내적은 길이와 각도를 재는 도구입니다. 이 장에서는 숫자 목록의 내적을 함수의 내적 ∫f(x)g(x)dx 같은 것까지 넓혀 내적공간을 정의합니다. 그러면 '함수 사이의 거리'나 '함수를 다른 함수들로 가장 잘 근사하기'가 기하 문제가 됩니다. 푸리에 급수와 양자역학의 수학적 바탕입니다(심화).
25.1 길이와 각을 추상화하기
질문. 두 함수 사이의 “거리”나 “각”을 말할 수 있을까요? 복소 벡터 ( 1 , i ) (1, i) ( 1 , i ) 의 길이는 얼마일까요? 1 2 + i 2 = 0 1^2 + i^2 = 0 1 2 + i 2 = 0 이라고 하면 영이 아닌 벡터의 길이가 0이 되어 버립니다. 무엇을 바꿔야 할까요?
20–24장은 길이도 각도 없는 선형대수였습니다. 2장과 13–14장에서는 내적 덕분에 수직, 사영, 최소제곱, 정규직교 기저를 얻었습니다. 이 장에서는 내적을 공리로 정의해 그 결과들을 추상적인 공간으로 옮깁니다. 그러면 함수 공간에서의 “최소제곱 근사”가 곧 푸리에 급수라는 것을 보게 됩니다.
이 장에서 F \mathbb{F} F 는 R \mathbb{R} R 또는 C \mathbb{C} C 이고, a ˉ \bar a a ˉ 는 a a a 의 켤레복소수입니다(a a a 가 실수이면 a ˉ = a \bar a = a a ˉ = a ).
25.2 내적
정의 25.1 (내적). V V V 위의 내적 (inner product)은 u , v ∈ V u, v \in V u , v ∈ V 의 순서쌍에 수 ⟨ u , v ⟩ ∈ F \langle u, v \rangle \in \mathbb{F} ⟨ u , v ⟩ ∈ F 를 대응시키는 함수로, 다음을 만족합니다.
(양수성) ⟨ v , v ⟩ ≥ 0 \langle v, v \rangle \ge 0 ⟨ v , v ⟩ ≥ 0 (특히 실수입니다).
(정부호성) ⟨ v , v ⟩ = 0 ⟺ v = 0 \langle v, v \rangle = 0 \iff v = 0 ⟨ v , v ⟩ = 0 ⟺ v = 0 .
(첫째 자리 선형성) ⟨ a u + b w , v ⟩ = a ⟨ u , v ⟩ + b ⟨ w , v ⟩ \langle au + bw, v \rangle = a\langle u, v \rangle + b\langle w, v \rangle ⟨ a u + b w , v ⟩ = a ⟨ u , v ⟩ + b ⟨ w , v ⟩ .
(켤레 대칭) ⟨ u , v ⟩ = ⟨ v , u ⟩ ‾ \langle u, v \rangle = \overline{\langle v, u \rangle} ⟨ u , v ⟩ = ⟨ v , u ⟩ .
내적이 주어진 벡터공간을 내적공간 (inner product space)이라 합니다.
실수 공간에서는 (4)가 그냥 대칭 ⟨ u , v ⟩ = ⟨ v , u ⟩ \langle u, v \rangle = \langle v, u \rangle ⟨ u , v ⟩ = ⟨ v , u ⟩ 입니다. 복소 공간에서 켤레가 필요한 이유는 (1) 때문입니다. ⟨ i v , i v ⟩ = i ⟨ v , i v ⟩ = i ⟨ i v , v ⟩ ‾ = i i ⟨ v , v ⟩ ‾ = i i ˉ ⟨ v , v ⟩ = ⟨ v , v ⟩ \langle iv, iv \rangle = i\langle v, iv \rangle = i\overline{\langle iv, v \rangle} = i\overline{i\langle v, v \rangle} = i\bar i\langle v, v \rangle = \langle v, v \rangle ⟨ i v , i v ⟩ = i ⟨ v , i v ⟩ = i ⟨ i v , v ⟩ = i i ⟨ v , v ⟩ = i i ˉ ⟨ v , v ⟩ = ⟨ v , v ⟩ 가 되어야 양수성이 유지됩니다. 켤레 없이 정의하면 ⟨ i v , i v ⟩ = i 2 ⟨ v , v ⟩ = − ⟨ v , v ⟩ \langle iv, iv \rangle = i^2\langle v, v \rangle = -\langle v, v \rangle ⟨ i v , i v ⟩ = i 2 ⟨ v , v ⟩ = − ⟨ v , v ⟩ 가 되어 길이의 제곱이 음수가 됩니다.
(3)과 (4)를 합치면 둘째 자리에서는
⟨ u , a v + b w ⟩ = a ˉ ⟨ u , v ⟩ + b ˉ ⟨ u , w ⟩ \langle u, av + bw \rangle = \bar a\langle u, v \rangle + \bar b\langle u, w \rangle ⟨ u , a v + b w ⟩ = a ˉ ⟨ u , v ⟩ + b ˉ ⟨ u , w ⟩
입니다(켤레선형 (conjugate linear)). 물리학 책은 반대로 둘째 자리를 선형으로 잡는 경우가 많으니 주의합시다.
예제 25.2.
R n \mathbb{R}^n R n : ⟨ x , y ⟩ = x T y = ∑ x i y i \langle \mathbf{x}, \mathbf{y} \rangle = \mathbf{x}^T\mathbf{y} = \sum x_iy_i ⟨ x , y ⟩ = x T y = ∑ x i y i (2장의 내적).
C n \mathbb{C}^n C n : ⟨ z , w ⟩ = ∑ z i w ˉ i = w ∗ z \langle \mathbf{z}, \mathbf{w} \rangle = \sum z_i\bar w_i = \mathbf{w}^*\mathbf{z} ⟨ z , w ⟩ = ∑ z i w ˉ i = w ∗ z . (w ∗ = w ˉ T \mathbf{w}^* = \bar{\mathbf{w}}^T w ∗ = w ˉ T 는 켤레전치.) 질문의 ( 1 , i ) (1, i) ( 1 , i ) 는 ⟨ ( 1 , i ) , ( 1 , i ) ⟩ = 1 ⋅ 1 + i ⋅ i ˉ = 2 \langle (1, i), (1, i) \rangle = 1 \cdot 1 + i \cdot \bar i = 2 ⟨( 1 , i ) , ( 1 , i )⟩ = 1 ⋅ 1 + i ⋅ i ˉ = 2 , 길이 2 \sqrt2 2 .
가중 내적: R 2 \mathbb{R}^2 R 2 에서 ⟨ x , y ⟩ = 2 x 1 y 1 + 5 x 2 y 2 \langle \mathbf{x}, \mathbf{y} \rangle = 2x_1y_1 + 5x_2y_2 ⟨ x , y ⟩ = 2 x 1 y 1 + 5 x 2 y 2 . 일반적으로 양정치 S S S 에 대해 ⟨ x , y ⟩ = y T S x \langle \mathbf{x}, \mathbf{y} \rangle = \mathbf{y}^TS\mathbf{x} ⟨ x , y ⟩ = y T S x (문제 25.2).
(†) 연속함수 f , g : [ − 1 , 1 ] → R f, g : [-1, 1] \to \mathbb{R} f , g : [ − 1 , 1 ] → R 에 대해 ⟨ f , g ⟩ = ∫ − 1 1 f ( x ) g ( x ) d x \langle f, g \rangle = \int_{-1}^1 f(x)g(x)\,dx ⟨ f , g ⟩ = ∫ − 1 1 f ( x ) g ( x ) d x . 성질 (2)는 “연속이고 음이 아닌 함수의 적분이 0이면 그 함수는 0”에서 나옵니다.
마지막 예는 R n \mathbb{R}^n R n 의 내적에서 합 ∑ i \sum_i ∑ i 를 적분 ∫ d x \int dx ∫ d x 로 바꾼 것입니다. 함수를 “무한히 많은 성분을 가진 벡터”로 보면 자연스럽습니다.
