Linearism › 선형대수 › LA.28

28장. 다중선형 형식과 행렬식

선형대수 · 3부. 추상 선형대수

고급 · 약 50분 · 연습문제 15 · 그림 2

요약

다중선형 형식과 쌍선형 형식의 행렬, 교대 형식과 그 성질, 교대 n-형식의 공간이 1차원임, 행렬 없이 정의한 연산자의 행렬식, 행렬식과 특성다항식, 부피와 특잇값, 외적의 정체

15장의 행렬식을 '변수마다 선형이고, 두 변수를 바꾸면 부호가 바뀌는 함수'로 다시 정의합니다. 이 관점은 행렬식이 왜 유일하게 정해지는지, 왜 곱의 법칙이 성립하는지를 근본적으로 설명하고, 물리와 미분기하의 텐서·미분형식으로 이어집니다(고급).

28.1 행렬 없이 행렬식을

질문. 15장에서 행렬식을 행렬의 행에 대한 세 성질로 정의했습니다. 그런데 det⁡A\det A는 AA가 나타내는 연산자에만 의존합니다(det⁡(P−1AP)=det⁡A\det(P^{-1}AP) = \det A). 그렇다면 기저도 행렬도 쓰지 않고 연산자 TT 자체에서 det⁡T\det T를 정의할 수 있지 않을까요?

15장의 핵심 관찰은 이것이었습니다. “각 행에 대해 선형이고, 두 행을 바꾸면 부호가 바뀌는 함수”는 det⁡I\det I 값 하나로 결정됩니다. 이 장에서는 행 대신 벡터를 넣습니다. 벡터 nn개를 받아 수를 내놓고, 각 자리에서 선형이며, 두 벡터가 같으면 0이 되는 함수를 교대 nn-형식이라 합니다. 이런 함수 전체가 1차원 공간을 이룬다는 것이 이 장의 중심 정리이고, 행렬식은 TT가 이 1차원 공간에 작용하는 배율입니다.

이 장에서 VV는 F\mathbb{F} 위의 nn차원 벡터공간입니다(n≥1n \ge 1). 28.6–28.7절만 내적공간을 씁니다.

28.2 다중선형 형식

정의 28.1 (다중선형 형식). 함수 α:Vm=V×⋯×V→F\alpha : V^m = V \times \cdots \times V \to \mathbb{F}가 각 자리에서 따로 선형일 때, 즉 다른 자리를 고정하면

α(v1,…,av+bw,…,vm)=a α(v1,…,v,…,vm)+b α(v1,…,w,…,vm)\alpha(v_1, \ldots, av + bw, \ldots, v_m) = a\,\alpha(v_1, \ldots, v, \ldots, v_m) + b\,\alpha(v_1, \ldots, w, \ldots, v_m)

일 때 α\alpha를 VV 위의 mm-선형 형식(mm-linear form)이라 합니다. m=1m = 1이면 선형 범함수, m=2m = 2이면 쌍선형 형식(bilinear form)입니다. VV 위의 mm-선형 형식 전체를 V(m)V^{(m)}이라 씁니다.

V(m)V^{(m)}은 보통의 덧셈과 스칼라곱으로 벡터공간입니다.

예제 28.2.

  1. Rn\mathbb{R}^n의 내적 ⟨x,y⟩=xTy\langle \mathbf{x}, \mathbf{y} \rangle = \mathbf{x}^T\mathbf{y}는 쌍선형 형식입니다. 더 일반적으로 n×nn \times n 행렬 BB에 대해 β(x,y)=xTBy\beta(\mathbf{x}, \mathbf{y}) = \mathbf{x}^TB\mathbf{y}.
  2. φ,ψ∈V′\varphi, \psi \in V'이면 β(u,v)=φ(u)ψ(v)\beta(u, v) = \varphi(u)\psi(v)는 쌍선형 형식입니다.
  3. Rn\mathbb{R}^n에서 α(v1,…,vn)=det⁡[v1⋯vn]\alpha(\mathbf{v}_1, \ldots, \mathbf{v}_n) = \det\begin{bmatrix} \mathbf{v}_1 & \cdots & \mathbf{v}_n \end{bmatrix}은 nn-선형 형식입니다(15장의 성질 (3)과 (10)).

C\mathbb{C} 위의 내적은 둘째 자리에서 켤레선형이므로 쌍선형이 아닙니다. 이 장의 형식들은 모든 자리에서 선형입니다.

정리 28.3 (쌍선형 형식과 행렬). e1,…,ene_1, \ldots, e_n이 VV의 기저이고 β∈V(2)\beta \in V^{(2)}이면, B=[bij]B = [b_{ij}], bij=β(ei,ej)b_{ij} = \beta(e_i, e_j)에 대해

β(u,v)=xTBy(x,y는 u,v의 좌표)\beta(u, v) = \mathbf{x}^TB\mathbf{y} \quad (\mathbf{x}, \mathbf{y}\text{는 } u, v\text{의 좌표})

입니다. β↦B\beta \mapsto B는 V(2)V^{(2)}에서 Fn×n\mathbb{F}^{n \times n}으로의 동형사상이고, dim⁡V(2)=n2\dim V^{(2)} = n^2입니다.

증명. u=∑xieiu = \sum x_ie_i, v=∑yjejv = \sum y_je_j를 넣고 두 자리에서 각각 선형성을 쓰면 β(u,v)=∑i,jxiyjβ(ei,ej)=xTBy\beta(u, v) = \sum_{i,j} x_iy_j\beta(e_i, e_j) = \mathbf{x}^TB\mathbf{y}. 따라서 β\beta는 BB로 정해지고, 역으로 아무 BB나 주면 xTBy\mathbf{x}^TB\mathbf{y}는 쌍선형입니다. 대응이 선형인 것은 명백합니다. ■

같은 논리로 mm-선형 형식은 α(ei1,…,eim)\alpha(e_{i_1}, \ldots, e_{i_m}) 값 nmn^m개로 정해지고 dim⁡V(m)=nm\dim V^{(m)} = n^m입니다.

