에서 고유벡터를 찾습니다.

풀이

v=e1v = e_1, Tv=e2Tv = e_2, T2v=−e1T^2v = -e_1. 관계: T2v+v=0T^2v + v = 0, p(z)=z2+1=(z−i)(z+i)p(z) = z^2 + 1 = (z - i)(z + i). (T−iI)(T+iI)e1=0(T - iI)(T + iI)e_1 = 0. (T+iI)e1=(i,1)≠0(T + iI)e_1 = (i, 1) \ne 0이므로 이것이 고윳값 ii의 고유벡터. 확인: T(i,1)=(−1,i)=i(i,1)T(i, 1) = (-1, i) = i(i, 1).

24.6 [도전]

VV가 유한차원 실벡터공간이면 모든 T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V)는 1차원 또는 2차원 불변부분공간을 가짐을 보입니다.

힌트. 정리 24.6의 증명을 따라가되, 다항식을 실수 범위에서 인수분해합니다(정리 23.8).

풀이

v≠0v \ne 0, v,Tv,…,Tnvv, Tv, \ldots, T^nv의 종속관계에서 상수가 아닌 실다항식 pp로 p(T)v=0p(T)v = 0. pp를 실수 일차식과 이차식으로 인수분해하면 p(T)p(T)는 그 인수들의 곱이고, 어떤 인수 q(T)q(T)가 단사가 아닙니다. q(z)=z−λq(z) = z - \lambda이면 고유벡터, 1차원 불변. q(z)=z2+bz+cq(z) = z^2 + bz + c이면 q(T)u=0q(T)u = 0인 u≠0u \ne 0이 있고 T2u=−bTu−cuT^2u = -bTu - cu이므로 span⁡(u,Tu)\operatorname{span}(u, Tu)가 불변(차원 1 또는 2).

24.7 [계산] · 확인 문제

최소다항식을 구합니다. 표에는 최소다항식의 차수를 적습니다.

(a) I2(b) [1101](c) [0110](d) diag⁡(2,3,3)(e) [010001000]\text{(a)}\ I_2 \qquad \text{(b)}\ \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} \qquad \text{(c)}\ \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix} \qquad \text{(d)}\ \operatorname{diag}(2, 3, 3) \qquad \text{(e)}\ \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}
(a) (b) (c) (d) (e)
[?] [?] [?] [?] [?]
정답
1
2
2
2
3
풀이

(a) z−1z - 1. (b) (z−1)2(z - 1)^2 (A−I≠OA - I \ne O, (A−I)2=O(A - I)^2 = O). (c) z2−1z^2 - 1 (고윳값 ±1\pm1, 둘 다 필요; A2=IA^2 = I). (d) (z−2)(z−3)(z - 2)(z - 3). (e) z3z^3 (N2≠ON^2 \ne O, N3=ON^3 = O).

24.8 [계산] · 확인 문제

미분 D∈L(P3(R))D \in \mathcal{L}(\mathcal{P}_3(\mathbb{R}))의 최소다항식을 구합니다. 그 차수를 적습니다.

정답
4
풀이

D4=0D^4 = 0이고 D3x3=6≠0D^3x^3 = 6 \ne 0이므로 mD=z4m_D = z^4. 이 경우 deg⁡mD=dim⁡V\deg m_D = \dim V.

24.9 [증명]

TT가 가역인 것은 mTm_T의 상수항이 0이 아닌 것과 동치임을 보입니다. 이때 T−1T^{-1}은 TT의 다항식으로 쓸 수 있음을 보입니다.

풀이

상수항 =mT(0)= m_T(0)이고, mT(0)=0  ⟺  0m_T(0) = 0 \iff 0이 고윳값   ⟺  \iff TT가 가역이 아님. mT(z)=zk+⋯+a1z+a0m_T(z) = z^k + \cdots + a_1z + a_0, a0≠0a_0 \ne 0이면 T(Tk−1+⋯+a1I)=−a0IT(T^{k-1} + \cdots + a_1I) = -a_0I이므로 T−1=−1a0(Tk−1+⋯+a1I)T^{-1} = -\frac{1}{a_0}(T^{k-1} + \cdots + a_1I).

24.10 [계산] · 확인 문제

A=[1102]A = \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 2 \end{bmatrix}의 최소다항식을 구하고, 문제 24.9의 방법으로 A−1A^{-1}을 AA의 다항식으로 구합니다. 곱해서 확인합니다.

1열 2열
1행 [?] [?]
2행 [?] [?]
정답
1
-1/2
0
1/2
풀이

mA=(z−1)(z−2)=z2−3z+2m_A = (z - 1)(z - 2) = z^2 - 3z + 2. A−1=−12(A−3I)=12[2−101]=[1−12012]A^{-1} = -\frac12(A - 3I) = \frac12\begin{bmatrix} 2 & -1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & -\frac12 \\ 0 & \frac12 \end{bmatrix}. 확인: AA−1=[1−12+1201]=IAA^{-1} = \begin{bmatrix} 1 & -\frac12 + \frac12 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} = I.

24.11 [증명]

정리 24.13의 증명에서 v1,…,vnv_1, \ldots, v_n이 VV의 기저임을 보입니다.

풀이

nn개이므로 독립만 보이면 됩니다. ∑akvk=0\sum a_kv_k = 0이면 V/UV/U에서 ∑k≥2ak(vk+U)=0+U\sum_{k \ge 2} a_k(v_k + U) = 0 + U (v1∈Uv_1 \in U)이므로 a2=⋯=an=0a_2 = \cdots = a_n = 0. 그러면 a1v1=0a_1v_1 = 0, a1=0a_1 = 0.