▶ 문제 25.1–25.3
25.3 노름, 수직, 코시–슈바르츠
정의 25.3 (노름과 수직). ∥ v ∥ = ⟨ v , v ⟩ \lVert v \rVert = \sqrt{\langle v, v \rangle} ∥ v ∥ = ⟨ v , v ⟩ 를 v v v 의 노름 (norm)이라 합니다. ⟨ u , v ⟩ = 0 \langle u, v \rangle = 0 ⟨ u , v ⟩ = 0 이면 u u u 와 v v v 가 수직 (orthogonal)이라 합니다.
정리 25.4 (피타고라스). u ⊥ v u \perp v u ⊥ v 이면 ∥ u + v ∥ 2 = ∥ u ∥ 2 + ∥ v ∥ 2 \lVert u + v \rVert^2 = \lVert u \rVert^2 + \lVert v \rVert^2 ∥ u + v ∥ 2 = ∥ u ∥ 2 + ∥ v ∥ 2 .
증명. ∥ u + v ∥ 2 = ⟨ u + v , u + v ⟩ = ⟨ u , u ⟩ + ⟨ u , v ⟩ + ⟨ v , u ⟩ + ⟨ v , v ⟩ = ∥ u ∥ 2 + ∥ v ∥ 2 \lVert u + v \rVert^2 = \langle u + v, u + v \rangle = \langle u, u \rangle + \langle u, v \rangle + \langle v, u \rangle + \langle v, v \rangle = \lVert u \rVert^2 + \lVert v \rVert^2 ∥ u + v ∥ 2 = ⟨ u + v , u + v ⟩ = ⟨ u , u ⟩ + ⟨ u , v ⟩ + ⟨ v , u ⟩ + ⟨ v , v ⟩ = ∥ u ∥ 2 + ∥ v ∥ 2 . ■
정리 25.5 (수직 분해). v ≠ 0 v \ne 0 v = 0 이면 모든 u u u 는 u = c v + w u = cv + w u = c v + w (w ⊥ v w \perp v w ⊥ v )로 쓰이며, c = ⟨ u , v ⟩ ∥ v ∥ 2 c = \dfrac{\langle u, v \rangle}{\lVert v \rVert^2} c = ∥ v ∥ 2 ⟨ u , v ⟩ 입니다.
증명. w = u − c v w = u - cv w = u − c v 로 두면 ⟨ w , v ⟩ = ⟨ u , v ⟩ − c ∥ v ∥ 2 = 0 \langle w, v \rangle = \langle u, v \rangle - c\lVert v \rVert^2 = 0 ⟨ w , v ⟩ = ⟨ u , v ⟩ − c ∥ v ∥ 2 = 0 인 c c c 가 정확히 위의 값입니다. ■
13장의 직선 위로의 사영입니다. 이것만으로 코시–슈바르츠를 판별식 없이 증명할 수 있습니다.
정리 25.6 (코시–슈바르츠 부등식). ∣ ⟨ u , v ⟩ ∣ ≤ ∥ u ∥ ∥ v ∥ \lvert \langle u, v \rangle \rvert \le \lVert u \rVert\lVert v \rVert ∣⟨ u , v ⟩∣ ≤ ∥ u ∥ ∥ v ∥ . 등호는 한쪽이 다른 쪽의 스칼라배일 때만 성립합니다.
증명. v = 0 v = 0 v = 0 이면 양변이 모두 0이므로 성립합니다. 아니면 u = c v + w u = cv + w u = c v + w (w ⊥ v w \perp v w ⊥ v , c = ⟨ u , v ⟩ / ∥ v ∥ 2 c = \langle u, v \rangle/\lVert v \rVert^2 c = ⟨ u , v ⟩ / ∥ v ∥ 2 )로 쓰고 피타고라스를 쓰면
∥ u ∥ 2 = ∣ c ∣ 2 ∥ v ∥ 2 + ∥ w ∥ 2 ≥ ∣ c ∣ 2 ∥ v ∥ 2 = ∣ ⟨ u , v ⟩ ∣ 2 ∥ v ∥ 2 . \lVert u \rVert^2 = \lvert c \rvert^2\lVert v \rVert^2 + \lVert w \rVert^2 \ge \lvert c \rvert^2\lVert v \rVert^2 = \frac{\lvert \langle u, v \rangle \rvert^2}{\lVert v \rVert^2}. ∥ u ∥ 2 = ∣ c ∣ 2 ∥ v ∥ 2 + ∥ w ∥ 2 ≥ ∣ c ∣ 2 ∥ v ∥ 2 = ∥ v ∥ 2 ∣⟨ u , v ⟩ ∣ 2 .
등호는 w = 0 w = 0 w = 0 , 즉 u = c v u = cv u = c v 일 때. ■
직관. u u u 를 v v v 방향 성분과 수직 성분으로 나누면, u u u 의 길이는 v v v 방향 성분의 길이보다 깁니다. 빗변이 밑변보다 긴 것과 같습니다.
예제 25.7 (†). 함수 내적에 적용하면 ( ∫ − 1 1 f g ) 2 ≤ ∫ − 1 1 f 2 ⋅ ∫ − 1 1 g 2 \left(\int_{-1}^1 fg\right)^2 \le \int_{-1}^1 f^2 \cdot \int_{-1}^1 g^2 ( ∫ − 1 1 f g ) 2 ≤ ∫ − 1 1 f 2 ⋅ ∫ − 1 1 g 2 입니다. 적분 부등식이 기하학적인 사실에서 나왔습니다.
삼각부등식 ∥ u + v ∥ ≤ ∥ u ∥ + ∥ v ∥ \lVert u + v \rVert \le \lVert u \rVert + \lVert v \rVert ∥ u + v ∥ ≤ ∥ u ∥ + ∥ v ∥ 와 평행사변형 법칙 ∥ u + v ∥ 2 + ∥ u − v ∥ 2 = 2 ∥ u ∥ 2 + 2 ∥ v ∥ 2 \lVert u + v \rVert^2 + \lVert u - v \rVert^2 = 2\lVert u \rVert^2 + 2\lVert v \rVert^2 ∥ u + v ∥ 2 + ∥ u − v ∥ 2 = 2 ∥ u ∥ 2 + 2 ∥ v ∥ 2 도 13장, 2장과 같은 증명으로 성립합니다(문제 25.5).
▶ 문제 25.4–25.6
25.4 정규직교 기저
정의 25.8 (정규직교 목록). ⟨ e j , e k ⟩ = δ j k \langle e_j, e_k \rangle = \delta_{jk} ⟨ e j , e k ⟩ = δ j k (j = k j = k j = k 이면 1, 아니면 0)인 목록을 정규직교 (orthonormal)라 합니다.
예: R 2 \mathbb{R}^2 R 2 에서 ( 1 2 , 1 2 ) \left(\tfrac{1}{\sqrt2}, \tfrac{1}{\sqrt2}\right) ( 2 1 , 2 1 ) , ( − 1 2 , 1 2 ) \left(-\tfrac{1}{\sqrt2}, \tfrac{1}{\sqrt2}\right) ( − 2 1 , 2 1 ) 는 정규직교입니다. 함수에서는 내적을 ⟨ f , g ⟩ = 1 π ∫ − π π f ( x ) g ( x ) d x \langle f, g\rangle = \frac1\pi\int_{-\pi}^{\pi} f(x)g(x)\,dx ⟨ f , g ⟩ = π 1 ∫ − π π f ( x ) g ( x ) d x 로 재면 cos x \cos x cos x , sin x \sin x sin x , cos 2 x \cos 2x cos 2 x , sin 2 x \sin 2x sin 2 x , …가 정규직교 목록이고, 이것이 푸리에 급수의 바탕입니다.