기저를 바꾸면 BB는 어떻게 변할까요? 새 기저의 좌표가 x=Px′\mathbf{x} = P\mathbf{x}'이면 β(u,v)=(Px′)TB(Py′)=x′T(PTBP)y′\beta(u, v) = (P\mathbf{x}')^TB(P\mathbf{y}') = \mathbf{x}'^T(P^TBP)\mathbf{y}'이므로 새 행렬은 PTBPP^TBP입니다. 연산자의 행렬은 P−1APP^{-1}AP로 바뀌었습니다(19장). 같은 정사각행렬이라도 연산자를 나타내는지 쌍선형 형식을 나타내는지에 따라 변환 법칙이 다릅니다. 17장의 이차형식 xTSx\mathbf{x}^TS\mathbf{x}는 쌍선형 형식이고, PP가 직교행렬일 때만 두 법칙이 일치합니다(PT=P−1P^T = P^{-1}). 스펙트럴 정리가 직교행렬로 대각화하는 것이 그래서 중요합니다.

▶ 문제 28.1–28.3

28.3 교대 형식

정의 28.4 (교대 형식). α∈V(m)\alpha \in V^{(m)}이 두 자리에 같은 벡터를 넣으면 0이 될 때, 즉 i≠ji \ne j이고 vi=vjv_i = v_j이면 α(v1,…,vm)=0\alpha(v_1, \ldots, v_m) = 0일 때 α\alpha를 교대(alternating) 형식이라 합니다. 교대 mm-형식 전체를 Valt(m)V^{(m)}_{\mathrm{alt}}라 씁니다.

예제 28.5. R2\mathbb{R}^2에서 α(u,v)=u1v2−u2v1\alpha(\mathbf{u}, \mathbf{v}) = u_1v_2 - u_2v_1은 교대입니다. 반면 내적 uTv\mathbf{u}^T\mathbf{v}는 uTu=∥u∥2\mathbf{u}^T\mathbf{u} = \lVert \mathbf{u} \rVert^2이므로 교대가 아닙니다.

직관. α(v1,…,vm)\alpha(v_1, \ldots, v_m)을 v1,…,vmv_1, \ldots, v_m이 만드는 평행체의 “부호 있는 부피”로 생각합시다. 두 모서리가 같으면 평행체가 납작하게 찌그러져 부피가 0입니다. 교대 조건은 그 사실 하나를 요구합니다. 나머지는 모두 따라 나옵니다.

정리 28.6 (교대 형식의 성질). α∈Valt(m)\alpha \in V^{(m)}_{\mathrm{alt}}이면

  1. 두 자리를 바꾸면 부호가 바뀝니다.
  2. v1,…,vmv_1, \ldots, v_m이 일차종속이면 α(v1,…,vm)=0\alpha(v_1, \ldots, v_m) = 0.
  3. m>nm > n이면 α=0\alpha = 0.

증명. (1) ii번째와 jj번째 자리만 적자. 교대성에 의해

0=α(v+w,v+w)=α(v,v)+α(v,w)+α(w,v)+α(w,w)=α(v,w)+α(w,v).0 = \alpha(v + w, v + w) = \alpha(v, v) + \alpha(v, w) + \alpha(w, v) + \alpha(w, w) = \alpha(v, w) + \alpha(w, v).

(2) 보조정리 21.5에 의해 어떤 vkv_k가 나머지의 일차결합 ∑j≠kajvj\sum_{j \ne k} a_jv_j입니다. 그 자리를 선형으로 펼치면 각 항에 vjv_j가 두 번 나타나므로 모두 0.

(3) VV에서 nn개보다 많은 벡터는 일차종속이므로 (2). ■

(1)의 역은 1+1≠01 + 1 \ne 0인 체에서 성립합니다. 자리를 바꿀 때 부호가 바뀌면 α(v,v)=−α(v,v)\alpha(v, v) = -\alpha(v, v)이므로 2α(v,v)=02\alpha(v, v) = 0. 그래서 “교대”와 “반대칭”을 흔히 같은 뜻으로 씁니다. 하지만 F2\mathbb{F}_2에서는 −1=1-1 = 1이어서 다릅니다(문제 28.6).

자리 바꾸기를 여러 번 하면 순열이 됩니다. 순열 σ\sigma를 맞바꿈의 곱으로 쓸 때 맞바꿈 횟수의 홀짝은 sgn⁡(σ)=det⁡Pσ\operatorname{sgn}(\sigma) = \det P_\sigma로 정해집니다(15장). 따라서

α(vσ(1),…,vσ(m))=sgn⁡(σ) α(v1,…,vm).\alpha(v_{\sigma(1)}, \ldots, v_{\sigma(m)}) = \operatorname{sgn}(\sigma)\,\alpha(v_1, \ldots, v_m).

▶ 문제 28.4–28.6

28.4 교대 n-형식은 1차원

정리 28.7 (교대 nn-형식의 공간). dim⁡Valt(n)=1\dim V^{(n)}_{\mathrm{alt}} = 1. 구체적으로 e1,…,ene_1, \ldots, e_n이 기저이고 vj=∑ixijeiv_j = \sum_i x_{ij}e_i이면, 모든 교대 nn-형식 α\alpha에 대해

α(v1,…,vn)=(∑σsgn⁡(σ) xσ(1)1xσ(2)2⋯xσ(n)n)α(e1,…,en)=det⁡X⋅α(e1,…,en).\alpha(v_1, \ldots, v_n) = \left(\sum_\sigma \operatorname{sgn}(\sigma)\,x_{\sigma(1)1}x_{\sigma(2)2} \cdots x_{\sigma(n)n}\right)\alpha(e_1, \ldots, e_n) = \det X \cdot \alpha(e_1, \ldots, e_n).

여기서 X=[xij]X = [x_{ij}]는 vjv_j의 좌표를 열로 가진 행렬입니다.