24.12 [계산] · 확인 문제

A=[1−113]A = \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ 1 & 3 \end{bmatrix}을 실수 기저로 위삼각화합니다. 고유벡터 하나를 v1=(1,−1)v_1 = (1, -1)로 잡고, v2=(0,1)v_2 = (0, 1)로 잡습니다. 그 기저에서의 행렬을 적습니다.

1열 2열
1행 [?] [?]
2행 [?] [?]
정답
2
-1
0
2
풀이

tr⁡=4\operatorname{tr} = 4, det⁡=4\det = 4: (λ−2)2(\lambda - 2)^2. λ=2\lambda = 2: A−2I=[−1−111]A - 2I = \begin{bmatrix} -1 & -1 \\ 1 & 1 \end{bmatrix}, v1=(1,−1)v_1 = (1, -1). v2=(0,1)v_2 = (0, 1). Av2=(−1,3)=−1⋅v1+2v2Av_2 = (-1, 3) = -1 \cdot v_1 + 2v_2. 행렬 [2−102]\begin{bmatrix} 2 & -1 \\ 0 & 2 \end{bmatrix}.

24.13 [증명]

TT가 어떤 기저에서 대각성분이 모두 0인 위삼각행렬을 가지면 Tn=0T^n = 0임을 보입니다.

풀이

정리 24.14(3)에서 모든 λk=0\lambda_k = 0이므로 Tn=0T^n = 0.

24.14 [계산] · 확인 문제

최소다항식으로 대각화 가능성을 판정합니다. 대각화 가능하면 O, 아니면 X를 적습니다.

행렬 대각화 가능한가
(a) [1101]\begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} [?]
(b) [1102]\begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 2 \end{bmatrix} [?]
(c) A3=AA^3 = A를 만족하는 AA [?]
(d) [0−110]\begin{bmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix}을 R2\mathbb{R}^2 위에서 볼 때 [?]
(d) 같은 행렬을 C2\mathbb{C}^2 위에서 볼 때 [?]
정답
X
O
O
X
O
풀이

(a) m=(z−1)2m = (z - 1)^2: 불가능. (b) m=(z−1)(z−2)m = (z - 1)(z - 2): 가능. (c) mm이 z3−z=z(z−1)(z+1)z^3 - z = z(z - 1)(z + 1)을 나누므로 중근 없음: 가능. (d) m=z2+1m = z^2 + 1. R\mathbb{R}에서는 일차식의 곱이 아니므로(고윳값이 없습니다) 불가능, C\mathbb{C}에서는 (z−i)(z+i)(z - i)(z + i)로 가능.

24.15 [증명]

TT가 대각화 가능하고 UU가 TT에 대해 불변이면, T∣UT|_U도 대각화 가능함을 보입니다.

풀이

mT(T∣U)=mT(T)∣U=0m_T(T|_U) = m_T(T)|_U = 0이므로 mT∣Um_{T|_U}는 mTm_T를 나눕니다(정리 24.9). mTm_T가 중근 없는 일차식들의 곱이면 그 인수도 그렇습니다.

24.16 [계산] · 확인 문제

A=[4−211]A = \begin{bmatrix} 4 & -2 \\ 1 & 1 \end{bmatrix} (고윳값 3, 2)에 대해 라그랑주 다항식으로 L1(A)L_1(A), L2(A)L_2(A)를 구합니다. 각각이 고유벡터 (2,1)(2, 1), (1,1)(1, 1)에 무엇을 하는지 확인하고, L1(A)+L2(A)=IL_1(A) + L_2(A) = I를 확인합니다. 표에는 L1(A)L_1(A) (λ1=3\lambda_1 = 3)를 적습니다.

1열 2열
1행 [?] [?]
2행 [?] [?]
정답
2
-2
1
-1
풀이

λ1=3\lambda_1 = 3, λ2=2\lambda_2 = 2. L1(A)=A−2I3−2=[2−21−1]L_1(A) = \frac{A - 2I}{3 - 2} = \begin{bmatrix} 2 & -2 \\ 1 & -1 \end{bmatrix}, L2(A)=A−3I2−3=[−12−12]L_2(A) = \frac{A - 3I}{2 - 3} = \begin{bmatrix} -1 & 2 \\ -1 & 2 \end{bmatrix}. L1(A)(2,1)=(2,1)L_1(A)(2, 1) = (2, 1), L1(A)(1,1)=(0,0)L_1(A)(1, 1) = (0, 0): 고윳값 3의 고유공간으로의 사영. L2(A)L_2(A)는 반대. 합 =[1001]= \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}.

24.17 [도전]

SS, TT가 대각화 가능하고 ST=TSST = TS이면, 둘 다 대각행렬이 되는 기저가 존재함을 보입니다.

힌트. TT의 각 고유공간은 SS에 대해 불변입니다. 문제 24.15를 씁니다.

풀이

V=⨁E(λj,T)V = \bigoplus E(\lambda_j, T). 각 Ej=E(λj,T)E_j = E(\lambda_j, T)는 SS에 대해 불변(문제 24.2와 같은 논리)이고, 문제 24.15에 의해 S∣EjS|_{E_j}는 대각화 가능합니다. 각 EjE_j에서 SS의 고유벡터 기저를 잡아 합치면, 그 벡터들은 TT의 고유벡터이기도 합니다(EjE_j 안에 있으므로).