정리 25.9 (정규직교 기저에서의 좌표). e 1 , … , e n e_1, \ldots, e_n e 1 , … , e n 이 V V V 의 정규직교 기저이면 모든 v v v 에 대해
v = ⟨ v , e 1 ⟩ e 1 + ⋯ + ⟨ v , e n ⟩ e n , ∥ v ∥ 2 = ∣ ⟨ v , e 1 ⟩ ∣ 2 + ⋯ + ∣ ⟨ v , e n ⟩ ∣ 2 . v = \langle v, e_1 \rangle e_1 + \cdots + \langle v, e_n \rangle e_n, \qquad \lVert v \rVert^2 = \lvert \langle v, e_1 \rangle \rvert^2 + \cdots + \lvert \langle v, e_n \rangle \rvert^2. v = ⟨ v , e 1 ⟩ e 1 + ⋯ + ⟨ v , e n ⟩ e n , ∥ v ∥ 2 = ∣⟨ v , e 1 ⟩ ∣ 2 + ⋯ + ∣⟨ v , e n ⟩ ∣ 2 .
증명. v = ∑ a j e j v = \sum a_je_j v = ∑ a j e j 이면 ⟨ v , e k ⟩ = ∑ a j ⟨ e j , e k ⟩ = a k \langle v, e_k \rangle = \sum a_j\langle e_j, e_k \rangle = a_k ⟨ v , e k ⟩ = ∑ a j ⟨ e j , e k ⟩ = a k . 둘째 식은 피타고라스를 반복한 것입니다. ■
둘째 식을 파르스발 등식 (Parseval's identity)이라 합니다. 길이의 제곱은 각 방향 성분의 제곱의 합입니다.
정리 25.10 (그람–슈미트). v 1 , … , v m v_1, \ldots, v_m v 1 , … , v m 이 독립이면, 각 k k k 에 대해 span ( e 1 , … , e k ) = span ( v 1 , … , v k ) \operatorname{span}(e_1, \ldots, e_k) = \operatorname{span}(v_1, \ldots, v_k) span ( e 1 , … , e k ) = span ( v 1 , … , v k ) 인 정규직교 목록 e 1 , … , e m e_1, \ldots, e_m e 1 , … , e m 이 있습니다. 구체적으로
f k = v k − ⟨ v k , e 1 ⟩ e 1 − ⋯ − ⟨ v k , e k − 1 ⟩ e k − 1 , e k = f k ∥ f k ∥ . f_k = v_k - \langle v_k, e_1 \rangle e_1 - \cdots - \langle v_k, e_{k-1} \rangle e_{k-1}, \qquad e_k = \frac{f_k}{\lVert f_k \rVert}. f k = v k − ⟨ v k , e 1 ⟩ e 1 − ⋯ − ⟨ v k , e k − 1 ⟩ e k − 1 , e k = ∥ f k ∥ f k .
증명은 14장과 같습니다. 복소수에서는 계수가 ⟨ v k , e j ⟩ \langle v_k, e_j \rangle ⟨ v k , e j ⟩ (순서 주의)인 것만 확인하면 됩니다: ⟨ f k , e j ⟩ = ⟨ v k , e j ⟩ − ⟨ v k , e j ⟩ ⟨ e j , e j ⟩ = 0 \langle f_k, e_j \rangle = \langle v_k, e_j \rangle - \langle v_k, e_j \rangle\langle e_j, e_j \rangle = 0 ⟨ f k , e j ⟩ = ⟨ v k , e j ⟩ − ⟨ v k , e j ⟩ ⟨ e j , e j ⟩ = 0 .
따름정리 25.11 (정규직교 기저의 존재). 모든 유한차원 내적공간은 정규직교 기저를 갖습니다. 또 모든 정규직교 목록은 정규직교 기저로 늘릴 수 있습니다.
정리 25.12 (슈어의 정리). F = C \mathbb{F} = \mathbb{C} F = C 이면 모든 T ∈ L ( V ) T \in \mathcal{L}(V) T ∈ L ( V ) 는 어떤 정규직교 기저에 대해 위삼각행렬을 갖습니다.
증명. 정리 24.13 으로 T T T 를 위삼각으로 만드는 기저 v 1 , … , v n v_1, \ldots, v_n v 1 , … , v n 을 잡습니다. 정리 24.12 에 의해 각 span ( v 1 , … , v k ) \operatorname{span}(v_1, \ldots, v_k) span ( v 1 , … , v k ) 가 불변입니다. 그람–슈미트를 적용하면 span ( e 1 , … , e k ) = span ( v 1 , … , v k ) \operatorname{span}(e_1, \ldots, e_k) = \operatorname{span}(v_1, \ldots, v_k) span ( e 1 , … , e k ) = span ( v 1 , … , v k ) 이므로 같은 부분공간들이 불변이고, 다시 정리 24.12 에 의해 e 1 , … , e n e_1, \ldots, e_n e 1 , … , e n 에 대해서도 위삼각입니다. ■
행렬로는 모든 복소 정사각행렬 A A A 를 A = Q T Q ∗ A = QTQ^* A = QT Q ∗ (Q Q Q 는 유니터리, T T T 는 위삼각)로 쓸 수 있다는 뜻입니다. 대각화는 안 될 수 있지만, 직교하는 좌표계에서 삼각화는 항상 됩니다. 26장의 스펙트럴 정리는 이 정리에서 바로 나옵니다.
▶ 문제 25.7–25.10
25.5 리스 표현 정리
정리 25.13 (리스 표현 정리). V V V 가 유한차원 내적공간이면, V V V 위의 모든 선형범함수 φ \varphi φ 에 대해
φ ( v ) = ⟨ v , u ⟩ ( ∀ v ∈ V ) \varphi(v) = \langle v, u \rangle \quad (\forall v \in V) φ ( v ) = ⟨ v , u ⟩ ( ∀ v ∈ V )
인 u ∈ V u \in V u ∈ V 가 정확히 하나 존재합니다.
증명. 존재: 정규직교 기저 e 1 , … , e n e_1, \ldots, e_n e 1 , … , e n 을 잡고 u = φ ( e 1 ) ‾ e 1 + ⋯ + φ ( e n ) ‾ e n u = \overline{\varphi(e_1)}e_1 + \cdots + \overline{\varphi(e_n)}e_n u = φ ( e 1 ) e 1 + ⋯ + φ ( e n ) e n 으로 두면
⟨ v , u ⟩ = ∑ j φ ( e j ) ⟨ v , e j ⟩ = φ ( ∑ j ⟨ v , e j ⟩ e j ) = φ ( v ) . \langle v, u \rangle = \sum_j \varphi(e_j)\langle v, e_j \rangle = \varphi\left(\sum_j \langle v, e_j \rangle e_j\right) = \varphi(v). ⟨ v , u ⟩ = j ∑ φ ( e j ) ⟨ v , e j ⟩ = φ ( j ∑ ⟨ v , e j ⟩ e j ) = φ ( v ) .
유일: ⟨ v , u ⟩ = ⟨ v , u ′ ⟩ \langle v, u \rangle = \langle v, u' \rangle ⟨ v , u ⟩ = ⟨ v , u ′ ⟩ 가 모든 v v v 에 대해 성립하면 ⟨ v , u − u ′ ⟩ = 0 \langle v, u - u' \rangle = 0 ⟨ v , u − u ′ ⟩ = 0 이고, v = u − u ′ v = u - u' v = u − u ′ 을 넣으면 u = u ′ u = u' u = u ′ . ■
22장의 쌍대공간 V ′ V' V ′ 의 모든 원소가 “어떤 벡터와의 내적”으로 표현된다는 뜻입니다. 내적이 있으면 V ′ V' V ′ 를 V V V 와 동일시할 수 있습니다. R n \mathbb{R}^n R n 에서 행벡터 a T \mathbf{a}^T a T 와 열벡터 a \mathbf{a} a 를 같은 것으로 보는 이유가 이것입니다.