증명. 각 자리를 선형으로 펼치면

α(v1,…,vn)=∑i1,…,inxi11⋯xinn α(ei1,…,ein).\alpha(v_1, \ldots, v_n) = \sum_{i_1, \ldots, i_n} x_{i_11} \cdots x_{i_nn}\,\alpha(e_{i_1}, \ldots, e_{i_n}).

i1,…,ini_1, \ldots, i_n 중 같은 것이 있으면 교대성에 의해 그 항은 0입니다. 살아남는 것은 (i1,…,in)=(σ(1),…,σ(n))(i_1, \ldots, i_n) = (\sigma(1), \ldots, \sigma(n))이 순열인 항뿐이고, 그때 α(eσ(1),…,eσ(n))=sgn⁡(σ)α(e1,…,en)\alpha(e_{\sigma(1)}, \ldots, e_{\sigma(n)}) = \operatorname{sgn}(\sigma)\alpha(e_1, \ldots, e_n)입니다. 괄호 안은 큰 공식(정리 15.5)을 XTX^T에 쓴 것이므로 det⁡XT=det⁡X\det X^T = \det X.

따라서 모든 교대 nn-형식은 수 α(e1,…,en)\alpha(e_1, \ldots, e_n) 하나로 정해지고, dim⁡≤1\dim \le 1입니다. 반대로 α0(v1,…,vn)=det⁡X\alpha_0(v_1, \ldots, v_n) = \det X는 0이 아닌 교대 nn-형식입니다(15장의 열에 대한 성질과 det⁡I=1\det I = 1). 따라서 dim⁡=1\dim = 1입니다. ■

이 증명은 15.4절에서 행렬식의 큰 공식을 끌어낸 계산과 똑같습니다. 차이는 관점입니다. 15장에서는 행렬식이라는 하나의 함수를 다뤘고, 여기서는 그런 함수들의 공간이 1차원이라고 말합니다. 교대 nn-형식은 서로 상수배일 뿐입니다. “부피”를 재는 방법은 단위를 정하는 것 말고는 하나뿐입니다.

▶ 문제 28.7–28.8

28.5 연산자의 행렬식

T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V)와 교대 nn-형식 α\alpha에 대해

αT(v1,…,vn)=α(Tv1,…,Tvn)\alpha_T(v_1, \ldots, v_n) = \alpha(Tv_1, \ldots, Tv_n)

로 둡시다. TT가 선형이므로 αT\alpha_T도 다중선형이고, vi=vjv_i = v_j이면 Tvi=TvjTv_i = Tv_j이므로 교대입니다. 공간이 1차원이므로 αT\alpha_T는 α\alpha의 상수배입니다.

정의 28.8 (연산자의 행렬식). α≠0\alpha \ne 0인 교대 nn-형식에 대해 αT=c α\alpha_T = c\,\alpha일 때 det⁡T=c\det T = c로 정의합니다. 즉 모든 v1,…,vnv_1, \ldots, v_n에 대해

α(Tv1,…,Tvn)=det⁡T⋅α(v1,…,vn).\alpha(Tv_1, \ldots, Tv_n) = \det T \cdot \alpha(v_1, \ldots, v_n).

cc는 α\alpha의 선택과 무관합니다. 다른 β≠0\beta \ne 0은 β=kα\beta = k\alpha (k≠0k \ne 0)이므로 βT=kαT=kc α=c β\beta_T = k\alpha_T = kc\,\alpha = c\,\beta.

직관. α\alpha를 부피라 하면, TT를 건 뒤의 부피는 원래 부피의 det⁡T\det T배입니다. 어떤 평행체를 재든 배율이 같습니다. 6장에서 그림으로 본 “넓이 배율”이 정의 그 자체가 되었습니다.

행렬의 성분을 바꾸면 단위정사각형이 옮겨진 평행사변형의 넓이, 곧 det T가 바뀝니다. 어떤 도형을 재든 배율이 같습니다

이 위젯은 JavaScript가 필요합니다

정리 28.9 (연산자 행렬식의 성질). S,T∈L(V)S, T \in \mathcal{L}(V)에 대하여

  1. det⁡I=1\det I = 1.
  2. det⁡(ST)=det⁡Sdet⁡T\det(ST) = \det S\det T.
  3. TT가 가역   ⟺  \iff det⁡T≠0\det T \ne 0.
  4. 임의의 기저에서 det⁡T=det⁡M(T)\det T = \det\mathcal{M}(T).

증명. (1) 정의에서 바로. (2) α(STv1,…,STvn)=det⁡S⋅α(Tv1,…,Tvn)=det⁡Sdet⁡T⋅α(v1,…,vn)\alpha(STv_1, \ldots, STv_n) = \det S \cdot \alpha(Tv_1, \ldots, Tv_n) = \det S\det T \cdot \alpha(v_1, \ldots, v_n).

(3) TT가 가역이면 1=det⁡I=det⁡(TT−1)=det⁡Tdet⁡T−11 = \det I = \det(TT^{-1}) = \det T\det T^{-1}. 가역이 아니면 기저 e1,…,ene_1, \ldots, e_n에 대해 Te1,…,TenTe_1, \ldots, Te_n이 일차종속이므로(정리 22.16) det⁡T⋅α(e1,…,en)=α(Te1,…,Ten)=0\det T \cdot \alpha(e_1, \ldots, e_n) = \alpha(Te_1, \ldots, Te_n) = 0. α(e1,…,en)≠0\alpha(e_1, \ldots, e_n) \ne 0이므로(α\alpha는 그 값으로 정해지는 0이 아닌 형식) det⁡T=0\det T = 0.

(4) M(T)\mathcal{M}(T)의 jj열은 TejTe_j의 좌표이므로 정리 28.7에서 vj=Tejv_j = Te_j로 두면 α(Te1,…,Ten)=det⁡M(T)⋅α(e1,…,en)\alpha(Te_1, \ldots, Te_n) = \det\mathcal{M}(T) \cdot \alpha(e_1, \ldots, e_n). ■

(4)는 det⁡(P−1AP)=det⁡A\det(P^{-1}AP) = \det A를 계산 없이 설명합니다. 두 행렬이 같은 연산자를 나타내기 때문입니다. (2)는 15장에서 “유일성” 논법으로 힘들게 증명한 det⁡(AB)=det⁡Adet⁡B\det(AB) = \det A\det B가 정의에서 한 줄로 나온다는 것을 보여 줍니다.

정리 28.10 (행렬식과 특성다항식). F=C\mathbb{F} = \mathbb{C}이고 TT의 특성다항식이 qq이면 q(z)=det⁡(zI−T)q(z) = \det(zI - T)입니다. 특히 det⁡T\det T는 고윳값들을 중복도만큼 곱한 것입니다.

증명. 27장의 기저에서 M(T)\mathcal{M}(T)는 대각에 λj\lambda_j가 djd_j번씩 놓인 위삼각행렬입니다. zI−M(T)zI - \mathcal{M}(T)도 위삼각이므로 성질 (4)와 15장의 (7)에 의해 det⁡(zI−T)=∏(z−λj)dj=q(z)\det(zI - T) = \prod(z - \lambda_j)^{d_j} = q(z). z=0z = 0을 넣으면 (−1)ndet⁡T=q(0)=(−1)n∏λjdj(-1)^n\det T = q(0) = (-1)^n\prod\lambda_j^{d_j}. ■

이로써 16장의 “고윳값은 det⁡(A−λI)=0\det(A - \lambda I) = 0의 근”과 27장의 “행렬식 없이 정의한 특성다항식”이 하나로 이어집니다.

▶ 문제 28.9–28.11

28.6 부피와 특잇값

이 절에서 VV는 실수 또는 복소 내적공간입니다.

정리 28.11 (행렬식의 절댓값). ∣det⁡T∣=s1s2⋯sn\lvert \det T \rvert = s_1s_2 \cdots s_n. 여기서 sjs_j는 TT의 특잇값입니다.

증명. 극분해(정리 26.15) T=ST∗TT = S\sqrt{T^*T}에서 det⁡T=det⁡S⋅det⁡T∗T\det T = \det S \cdot \det\sqrt{T^*T}.

T∗T\sqrt{T^*T}는 고윳값이 s1,…,sn≥0s_1, \ldots, s_n \ge 0인 대각화 가능한 연산자이므로 det⁡T∗T=s1⋯sn\det\sqrt{T^*T} = s_1 \cdots s_n.

SS는 등거리이므로 S∗S=IS^*S = I. 정규직교 기저에서 M(S∗)=M(S)‾T\mathcal{M}(S^*) = \overline{\mathcal{M}(S)}^T이고, 큰 공식에 켤레를 취하면 det⁡Aˉ=det⁡A‾\det\bar A = \overline{\det A}, 전치는 행렬식을 바꾸지 않으므로 det⁡S∗=det⁡S‾\det S^* = \overline{\det S}. 따라서 1=det⁡(S∗S)=∣det⁡S∣21 = \det(S^*S) = \lvert \det S \rvert^2. ■

왼쪽 단위원(넓이 π)과 수직인 e₁, e₂, 화살표 T를 지나 오른쪽에는 기울어진 타원(넓이 π s₁ s₂ = π|det T|)과 두 반축 s₁f₁, s₂f₂.

그림 28.1. TT는 정규직교 기저 e1,e2e_1, e_2를 수직인 방향 f1,f2f_1, f_2로 보내며 s1,s2s_1, s_2배로 늘입니다(SVD). 단위원은 반지름이 s1,s2s_1, s_2인 타원이 되고, 넓이 배율은 s1s2s_1s_2입니다. 회전 SS는 넓이를 바꾸지 않습니다.

직관. 극분해는 TT를 “수직인 방향들로 늘이기”(T∗T\sqrt{T^*T})와 “돌리기”(SS)로 나눕니다. 늘이기는 단위정육면체를 변의 길이가 s1,…,sns_1, \ldots, s_n인 직육면체로 바꾸고, 돌리기는 부피를 바꾸지 않습니다. 그래서 부피 배율은 s1⋯sns_1 \cdots s_n입니다.

실수 공간에서 det⁡T\det T의 부호는 방향을 알려 줍니다. det⁡S=±1\det S = \pm1이고, −1-1이면 SS는 거울을 포함합니다(6.3절). 그림 28.1과 18장의 그림은 같은 이야기를 합니다.

∣det⁡T∣\lvert \det T \rvert가 작다는 것은 TT가 거의 특이라는 뜻일까요? 꼭 그렇지는 않습니다. 110I10\frac{1}{10}I_{10}은 det⁡=10−10\det = 10^{-10}이지만 완벽하게 가역입니다. 가역성에서 얼마나 먼지는 가장 작은 특잇값 sns_n이 재고, 이 생각은 30장의 조건수로 이어집니다.

▶ 문제 28.12–28.13

28.7 외적의 정체

R3\mathbb{R}^3에서 u,v\mathbf{u}, \mathbf{v}를 고정하면 w↦det⁡[uvw]\mathbf{w} \mapsto \det\begin{bmatrix} \mathbf{u} & \mathbf{v} & \mathbf{w} \end{bmatrix}는 선형 범함수입니다. 리스 표현 정리(정리 25.13)에 의해 이것을 내적으로 나타내는 벡터가 유일하게 있습니다.

정의 28.12 (외적). u,v∈R3\mathbf{u}, \mathbf{v} \in \mathbb{R}^3의 외적(cross product) u×v\mathbf{u} \times \mathbf{v}는 모든 w∈R3\mathbf{w} \in \mathbb{R}^3에 대해

⟨w,u×v⟩=det⁡[uvw]\langle \mathbf{w}, \mathbf{u} \times \mathbf{v} \rangle = \det\begin{bmatrix} \mathbf{u} & \mathbf{v} & \mathbf{w} \end{bmatrix}

를 만족하는 유일한 벡터입니다.

w=e1,e2,e3\mathbf{w} = \mathbf{e}_1, \mathbf{e}_2, \mathbf{e}_3을 넣으면 성분이 나옵니다(여인수 전개).

u×v=(u2v3−u3v2, u3v1−u1v3, u1v2−u2v1).\mathbf{u} \times \mathbf{v} = (u_2v_3 - u_3v_2,\ u_3v_1 - u_1v_3,\ u_1v_2 - u_2v_1).