예제 25.14 (†). P 2 ( R ) \mathcal{P}_2(\mathbb{R}) P 2 ( R ) 에서 ⟨ p , q ⟩ = ∫ − 1 1 p q \langle p, q \rangle = \int_{-1}^1 pq ⟨ p , q ⟩ = ∫ − 1 1 pq , φ ( p ) = p ( 0 ) \varphi(p) = p(0) φ ( p ) = p ( 0 ) 이라 합시다. 리스 정리에 의해 모든 p ∈ P 2 ( R ) p \in \mathcal{P}_2(\mathbb{R}) p ∈ P 2 ( R ) 에 대해 p ( 0 ) = ∫ − 1 1 p ( x ) u ( x ) d x p(0) = \int_{-1}^1 p(x)u(x)\,dx p ( 0 ) = ∫ − 1 1 p ( x ) u ( x ) d x 인 다항식 u u u 가 있습니다. 계산하면 u ( x ) = 9 8 − 15 8 x 2 u(x) = \frac98 - \frac{15}{8}x^2 u ( x ) = 8 9 − 8 15 x 2 입니다(문제 25.12). 한 점에서의 값이 적분으로 표현되었습니다.
▶ 문제 25.11–25.12
25.6 직교여공간과 사영
정의 25.15 (직교여공간). U ⊆ V U \subseteq V U ⊆ V 에 대해 U ⊥ = { v ∈ V : ⟨ v , u ⟩ = 0 ∀ u ∈ U } U^\perp = \{v \in V : \langle v, u \rangle = 0\ \forall u \in U\} U ⊥ = { v ∈ V : ⟨ v , u ⟩ = 0 ∀ u ∈ U } .
예: R 3 \mathbb{R}^3 R 3 에서 U U U 가 z z z 축이면 U ⊥ U^\perp U ⊥ 는 x y xy x y 평면입니다. U U U 가 평면 x + y + z = 0 x + y + z = 0 x + y + z = 0 이면 U ⊥ U^\perp U ⊥ 는 법선벡터 ( 1 , 1 , 1 ) (1, 1, 1) ( 1 , 1 , 1 ) 이 생성하는 직선입니다.
정리 25.16 (직교 분해). U U U 가 유한차원 부분공간이면
V = U ⊕ U ⊥ , ( U ⊥ ) ⊥ = U . V = U \oplus U^\perp, \qquad (U^\perp)^\perp = U. V = U ⊕ U ⊥ , ( U ⊥ ) ⊥ = U .
증명. U U U 의 정규직교 기저 e 1 , … , e m e_1, \ldots, e_m e 1 , … , e m 을 잡고, v ∈ V v \in V v ∈ V 에 대해
u = ⟨ v , e 1 ⟩ e 1 + ⋯ + ⟨ v , e m ⟩ e m , w = v − u u = \langle v, e_1 \rangle e_1 + \cdots + \langle v, e_m \rangle e_m, \qquad w = v - u u = ⟨ v , e 1 ⟩ e 1 + ⋯ + ⟨ v , e m ⟩ e m , w = v − u
로 두면 u ∈ U u \in U u ∈ U 이고 ⟨ w , e k ⟩ = ⟨ v , e k ⟩ − ⟨ v , e k ⟩ = 0 \langle w, e_k \rangle = \langle v, e_k \rangle - \langle v, e_k \rangle = 0 ⟨ w , e k ⟩ = ⟨ v , e k ⟩ − ⟨ v , e k ⟩ = 0 이므로 w ∈ U ⊥ w \in U^\perp w ∈ U ⊥ . 따라서 V = U + U ⊥ V = U + U^\perp V = U + U ⊥ . U ∩ U ⊥ U \cap U^\perp U ∩ U ⊥ 의 원소는 자기 자신과 수직이므로 0. 둘째 식은 문제 25.13. ■
정의 25.17 (직교사영). v = u + w v = u + w v = u + w (u ∈ U u \in U u ∈ U , w ∈ U ⊥ w \in U^\perp w ∈ U ⊥ )일 때 P U v = u P_Uv = u P U v = u 로 정의한 P U ∈ L ( V ) P_U \in \mathcal{L}(V) P U ∈ L ( V ) 를 U U U 위로의 직교사영 (orthogonal projection)이라 합니다. U U U 의 정규직교 기저로
P U v = ⟨ v , e 1 ⟩ e 1 + ⋯ + ⟨ v , e m ⟩ e m . P_Uv = \langle v, e_1 \rangle e_1 + \cdots + \langle v, e_m \rangle e_m. P U v = ⟨ v , e 1 ⟩ e 1 + ⋯ + ⟨ v , e m ⟩ e m .
예: U U U 가 R 2 \mathbb{R}^2 R 2 의 x x x 축이면 e 1 = ( 1 , 0 ) e_1 = (1, 0) e 1 = ( 1 , 0 ) 이고 P U ( 3 , 4 ) = ⟨ ( 3 , 4 ) , e 1 ⟩ e 1 = ( 3 , 0 ) P_U(3, 4) = \langle (3, 4), e_1\rangle e_1 = (3, 0) P U ( 3 , 4 ) = ⟨( 3 , 4 ) , e 1 ⟩ e 1 = ( 3 , 0 ) 입니다. 빛을 위에서 비출 때 x x x 축에 떨어지는 그림자입니다.
14장의 P = Q Q T P = QQ^T P = Q Q T 입니다. 직교사영의 성질: P U 2 = P U P_U^2 = P_U P U 2 = P U , range P U = U \operatorname{range} P_U = U range P U = U , null P U = U ⊥ \operatorname{null} P_U = U^\perp null P U = U ⊥ , ∥ P U v ∥ ≤ ∥ v ∥ \lVert P_Uv \rVert \le \lVert v \rVert ∥ P U v ∥ ≤ ∥ v ∥ .
정리 25.18 (최소화). U U U 가 유한차원 부분공간이고 v ∈ V v \in V v ∈ V 이면, 모든 u ∈ U u \in U u ∈ U 에 대해
∥ v − P U v ∥ ≤ ∥ v − u ∥ \lVert v - P_Uv \rVert \le \lVert v - u \rVert ∥ v − P U v ∥ ≤ ∥ v − u ∥
이고, 등호는 u = P U v u = P_Uv u = P U v 일 때만 성립합니다. 즉 P U v P_Uv P U v 는 U U U 에서 v v v 에 가장 가까운 점입니다.
증명. v − u = ( v − P U v ) + ( P U v − u ) v - u = (v - P_Uv) + (P_Uv - u) v − u = ( v − P U v ) + ( P U v − u ) 에서 첫째는 U ⊥ U^\perp U ⊥ , 둘째는 U U U 에 있으므로 피타고라스에 의해 ∥ v − u ∥ 2 = ∥ v − P U v ∥ 2 + ∥ P U v − u ∥ 2 \lVert v - u \rVert^2 = \lVert v - P_Uv \rVert^2 + \lVert P_Uv - u \rVert^2 ∥ v − u ∥ 2 = ∥ v − P U v ∥ 2 + ∥ P U v − u ∥ 2 . ■
13장의 최소제곱 정리와 같은 증명입니다. 그런데 이제 V V V 는 함수 공간일 수도 있습니다.
25.7 (†) 함수의 근사와 푸리에 급수
질문. 구간 [ − π , π ] [-\pi, \pi] [ − π , π ] 에서 함수 f ( x ) = x f(x) = x f ( x ) = x 를 sin x , sin 2 x , … \sin x, \sin 2x, \ldots sin x , sin 2 x , … 의 일차결합으로 가장 잘 근사하려면 계수를 어떻게 정해야 할까요?
[ − π , π ] [-\pi, \pi] [ − π , π ] 위의 연속함수 공간에 내적 ⟨ f , g ⟩ = ∫ − π π f ( x ) g ( x ) d x \langle f, g \rangle = \int_{-\pi}^{\pi} f(x)g(x)\,dx ⟨ f , g ⟩ = ∫ − π π f ( x ) g ( x ) d x 를 줍시다. 적분 계산으로 다음을 확인할 수 있습니다.
⟨ sin j x , sin k x ⟩ = { π ( j = k ) 0 ( j ≠ k ) , ⟨ cos j x , sin k x ⟩ = 0 , ⟨ 1 , sin k x ⟩ = 0. \langle \sin jx, \sin kx \rangle = \begin{cases} \pi & (j = k) \\ 0 & (j \ne k) \end{cases}, \qquad \langle \cos jx, \sin kx \rangle = 0, \qquad \langle 1, \sin kx \rangle = 0. ⟨ sin j x , sin k x ⟩ = { π 0 ( j = k ) ( j = k ) , ⟨ cos j x , sin k x ⟩ = 0 , ⟨ 1 , sin k x ⟩ = 0.
즉 1 , cos x , sin x , cos 2 x , sin 2 x , … 1, \cos x, \sin x, \cos 2x, \sin 2x, \ldots 1 , cos x , sin x , cos 2 x , sin 2 x , … 는 서로 수직입니다. 정규화하면 정규직교 목록이 됩니다.
U N = span ( 1 , cos x , sin x , … , cos N x , sin N x ) U_N = \operatorname{span}(1, \cos x, \sin x, \ldots, \cos Nx, \sin Nx) U N = span ( 1 , cos x , sin x , … , cos N x , sin N x ) 라 하면, f f f 에 가장 가까운 U N U_N U N 의 원소는 정리 25.18 에 의해 직교사영
P U N f = a 0 2 + ∑ k = 1 N ( a k cos k x + b k sin k x ) , a k = 1 π ∫ − π π f ( x ) cos k x d x , b k = 1 π ∫ − π π f ( x ) sin k x d x P_{U_N}f = \frac{a_0}{2} + \sum_{k=1}^N (a_k\cos kx + b_k\sin kx), \qquad a_k = \frac1\pi\int_{-\pi}^{\pi} f(x)\cos kx\,dx, \qquad b_k = \frac1\pi\int_{-\pi}^{\pi} f(x)\sin kx\,dx P U N f = 2 a 0 + k = 1 ∑ N ( a k cos k x + b k sin k x ) , a k = π 1 ∫ − π π f ( x ) cos k x d x , b k = π 1 ∫ − π π f ( x ) sin k x d x
입니다. 이것이 푸리에 급수의 부분합입니다. 계수 공식은 “정규직교 기저에서 좌표는 내적”(정리 25.9 )을 그대로 쓴 것입니다.
f ( x ) = x f(x) = x f ( x ) = x 이면 홀함수이므로 a k = 0 a_k = 0 a k = 0 이고, 부분적분으로 b k = 2 ( − 1 ) k + 1 k b_k = \dfrac{2(-1)^{k+1}}{k} b k = k 2 ( − 1 ) k + 1 입니다. 따라서
x ≈ 2 ( sin x − sin 2 x 2 + sin 3 x 3 − ⋯ ) . x \approx 2\left(\sin x - \frac{\sin 2x}{2} + \frac{\sin 3x}{3} - \cdots\right). x ≈ 2 ( sin x − 2 sin 2 x + 3 sin 3 x − ⋯ ) .
항의 개수 N을 늘리면 톱니파 f(x) = x에 대한 직교사영(푸리에 부분합)이 원래 함수에 가까워집니다 이 위젯은 JavaScript가 필요합니다
직관. 푸리에 급수는 함수를 “서로 수직인 진동들”로 분해하는 것입니다. 신호처리에서 소리를 주파수 성분으로 나누는 것, 이미지 압축(JPEG)에서 블록을 코사인 성분으로 나누는 것이 모두 이 직교 분해입니다. 행렬의 언어로는 R n \mathbb{R}^n R n 에서 정규직교 기저 q k \mathbf{q}_k q k 를 써서 x = ∑ ( q k T x ) q k \mathbf{x} = \sum (\mathbf{q}_k^T\mathbf{x})\mathbf{q}_k x = ∑ ( q k T x ) q k 로 쓰는 것과 같습니다(14장). 유한한 경우가 이산 푸리에 변환(DFT)입니다.
▶ 문제 25.13–25.15
쓰이는 곳. 함수의 내적 ⟨ f , g ⟩ = ∫ f g \langle f, g\rangle = \int f g ⟨ f , g ⟩ = ∫ f g 는 푸리에 계수, 최소제곱 함수 근사, 양자역학의 확률 진폭 ⟨ ψ ∣ ϕ ⟩ \langle\psi|\phi\rangle ⟨ ψ ∣ ϕ ⟩ 에 쓰입니다. 커널 방법은 데이터를 내적이 정의된 큰 공간으로 보내는 기법입니다.
이 장의 요약
내적: 양수성, 정부호성, 첫째 자리 선형, 켤레 대칭. 복소수에서는 ⟨ z , w ⟩ = ∑ z i w ˉ i \langle \mathbf{z}, \mathbf{w} \rangle = \sum z_i\bar w_i ⟨ z , w ⟩ = ∑ z i w ˉ i .
피타고라스, 수직 분해, 코시–슈바르츠, 삼각부등식이 공리만으로 증명됩니다.
정규직교 기저에서 v = ∑ ⟨ v , e j ⟩ e j v = \sum \langle v, e_j \rangle e_j v = ∑ ⟨ v , e j ⟩ e j , ∥ v ∥ 2 = ∑ ∣ ⟨ v , e j ⟩ ∣ 2 \lVert v \rVert^2 = \sum \lvert \langle v, e_j \rangle \rvert^2 ∥ v ∥ 2 = ∑ ∣⟨ v , e j ⟩ ∣ 2 . 그람–슈미트로 언제나 만들 수 있습니다.
슈어: 복소 연산자는 정규직교 기저에서 위삼각화됩니다.
리스: 모든 선형범함수는 ⟨ ⋅ , u ⟩ \langle \cdot, u \rangle ⟨ ⋅ , u ⟩ 꼴입니다.
V = U ⊕ U ⊥ V = U \oplus U^\perp V = U ⊕ U ⊥ . 직교사영 P U v P_Uv P U v 는 U U U 에서 v v v 에 가장 가까운 점입니다.
함수 공간에서 삼각함수로의 직교사영이 푸리에 급수입니다.
문제
25.1 [계산] · 확인 문제
C 2 \mathbb{C}^2 C 2 에서 u = ( 1 , i ) u = (1, i) u = ( 1 , i ) , v = ( 2 , 1 + i ) v = (2, 1 + i) v = ( 2 , 1 + i ) 에 대해 ⟨ u , v ⟩ \langle u, v \rangle ⟨ u , v ⟩ , ⟨ v , u ⟩ \langle v, u \rangle ⟨ v , u ⟩ , ∥ u ∥ \lVert u \rVert ∥ u ∥ , ∥ v ∥ \lVert v \rVert ∥ v ∥ 를 구하고 코시–슈바르츠 부등식을 확인합니다. 노름은 소수 셋째 자리까지 적습니다.
값
실수부
허수부
⟨ u , v ⟩ \langle u, v \rangle ⟨ u , v ⟩
[?]
[?]
⟨ v , u ⟩ \langle v, u \rangle ⟨ v , u ⟩
[?]
[?]
∥ u ∥ \lVert u \rVert ∥ u ∥
[?]
0
∥ v ∥ \lVert v \rVert ∥ v ∥
[?]
0
정답 풀이 ⟨ u , v ⟩ = 1 ⋅ 2 + i ⋅ ( 1 + i ) ‾ = 2 + i ( 1 − i ) = 3 + i \langle u, v \rangle = 1 \cdot 2 + i \cdot \overline{(1 + i)} = 2 + i(1 - i) = 3 + i ⟨ u , v ⟩ = 1 ⋅ 2 + i ⋅ ( 1 + i ) = 2 + i ( 1 − i ) = 3 + i . ⟨ v , u ⟩ = 3 + i ‾ = 3 − i \langle v, u \rangle = \overline{3 + i} = 3 - i ⟨ v , u ⟩ = 3 + i = 3 − i . ∥ u ∥ = 1 + 1 = 2 \lVert u \rVert = \sqrt{1 + 1} = \sqrt2 ∥ u ∥ = 1 + 1 = 2 , ∥ v ∥ = 4 + 2 = 6 \lVert v \rVert = \sqrt{4 + 2} = \sqrt6 ∥ v ∥ = 4 + 2 = 6 . ∣ 3 + i ∣ = 10 ≤ 12 \lvert 3 + i \rvert = \sqrt{10} \le \sqrt{12} ∣ 3 + i ∣ = 10 ≤ 12 .