정리 28.13 (외적의 성질).

  1. v×u=−u×v\mathbf{v} \times \mathbf{u} = -\mathbf{u} \times \mathbf{v}, 그리고 u×v\mathbf{u} \times \mathbf{v}는 두 자리에서 각각 선형입니다.
  2. u×v\mathbf{u} \times \mathbf{v}는 u\mathbf{u}와 v\mathbf{v}에 모두 수직입니다.
  3. u×v=0  ⟺  u,v\mathbf{u} \times \mathbf{v} = \mathbf{0} \iff \mathbf{u}, \mathbf{v}가 일차종속.
  4. ∥u×v∥\lVert \mathbf{u} \times \mathbf{v} \rVert는 u,v\mathbf{u}, \mathbf{v}가 만드는 평행사변형의 넓이이고, u,v,u×v\mathbf{u}, \mathbf{v}, \mathbf{u} \times \mathbf{v}는 이 순서로 det⁡>0\det > 0인 기저(오른손 기저)입니다.

증명. (1) 행렬식이 열에 대해 교대 다중선형이므로 모든 w\mathbf{w}에 대해 ⟨w,⋅⟩\langle \mathbf{w}, \cdot \rangle가 그렇습니다. (2) ⟨u,u×v⟩=det⁡[u v u]=0\langle \mathbf{u}, \mathbf{u} \times \mathbf{v} \rangle = \det[\mathbf{u}\ \mathbf{v}\ \mathbf{u}] = 0. v\mathbf{v}도 같습니다.

(3) 종속이면 모든 w\mathbf{w}에 대해 det⁡=0\det = 0이므로 u×v=0\mathbf{u} \times \mathbf{v} = \mathbf{0}. 독립이면 w\mathbf{w}를 더해 기저로 만들면 det⁡≠0\det \ne 0이므로 u×v≠0\mathbf{u} \times \mathbf{v} \ne \mathbf{0}.

(4) 독립인 경우 n=u×v/∥u×v∥\mathbf{n} = \mathbf{u} \times \mathbf{v}/\lVert \mathbf{u} \times \mathbf{v} \rVert로 두면 det⁡[u v n]=⟨n,u×v⟩=∥u×v∥>0\det[\mathbf{u}\ \mathbf{v}\ \mathbf{n}] = \langle \mathbf{n}, \mathbf{u} \times \mathbf{v} \rangle = \lVert \mathbf{u} \times \mathbf{v} \rVert > 0. 한편 n\mathbf{n}은 u,v\mathbf{u}, \mathbf{v}에 수직인 단위벡터이므로 평행육면체 u,v,n\mathbf{u}, \mathbf{v}, \mathbf{n}의 부피는 (밑면의 넓이)×(높이 1)입니다. ■

외적은 R3\mathbb{R}^3에서만 이런 모양으로 존재합니다. 두 벡터를 고정하고 남은 자리가 하나여야 범함수가 되고, 그 범함수를 벡터로 바꾸려면 내적이 필요합니다. Rn\mathbb{R}^n에서는 n−1n - 1개의 벡터에서 하나의 벡터가 나옵니다(문제 28.15).

▶ 문제 28.14–28.15

쓰이는 곳. 물리의 텐서(응력, 관성), 미분기하의 미분형식, 부피를 재는 행렬식이 모두 다중선형 형식입니다. 일반상대성이론과 연속체역학 논문의 기본 언어입니다.

이 장의 요약

  • mm-선형 형식: 각 자리에서 선형. 쌍선형 형식 ↔ 행렬 BB, 기저변환은 PTBPP^TBP.
  • 교대: 같은 벡터 두 개를 넣으면 0. 자리를 바꾸면 부호가 바뀌고, 종속이면 0.
  • 교대 nn-형식의 공간은 1차원이고, α(v1,…,vn)=det⁡X⋅α(e1,…,en)\alpha(v_1, \ldots, v_n) = \det X \cdot \alpha(e_1, \ldots, e_n).
  • α(Tv1,…,Tvn)=det⁡T⋅α(v1,…,vn)\alpha(Tv_1, \ldots, Tv_n) = \det T \cdot \alpha(v_1, \ldots, v_n)로 det⁡T\det T를 정의합니다. 곱셈성, 가역성 판정, 기저 무관성이 정의에서 바로 나옵니다.
  • det⁡(zI−T)\det(zI - T)는 특성다항식이고, det⁡T\det T는 고윳값의 곱입니다.
  • ∣det⁡T∣=s1⋯sn\lvert \det T \rvert = s_1 \cdots s_n: 부피 배율은 특잇값의 곱입니다.
  • 외적은 범함수 w↦det⁡[u v w]\mathbf{w} \mapsto \det[\mathbf{u}\ \mathbf{v}\ \mathbf{w}]를 나타내는 벡터입니다.

문제

28.1 [계산] · 확인 문제

R2\mathbb{R}^2 위의 쌍선형 형식 β(x,y)=x1y1+2x1y2−x2y1+3x2y2\beta(\mathbf{x}, \mathbf{y}) = x_1y_1 + 2x_1y_2 - x_2y_1 + 3x_2y_2의 행렬 BB를 구합니다. 기저 (1,1)(1, 1), (1,−1)(1, -1)에서의 행렬을 PTBPP^TBP로 구하고, 성분 하나를 정의로 직접 계산해 확인합니다.

1행 1열 1행 2열 2행 1열 2행 2열
BB [?] [?] [?] [?]
PTBPP^TBP [?] [?] [?] [?]
정답
1
2
-1
3
5
-5
1
3
풀이

B=[12−13]B = \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ -1 & 3 \end{bmatrix} (대칭 아님). P=[111−1]P = \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{bmatrix}, BP=[3−12−4]BP = \begin{bmatrix} 3 & -1 \\ 2 & -4 \end{bmatrix}, PTBP=[5−513]P^TBP = \begin{bmatrix} 5 & -5 \\ 1 & 3 \end{bmatrix}. 확인: β((1,−1),(1,−1))=1−2+1+3=3\beta\big((1, -1), (1, -1)\big) = 1 - 2 + 1 + 3 = 3.

28.2 [증명]

F=R\mathbb{F} = \mathbb{R} 또는 C\mathbb{C}일 때, 모든 쌍선형 형식은 대칭 형식(β(u,v)=β(v,u)\beta(u, v) = \beta(v, u))과 반대칭 형식(β(u,v)=−β(v,u)\beta(u, v) = -\beta(v, u))의 합으로 유일하게 쓸 수 있음을 보입니다. 두 부분공간의 차원은 각각 얼마일까요?

풀이

βs(u,v)=12(β(u,v)+β(v,u))\beta_s(u, v) = \frac12\big(\beta(u, v) + \beta(v, u)\big), βa(u,v)=12(β(u,v)−β(v,u))\beta_a(u, v) = \frac12\big(\beta(u, v) - \beta(v, u)\big). 유일성: βs+βa=βs′+βa′\beta_s + \beta_a = \beta_s' + \beta_a'이면 βs−βs′=βa′−βa\beta_s - \beta_s' = \beta_a' - \beta_a는 대칭이면서 반대칭이므로 γ(u,v)=−γ(u,v)\gamma(u, v) = -\gamma(u, v), γ=0\gamma = 0. 행렬로는 B=12(B+BT)+12(B−BT)B = \frac12(B + B^T) + \frac12(B - B^T). 차원은 n(n+1)2\frac{n(n+1)}{2}와 n(n−1)2\frac{n(n-1)}{2}.

28.3 [증명]

쌍선형 형식 β\beta에 대해 Φ:V→V′\Phi : V \to V'을 Φ(v)=β(⋅,v)\Phi(v) = \beta(\cdot, v)로 정의합시다. Φ\Phi가 동형사상인 것은 β\beta의 행렬 BB가 가역인 것과 동치임을 보입니다. β\beta가 Rn\mathbb{R}^n의 내적일 때 이것은 무슨 정리일까요?

풀이

Φ\Phi는 선형이고 dim⁡V=dim⁡V′\dim V = \dim V'. 좌표로 Φ(v)(u)=xTBy\Phi(v)(u) = \mathbf{x}^TB\mathbf{y}이므로 Φ(v)=0  ⟺  \Phi(v) = 0 \iff 모든 x\mathbf{x}에 대해 xTBy=0  ⟺  By=0\mathbf{x}^TB\mathbf{y} = 0 \iff B\mathbf{y} = \mathbf{0}. 따라서 Φ\Phi가 단사   ⟺  N(B)={0}  ⟺  B\iff N(B) = \{\mathbf{0}\} \iff B 가역이고, 유한차원에서 단사면 동형(정리 22.16의 논리). 내적이면 B=IB = I이고 리스 표현 정리(25.13)입니다.

28.4 [계산] · 확인 문제

교대 형식인지 판정합니다. 교대이면 O, 아니면 X를 적습니다.

형식 교대인가
(a) R2\mathbb{R}^2에서 α(u,v)=u1v2−u2v1+u1v1\alpha(\mathbf{u}, \mathbf{v}) = u_1v_2 - u_2v_1 + u_1v_1 [?]
(b) R2\mathbb{R}^2에서 α(u,v)=2(u1v2−u2v1)\alpha(\mathbf{u}, \mathbf{v}) = 2(u_1v_2 - u_2v_1) [?]
(c) R3\mathbb{R}^3에서 α(u,v,w)=u1v2w3\alpha(\mathbf{u}, \mathbf{v}, \mathbf{w}) = u_1v_2w_3 [?]
(d) R3\mathbb{R}^3에서 α(u,v)=u1v2−u2v1\alpha(\mathbf{u}, \mathbf{v}) = u_1v_2 - u_2v_1 [?]
정답
X
O
X
O
풀이

(a) α(e1,e1)=1\alpha(\mathbf{e}_1, \mathbf{e}_1) = 1: 아님. (b) 교대. (c) α((1,1,0),(1,1,0),e3)=1\alpha\big((1, 1, 0), (1, 1, 0), \mathbf{e}_3\big) = 1: 아님. (d) α(u,u)=0\alpha(\mathbf{u}, \mathbf{u}) = 0: 교대. m=2<3=nm = 2 < 3 = n이므로 0이 아닌 교대 형식이 있을 수 있습니다.

28.5 [도전]

1≤m≤n1 \le m \le n일 때 dim⁡Valt(m)=(nm)\dim V^{(m)}_{\mathrm{alt}} = \binom{n}{m}임을 보입니다.

힌트. α\alpha는 i1<⋯<imi_1 < \cdots < i_m인 α(ei1,…,eim)\alpha(e_{i_1}, \ldots, e_{i_m}) 값들로 정해집니다. 존재는 좌표 행렬의 m×mm \times m 소행렬식으로 보입니다.

풀이

각 자리를 펼치면 α(v1,…,vm)=∑xi11⋯ximmα(ei1,…,eim)\alpha(v_1, \ldots, v_m) = \sum x_{i_11} \cdots x_{i_mm}\alpha(e_{i_1}, \ldots, e_{i_m}). 첨자가 겹치면 0이고, 겹치지 않으면 증가하는 첨자 I=(i1<⋯<im)I = (i_1 < \cdots < i_m)의 순열이므로 ±α(eI)\pm\alpha(e_I). 따라서 α\alpha는 (nm)\binom nm개의 값 α(eI)\alpha(e_I)로 정해집니다: dim⁡≤(nm)\dim \le \binom nm.