25.2 [증명]
S S S 가 n × n n \times n n × n 실대칭 양정치 행렬이면 ⟨ x , y ⟩ = y T S x \langle \mathbf{x}, \mathbf{y} \rangle = \mathbf{y}^TS\mathbf{x} ⟨ x , y ⟩ = y T S x 는 R n \mathbb{R}^n R n 위의 내적임을 보입니다.
풀이 첫째 자리 선형: y T S ( a x + b z ) = a y T S x + b y T S z \mathbf{y}^TS(a\mathbf{x} + b\mathbf{z}) = a\mathbf{y}^TS\mathbf{x} + b\mathbf{y}^TS\mathbf{z} y T S ( a x + b z ) = a y T S x + b y T S z . 대칭: y T S x = ( y T S x ) T = x T S y \mathbf{y}^TS\mathbf{x} = (\mathbf{y}^TS\mathbf{x})^T = \mathbf{x}^TS\mathbf{y} y T S x = ( y T S x ) T = x T S y . 양수성·정부호성: x T S x > 0 \mathbf{x}^TS\mathbf{x} > 0 x T S x > 0 (x ≠ 0 \mathbf{x} \ne \mathbf{0} x = 0 ).
25.3 [계산] · 확인 문제
R 2 \mathbb{R}^2 R 2 위의 내적인지 판정합니다. (x = ( x 1 , x 2 ) \mathbf{x} = (x_1, x_2) x = ( x 1 , x 2 ) , y = ( y 1 , y 2 ) \mathbf{y} = (y_1, y_2) y = ( y 1 , y 2 ) .) 내적이면 O, 아니면 X를 적습니다.
식
내적인가
(a) x 1 y 1 + x 1 y 2 + x 2 y 1 + x 2 y 2 x_1y_1 + x_1y_2 + x_2y_1 + x_2y_2 x 1 y 1 + x 1 y 2 + x 2 y 1 + x 2 y 2
[?]
(b) x 1 y 1 − x 2 y 2 x_1y_1 - x_2y_2 x 1 y 1 − x 2 y 2
[?]
(c) 2 x 1 y 1 + x 1 y 2 + x 2 y 1 + 2 x 2 y 2 2x_1y_1 + x_1y_2 + x_2y_1 + 2x_2y_2 2 x 1 y 1 + x 1 y 2 + x 2 y 1 + 2 x 2 y 2
[?]
정답 풀이 (a) ( x 1 + x 2 ) ( y 1 + y 2 ) (x_1 + x_2)(y_1 + y_2) ( x 1 + x 2 ) ( y 1 + y 2 ) , x = ( 1 , − 1 ) \mathbf{x} = (1, -1) x = ( 1 , − 1 ) 이면 ⟨ x , x ⟩ = 0 \langle \mathbf{x}, \mathbf{x} \rangle = 0 ⟨ x , x ⟩ = 0 . 아님.
(b) x = ( 0 , 1 ) \mathbf{x} = (0, 1) x = ( 0 , 1 ) 이면 − 1 < 0 -1 < 0 − 1 < 0 . 아님.
(c) S = [ 2 1 1 2 ] S = \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 2 \end{bmatrix} S = [ 2 1 1 2 ] 는 양정치. 내적.
25.4 [계산] · 확인 문제
(†) [ − 1 , 1 ] [-1, 1] [ − 1 , 1 ] 위의 연속함수에 ⟨ f , g ⟩ = ∫ − 1 1 f g \langle f, g \rangle = \int_{-1}^1 fg ⟨ f , g ⟩ = ∫ − 1 1 f g 를 줍시다. ∥ 1 ∥ \lVert 1 \rVert ∥ 1 ∥ , ∥ x ∥ \lVert x \rVert ∥ x ∥ , ⟨ 1 , x ⟩ \langle 1, x \rangle ⟨ 1 , x ⟩ , ⟨ 1 , x 2 ⟩ \langle 1, x^2 \rangle ⟨ 1 , x 2 ⟩ 을 구하고, 1 1 1 과 x 2 x^2 x 2 사이의 각의 코사인을 구합니다. 소수 셋째 자리까지 적습니다.
∥ 1 ∥ \lVert 1 \rVert ∥ 1 ∥
∥ x ∥ \lVert x \rVert ∥ x ∥
⟨ 1 , x ⟩ \langle 1, x \rangle ⟨ 1 , x ⟩
⟨ 1 , x 2 ⟩ \langle 1, x^2 \rangle ⟨ 1 , x 2 ⟩
cos θ \cos\theta cos θ
[?]
[?]
[?]
[?]
[?]
정답 1.414
0.816
0
0.667
0.745
풀이 ∥ 1 ∥ = 2 \lVert 1 \rVert = \sqrt2 ∥ 1 ∥ = 2 , ∥ x ∥ = 2 / 3 \lVert x \rVert = \sqrt{2/3} ∥ x ∥ = 2/3 , ⟨ 1 , x ⟩ = 0 \langle 1, x \rangle = 0 ⟨ 1 , x ⟩ = 0 (수직), ⟨ 1 , x 2 ⟩ = 2 3 \langle 1, x^2 \rangle = \frac23 ⟨ 1 , x 2 ⟩ = 3 2 . ∥ x 2 ∥ = 2 / 5 \lVert x^2 \rVert = \sqrt{2/5} ∥ x 2 ∥ = 2/5 , cos θ = 2 / 3 2 2 / 5 = 5 3 \cos\theta = \dfrac{2/3}{\sqrt2\sqrt{2/5}} = \dfrac{\sqrt5}{3} cos θ = 2 2/5 2/3 = 3 5 .
25.5 [증명]
내적공간에서 삼각부등식과 평행사변형 법칙을 증명합니다.
풀이 ∥ u + v ∥ 2 = ∥ u ∥ 2 + 2 Re ⟨ u , v ⟩ + ∥ v ∥ 2 ≤ ∥ u ∥ 2 + 2 ∣ ⟨ u , v ⟩ ∣ + ∥ v ∥ 2 ≤ ( ∥ u ∥ + ∥ v ∥ ) 2 \lVert u + v \rVert^2 = \lVert u \rVert^2 + 2\operatorname{Re}\langle u, v \rangle + \lVert v \rVert^2 \le \lVert u \rVert^2 + 2\lvert \langle u, v \rangle \rvert + \lVert v \rVert^2 \le (\lVert u \rVert + \lVert v \rVert)^2 ∥ u + v ∥ 2 = ∥ u ∥ 2 + 2 Re ⟨ u , v ⟩ + ∥ v ∥ 2 ≤ ∥ u ∥ 2 + 2 ∣⟨ u , v ⟩∣ + ∥ v ∥ 2 ≤ (∥ u ∥ + ∥ v ∥ ) 2 (코시–슈바르츠). 평행사변형: ∥ u ± v ∥ 2 = ∥ u ∥ 2 ± 2 Re ⟨ u , v ⟩ + ∥ v ∥ 2 \lVert u \pm v \rVert^2 = \lVert u \rVert^2 \pm 2\operatorname{Re}\langle u, v \rangle + \lVert v \rVert^2 ∥ u ± v ∥ 2 = ∥ u ∥ 2 ± 2 Re ⟨ u , v ⟩ + ∥ v ∥ 2 를 더합니다.
25.6 [도전]
실내적공간에서 ⟨ u , v ⟩ = 1 4 ( ∥ u + v ∥ 2 − ∥ u − v ∥ 2 ) \langle u, v \rangle = \frac14\left(\lVert u + v \rVert^2 - \lVert u - v \rVert^2\right) ⟨ u , v ⟩ = 4 1 ( ∥ u + v ∥ 2 − ∥ u − v ∥ 2 ) 임을 보입니다(편극 항등식). 노름이 내적을 결정한다는 뜻입니다.
풀이 문제 25.5의 전개에서 두 식을 빼면 ∥ u + v ∥ 2 − ∥ u − v ∥ 2 = 4 ⟨ u , v ⟩ \lVert u + v \rVert^2 - \lVert u - v \rVert^2 = 4\langle u, v \rangle ∥ u + v ∥ 2 − ∥ u − v ∥ 2 = 4 ⟨ u , v ⟩ (실수).
25.7 [계산]
(†) P 2 ( R ) \mathcal{P}_2(\mathbb{R}) P 2 ( R ) 에 ⟨ p , q ⟩ = ∫ − 1 1 p q \langle p, q \rangle = \int_{-1}^1 pq ⟨ p , q ⟩ = ∫ − 1 1 pq 를 주고 1 , x , x 2 1, x, x^2 1 , x , x 2 에 그람–슈미트를 적용합니다. (결과는 르장드르 다항식의 상수배입니다.)
풀이 e 1 = 1 2 e_1 = \frac{1}{\sqrt2} e 1 = 2 1 . ⟨ x , e 1 ⟩ = 0 \langle x, e_1 \rangle = 0 ⟨ x , e 1 ⟩ = 0 이므로 f 2 = x f_2 = x f 2 = x , e 2 = 3 2 x e_2 = \sqrt{\frac32}x e 2 = 2 3 x . f 3 = x 2 − ⟨ x 2 , e 1 ⟩ e 1 − ⟨ x 2 , e 2 ⟩ e 2 = x 2 − 1 3 f_3 = x^2 - \langle x^2, e_1 \rangle e_1 - \langle x^2, e_2 \rangle e_2 = x^2 - \frac13 f 3 = x 2 − ⟨ x 2 , e 1 ⟩ e 1 − ⟨ x 2 , e 2 ⟩ e 2 = x 2 − 3 1 . ∥ f 3 ∥ 2 = ∫ − 1 1 ( x 2 − 1 3 ) 2 = 2 5 − 4 9 + 2 9 = 8 45 \lVert f_3 \rVert^2 = \int_{-1}^1 \left(x^2 - \frac13\right)^2 = \frac25 - \frac49 + \frac29 = \frac{8}{45} ∥ f 3 ∥ 2 = ∫ − 1 1 ( x 2 − 3 1 ) 2 = 5 2 − 9 4 + 9 2 = 45 8 . e 3 = 45 8 ( x 2 − 1 3 ) e_3 = \sqrt{\frac{45}{8}}\left(x^2 - \frac13\right) e 3 = 8 45 ( x 2 − 3 1 ) .
25.8 [계산]
C 2 \mathbb{C}^2 C 2 에서 ( 1 , i ) (1, i) ( 1 , i ) , ( 1 , 1 ) (1, 1) ( 1 , 1 ) 에 그람–슈미트를 적용합니다. 결과가 정규직교임을 확인합니다.
풀이 e 1 = 1 2 ( 1 , i ) e_1 = \frac{1}{\sqrt2}(1, i) e 1 = 2 1 ( 1 , i ) . ⟨ ( 1 , 1 ) , e 1 ⟩ = 1 − i 2 \langle (1, 1), e_1 \rangle = \frac{1 - i}{\sqrt2} ⟨( 1 , 1 ) , e 1 ⟩ = 2 1 − i . f 2 = ( 1 , 1 ) − 1 − i 2 ( 1 , i ) = ( 1 + i 2 , 1 − i 2 ) f_2 = (1, 1) - \frac{1 - i}{2}(1, i) = \left(\frac{1 + i}{2}, \frac{1 - i}{2}\right) f 2 = ( 1 , 1 ) − 2 1 − i ( 1 , i ) = ( 2 1 + i , 2 1 − i ) . ∥ f 2 ∥ 2 = 2 4 + 2 4 = 1 \lVert f_2 \rVert^2 = \frac24 + \frac24 = 1 ∥ f 2 ∥ 2 = 4 2 + 4 2 = 1 , e 2 = f 2 e_2 = f_2 e 2 = f 2 . ⟨ e 2 , e 1 ⟩ = 1 2 ( 1 + i 2 + 1 − i 2 ⋅ i ‾ ) = 1 2 ⋅ 1 + i − i − 1 2 = 0 \langle e_2, e_1 \rangle = \frac{1}{\sqrt2}\left(\frac{1 + i}{2} + \frac{1 - i}{2} \cdot \overline{i}\right) = \frac{1}{\sqrt2} \cdot \frac{1 + i - i - 1}{2} = 0 ⟨ e 2 , e 1 ⟩ = 2 1 ( 2 1 + i + 2 1 − i ⋅ i ) = 2 1 ⋅ 2 1 + i − i − 1 = 0 .
25.9 [증명]
파르스발 등식 ∥ v ∥ 2 = ∑ ∣ ⟨ v , e j ⟩ ∣ 2 \lVert v \rVert^2 = \sum \lvert \langle v, e_j \rangle \rvert^2 ∥ v ∥ 2 = ∑ ∣⟨ v , e j ⟩ ∣ 2 을 증명합니다.
풀이 v = ∑ a j e j v = \sum a_je_j v = ∑ a j e j , a j = ⟨ v , e j ⟩ a_j = \langle v, e_j \rangle a j = ⟨ v , e j ⟩ . ∥ v ∥ 2 = ⟨ ∑ a j e j , ∑ a k e k ⟩ = ∑ j , k a j a ˉ k ⟨ e j , e k ⟩ = ∑ ∣ a j ∣ 2 \lVert v \rVert^2 = \left\langle \sum a_je_j, \sum a_ke_k \right\rangle = \sum_{j,k} a_j\bar a_k\langle e_j, e_k \rangle = \sum \lvert a_j \rvert^2 ∥ v ∥ 2 = ⟨ ∑ a j e j , ∑ a k e k ⟩ = ∑ j , k a j a ˉ k ⟨ e j , e k ⟩ = ∑ ∣ a j ∣ 2 .
25.10 [도전] · 확인 문제
A = [ 1 1 − 1 3 ] A = \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ -1 & 3 \end{bmatrix} A = [ 1 − 1 1 3 ] 을 슈어 분해합니다. 즉 정규직교 기저 q 1 , q 2 q_1, q_2 q 1 , q 2 를 찾아 Q T A Q Q^TAQ Q T A Q 가 위삼각이 되게 합니다. q 1 = 1 2 ( 1 , 1 ) q_1 = \frac{1}{\sqrt2}(1, 1) q 1 = 2 1 ( 1 , 1 ) , q 2 = 1 2 ( 1 , − 1 ) q_2 = \frac{1}{\sqrt2}(1, -1) q 2 = 2 1 ( 1 , − 1 ) 로 잡았을 때 Q T A Q Q^TAQ Q T A Q 를 적습니다.
1열
2열
1행
[?]
[?]
2행
[?]
[?]
정답 풀이 tr = 4 \operatorname{tr} = 4 tr = 4 , det = 4 \det = 4 det = 4 , λ = 2 \lambda = 2 λ = 2 (중근). 고유벡터 q 1 = 1 2 ( 1 , 1 ) q_1 = \frac{1}{\sqrt2}(1, 1) q 1 = 2 1 ( 1 , 1 ) . q 2 = 1 2 ( 1 , − 1 ) q_2 = \frac{1}{\sqrt2}(1, -1) q 2 = 2 1 ( 1 , − 1 ) . A q 1 = 2 q 1 Aq_1 = 2q_1 A q 1 = 2 q 1 , A q 2 = 1 2 ( 0 , − 4 ) = − 2 q 1 + 2 q 2 Aq_2 = \frac{1}{\sqrt2}(0, -4) = -2q_1 + 2q_2 A q 2 = 2 1 ( 0 , − 4 ) = − 2 q 1 + 2 q 2 . Q T A Q = [ 2 − 2 0 2 ] Q^TAQ = \begin{bmatrix} 2 & -2 \\ 0 & 2 \end{bmatrix} Q T A Q = [ 2 0 − 2 2 ] .