존재: XX를 vjv_j의 좌표를 열로 가진 n×mn \times m 행렬이라 하고 αI(v1,…,vm)\alpha_I(v_1, \ldots, v_m)을 XX의 II번째 행들로 만든 m×mm \times m 소행렬식이라 합시다. 열에 대해 교대 다중선형입니다. J≠IJ \ne I이면 II에 있고 JJ에 없는 ii가 있어 αI(eJ)\alpha_I(e_J)의 소행렬에 영행이 생깁니다. 따라서 αI(eJ)=1\alpha_I(e_J) = 1 (J=IJ = I), 00 (J≠IJ \ne I)이고 αI\alpha_I들은 독립입니다.

28.6 [계산]

F22\mathbb{F}_2^2에서 β(x,y)=x1y1\beta(\mathbf{x}, \mathbf{y}) = x_1y_1은 두 자리를 바꾸면 “부호가 바뀌지만” 교대가 아님을 보입니다.

풀이

β(y,x)=y1x1=β(x,y)=−β(x,y)\beta(\mathbf{y}, \mathbf{x}) = y_1x_1 = \beta(\mathbf{x}, \mathbf{y}) = -\beta(\mathbf{x}, \mathbf{y}) (F2\mathbb{F}_2에서 −1=1-1 = 1). 그러나 β(e1,e1)=1≠0\beta(\mathbf{e}_1, \mathbf{e}_1) = 1 \ne 0.

28.7 [계산] · 확인 문제

R3\mathbb{R}^3의 교대 3-형식 α\alpha가 α(e1,e2,e3)=2\alpha(\mathbf{e}_1, \mathbf{e}_2, \mathbf{e}_3) = 2를 만족합니다. α((1,0,1),(2,1,0),(0,1,1))\alpha\big((1, 0, 1), (2, 1, 0), (0, 1, 1)\big)을 구합니다.

정답
6
풀이

det⁡[120011101]=1⋅1−2⋅(0−1)+0=3\det\begin{bmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 1 \end{bmatrix} = 1 \cdot 1 - 2 \cdot (0 - 1) + 0 = 3. 정리 28.7에 의해 3⋅2=63 \cdot 2 = 6.

28.8 [증명]

α≠0\alpha \ne 0이 교대 nn-형식이고 e1,…,ene_1, \ldots, e_n, f1,…,fnf_1, \ldots, f_n이 기저, fj=∑ipijeif_j = \sum_i p_{ij}e_i이면 α(f1,…,fn)=det⁡P⋅α(e1,…,en)\alpha(f_1, \ldots, f_n) = \det P \cdot \alpha(e_1, \ldots, e_n)입니다. 이로부터 v1,…,vnv_1, \ldots, v_n이 기저인 것은 α(v1,…,vn)≠0\alpha(v_1, \ldots, v_n) \ne 0인 것과 동치임을 보입니다.

풀이

정리 28.7에서 vj=fjv_j = f_j, X=PX = P. α≠0\alpha \ne 0이면 α(e1,…,en)≠0\alpha(e_1, \ldots, e_n) \ne 0입니다(0이면 α\alpha의 모든 값이 0). vjv_j의 좌표 행렬 XX에 대해 v1,…,vnv_1, \ldots, v_n이 기저   ⟺  X\iff X 가역   ⟺  det⁡X≠0  ⟺  α(v1,…,vn)≠0\iff \det X \ne 0 \iff \alpha(v_1, \ldots, v_n) \ne 0.

28.9 [계산] · 확인 문제

P2(R)\mathcal{P}_2(\mathbb{R}) 위의 연산자의 행렬식을 구합니다. (a) (Tp)(x)=p(x+1)(Tp)(x) = p(x + 1) (b) Dp=p′Dp = p' (c) (Sp)(x)=p(2x)(Sp)(x) = p(2x)

(a) (b) (c)
[?] [?] [?]
정답
1
0
8
풀이

기저 1,x,x21, x, x^2. (a) T1=1T1 = 1, Tx=1+xTx = 1 + x, Tx2=1+2x+x2Tx^2 = 1 + 2x + x^2: 대각이 1인 위삼각, det⁡T=1\det T = 1. (b) D1=0D1 = 0이므로 가역이 아닙니다: 0. (c) diag⁡(1,2,4)\operatorname{diag}(1, 2, 4), det⁡S=8\det S = 8.

28.10 [증명]

T∈L(V)T \in \mathcal{L}(V)의 쌍대사상 T′∈L(V′)T' \in \mathcal{L}(V')에 대해 det⁡T′=det⁡T\det T' = \det T임을 보입니다.

풀이

쌍대기저에서 M(T′)=M(T)T\mathcal{M}(T') = \mathcal{M}(T)^T (정리 22.25). 정리 28.9(4)와 det⁡AT=det⁡A\det A^T = \det A에 의해 det⁡T′=det⁡T\det T' = \det T.

28.11 [계산] · 확인 문제

(a) A=[211021003]A = \begin{bmatrix} 2 & 1 & 1 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 3 \end{bmatrix} (문제 27.8)에 대해 det⁡(zI−A)\det(zI - A)와 det⁡A\det A를 구하고, 고윳값의 곱과 비교합니다. (b) 큰 공식으로 det⁡(zI−A)\det(zI - A)의 zn−1z^{n-1} 계수가 −tr⁡A-\operatorname{tr} A임을 보입니다. 이로부터 tr⁡A\operatorname{tr} A는 고윳값을 중복도만큼 더한 것임을 결론짓습니다. 표에는 (a)의 det⁡A\det A와 tr⁡A\operatorname{tr} A를 적습니다.

det⁡A\det A tr⁡A\operatorname{tr} A
[?] [?]
정답
12
7
풀이

(a) zI−AzI - A는 위삼각: (z−2)2(z−3)(z - 2)^2(z - 3). det⁡A=12=2⋅2⋅3\det A = 12 = 2 \cdot 2 \cdot 3.