25.11 [계산] · 확인 문제
R 3 \mathbb{R}^3 R 3 의 선형범함수 φ ( x ) = 2 x 1 − x 2 + 3 x 3 \varphi(\mathbf{x}) = 2x_1 - x_2 + 3x_3 φ ( x ) = 2 x 1 − x 2 + 3 x 3 을 ⟨ x , u ⟩ \langle \mathbf{x}, \mathbf{u} \rangle ⟨ x , u ⟩ 로 나타내는 u \mathbf{u} u 를 구합니다.
u 1 u_1 u 1
u 2 u_2 u 2
u 3 u_3 u 3
[?]
[?]
[?]
정답 풀이 u = ( 2 , − 1 , 3 ) \mathbf{u} = (2, -1, 3) u = ( 2 , − 1 , 3 ) .
25.12 [계산] · 확인 문제
(†) 25.5절의 예제에서 u ( x ) = 9 8 − 15 8 x 2 u(x) = \frac98 - \frac{15}{8}x^2 u ( x ) = 8 9 − 8 15 x 2 을 유도합니다. (u = a + b x + c x 2 u = a + bx + cx^2 u = a + b x + c x 2 로 놓고 p = 1 , x , x 2 p = 1, x, x^2 p = 1 , x , x 2 을 넣습니다.)
정답 풀이 p = 1 p = 1 p = 1 : 2 a + 2 3 c = 1 2a + \frac23c = 1 2 a + 3 2 c = 1 . p = x p = x p = x : 2 3 b = 0 \frac23b = 0 3 2 b = 0 . p = x 2 p = x^2 p = x 2 : 2 3 a + 2 5 c = 0 \frac23a + \frac25c = 0 3 2 a + 5 2 c = 0 . c = − 5 3 a c = -\frac53a c = − 3 5 a , 2 a − 10 9 a = 1 2a - \frac{10}{9}a = 1 2 a − 9 10 a = 1 , a = 9 8 a = \frac98 a = 8 9 , c = − 15 8 c = -\frac{15}{8} c = − 8 15 .
25.13 [증명]
U U U 가 유한차원 부분공간이면 ( U ⊥ ) ⊥ = U (U^\perp)^\perp = U ( U ⊥ ) ⊥ = U 임을 보입니다.
풀이 u ∈ U u \in U u ∈ U 이면 모든 w ∈ U ⊥ w \in U^\perp w ∈ U ⊥ 와 수직이므로 U ⊆ ( U ⊥ ) ⊥ U \subseteq (U^\perp)^\perp U ⊆ ( U ⊥ ) ⊥ . 역으로 v ∈ ( U ⊥ ) ⊥ v \in (U^\perp)^\perp v ∈ ( U ⊥ ) ⊥ 이면 v = P U v + w v = P_Uv + w v = P U v + w (w ∈ U ⊥ w \in U^\perp w ∈ U ⊥ )이고 0 = ⟨ v , w ⟩ = ⟨ P U v , w ⟩ + ∥ w ∥ 2 = ∥ w ∥ 2 0 = \langle v, w \rangle = \langle P_Uv, w \rangle + \lVert w \rVert^2 = \lVert w \rVert^2 0 = ⟨ v , w ⟩ = ⟨ P U v , w ⟩ + ∥ w ∥ 2 = ∥ w ∥ 2 이므로 w = 0 w = 0 w = 0 , v ∈ U v \in U v ∈ U .
25.14 [계산] · 확인 문제
U = span { ( 1 , 1 , 0 ) , ( 0 , 1 , 1 ) } ⊆ R 3 U = \operatorname{span}\{(1, 1, 0), (0, 1, 1)\} \subseteq \mathbb{R}^3 U = span {( 1 , 1 , 0 ) , ( 0 , 1 , 1 )} ⊆ R 3 의 정규직교 기저를 구하고, ( 1 , 2 , 3 ) (1, 2, 3) ( 1 , 2 , 3 ) 을 U U U 위로 직교사영합니다. 잔차가 U U U 의 법선 방향인지 확인합니다.
사영의 첫째 성분
둘째 성분
셋째 성분
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정답 풀이 e 1 = 1 2 ( 1 , 1 , 0 ) e_1 = \frac{1}{\sqrt2}(1, 1, 0) e 1 = 2 1 ( 1 , 1 , 0 ) , f 2 = ( 0 , 1 , 1 ) − 1 2 ( 1 , 1 , 0 ) = ( − 1 2 , 1 2 , 1 ) f_2 = (0, 1, 1) - \frac12(1, 1, 0) = \left(-\frac12, \frac12, 1\right) f 2 = ( 0 , 1 , 1 ) − 2 1 ( 1 , 1 , 0 ) = ( − 2 1 , 2 1 , 1 ) , e 2 = 1 6 ( − 1 , 1 , 2 ) e_2 = \frac{1}{\sqrt6}(-1, 1, 2) e 2 = 6 1 ( − 1 , 1 , 2 ) . P v = 3 2 ( 1 , 1 , 0 ) + 7 6 ( − 1 , 1 , 2 ) = ( 1 3 , 8 3 , 7 3 ) P\mathbf{v} = \frac32(1, 1, 0) + \frac76(-1, 1, 2) = \left(\frac13, \frac83, \frac73\right) P v = 2 3 ( 1 , 1 , 0 ) + 6 7 ( − 1 , 1 , 2 ) = ( 3 1 , 3 8 , 3 7 ) . 잔차 2 3 ( 1 , − 1 , 1 ) \frac23(1, -1, 1) 3 2 ( 1 , − 1 , 1 ) , 법선 ( 1 , 1 , 0 ) × ( 0 , 1 , 1 ) = ( 1 , − 1 , 1 ) (1, 1, 0) \times (0, 1, 1) = (1, -1, 1) ( 1 , 1 , 0 ) × ( 0 , 1 , 1 ) = ( 1 , − 1 , 1 ) 과 평행.
25.15 [계산] · 확인 문제
(†) [ − 1 , 1 ] [-1, 1] [ − 1 , 1 ] 에서 f ( x ) = x 2 f(x) = x^2 f ( x ) = x 2 에 가장 가까운 일차함수 a + b x a + bx a + b x 를 ⟨ f , g ⟩ = ∫ − 1 1 f g \langle f, g \rangle = \int_{-1}^1 fg ⟨ f , g ⟩ = ∫ − 1 1 f g 에 대해 구합니다. 그 결과를 그래프로 설명합니다.
정답 풀이 span ( 1 , x ) \operatorname{span}(1, x) span ( 1 , x ) 의 정규직교 기저 1 2 \frac{1}{\sqrt2} 2 1 , 3 2 x \sqrt{\frac32}x 2 3 x . ⟨ x 2 , 1 ⟩ = 2 3 \langle x^2, 1 \rangle = \frac23 ⟨ x 2 , 1 ⟩ = 3 2 , ⟨ x 2 , x ⟩ = 0 \langle x^2, x \rangle = 0 ⟨ x 2 , x ⟩ = 0 . 사영 = 2 / 3 2 = 1 3 = \frac{2/3}{2} = \frac13 = 2 2/3 = 3 1 . 가장 가까운 일차함수는 상수 1 3 \frac13 3 1 . 포물선 y = x 2 y = x^2 y = x 2 을 위아래로 균형 있게 가르는 수평선이며, x 2 − 1 3 x^2 - \frac13 x 2 − 3 1 이 1과 x x x 모두와 수직입니다.