(b) 항등순열이 아닌 σ\sigma는 적어도 두 첨자를 옮기므로 그 항에는 대각성분이 많아야 n−2n - 2개 있고, zz의 차수가 n−2n - 2 이하입니다. 따라서 zn−1z^{n-1}의 계수는 ∏(z−aii)\prod(z - a_{ii})에서만 나와 −∑aii=−tr⁡A-\sum a_{ii} = -\operatorname{tr} A. 한편 det⁡(zI−A)=∏(z−λj)dj\det(zI - A) = \prod(z - \lambda_j)^{d_j}의 zn−1z^{n-1} 계수는 −∑djλj-\sum d_j\lambda_j. (a)에서 tr⁡A=7=2+2+3\operatorname{tr} A = 7 = 2 + 2 + 3.

28.12 [계산] · 확인 문제

T=[3045]T = \begin{bmatrix} 3 & 0 \\ 4 & 5 \end{bmatrix} (문제 26.14)의 특잇값을 구하고 ∣det⁡T∣=s1s2\lvert \det T \rvert = s_1s_2를 확인합니다. 소수 셋째 자리까지 적습니다.

s1s_1 s2s_2 s1s2s_1s_2
[?] [?] [?]
정답
6.708
2.236
15
풀이

TTT=[25202025]T^TT = \begin{bmatrix} 25 & 20 \\ 20 & 25 \end{bmatrix}의 고윳값 45, 5. s1=35s_1 = 3\sqrt5, s2=5s_2 = \sqrt5, s1s2=15=∣3⋅5−0⋅4∣s_1s_2 = 15 = \lvert 3 \cdot 5 - 0 \cdot 4 \rvert.

28.13 [도전]

(아다마르 부등식) 실수 정사각행렬 A=[a1⋯an]A = \begin{bmatrix} \mathbf{a}_1 & \cdots & \mathbf{a}_n \end{bmatrix}에 대해 ∣det⁡A∣≤∥a1∥∥a2∥⋯∥an∥\lvert \det A \rvert \le \lVert \mathbf{a}_1 \rVert\lVert \mathbf{a}_2 \rVert \cdots \lVert \mathbf{a}_n \rVert임을 보입니다. 등호는 언제 성립할까요? 그림으로 해석합니다.

힌트. A=QRA = QR.

풀이

AA가 특이이면 좌변이 0. 아니면 A=QRA = QR, ∣det⁡Q∣=1\lvert \det Q \rvert = 1이므로 ∣det⁡A∣=∏∣rjj∣\lvert \det A \rvert = \prod\lvert r_{jj} \rvert. aj=∑i≤jrijqi\mathbf{a}_j = \sum_{i \le j} r_{ij}\mathbf{q}_i이고 qi\mathbf{q}_i가 정규직교이므로 ∥aj∥2=∑irij2≥rjj2\lVert \mathbf{a}_j \rVert^2 = \sum_i r_{ij}^2 \ge r_{jj}^2. 등호는 모든 jj에서 rij=0r_{ij} = 0 (i<ji < j), 즉 열들이 서로 수직일 때(또는 한 열이 0일 때). 평행체의 부피는 모서리 길이의 곱 이하이고, 직육면체일 때 같습니다.

28.14 [계산] · 확인 문제

u=(1,2,3)\mathbf{u} = (1, 2, 3), v=(4,5,6)\mathbf{v} = (4, 5, 6)에 대해 u×v\mathbf{u} \times \mathbf{v}를 구하고, 두 벡터에 수직임을 확인합니다. 평행사변형의 넓이를 구하고 ∥u∥2∥v∥2−⟨u,v⟩2\lVert \mathbf{u} \rVert^2\lVert \mathbf{v} \rVert^2 - \langle \mathbf{u}, \mathbf{v} \rangle^2과 비교합니다. 넓이는 소수 셋째 자리까지 적습니다.

첫째 성분 둘째 성분 셋째 성분 넓이
[?] [?] [?] [?]
정답
-3
6
-3
7.348
풀이

u×v=(12−15,12−6,5−8)=(−3,6,−3)\mathbf{u} \times \mathbf{v} = (12 - 15, 12 - 6, 5 - 8) = (-3, 6, -3). ⟨u,⋅⟩=−3+12−9=0\langle \mathbf{u}, \cdot \rangle = -3 + 12 - 9 = 0, ⟨v,⋅⟩=−12+30−18=0\langle \mathbf{v}, \cdot \rangle = -12 + 30 - 18 = 0. 넓이 9+36+9=36\sqrt{9 + 36 + 9} = 3\sqrt6. 14⋅77−322=1078−1024=54=(36)214 \cdot 77 - 32^2 = 1078 - 1024 = 54 = (3\sqrt6)^2. 일반적으로 ∥u×v∥2=∥u∥2∥v∥2−⟨u,v⟩2\lVert \mathbf{u} \times \mathbf{v} \rVert^2 = \lVert \mathbf{u} \rVert^2\lVert \mathbf{v} \rVert^2 - \langle \mathbf{u}, \mathbf{v} \rangle^2 (라그랑주 항등식)이고, 이것은 ∥u∥2∥v∥2sin⁡2θ\lVert \mathbf{u} \rVert^2\lVert \mathbf{v} \rVert^2\sin^2\theta입니다.

28.15 [도전]

Rn\mathbb{R}^n의 벡터 v1,…,vn−1\mathbf{v}_1, \ldots, \mathbf{v}_{n-1}에 대해 모든 w\mathbf{w}에서 ⟨w,N⟩=det⁡[v1⋯vn−1w]\langle \mathbf{w}, \mathbf{N} \rangle = \det\begin{bmatrix} \mathbf{v}_1 & \cdots & \mathbf{v}_{n-1} & \mathbf{w} \end{bmatrix}인 벡터 N\mathbf{N}이 유일하게 있음을 보이고, N\mathbf{N}이 모든 vi\mathbf{v}_i에 수직이며 N=0  ⟺  \mathbf{N} = \mathbf{0} \iff 종속임을 보입니다. n=2n = 2일 때 N\mathbf{N}은 v1\mathbf{v}_1을 어떻게 바꾼 것일까요?

풀이

w↦det⁡[v1⋯vn−1 w]\mathbf{w} \mapsto \det[\mathbf{v}_1 \cdots \mathbf{v}_{n-1}\ \mathbf{w}]는 선형 범함수이므로 리스 표현 정리로 N\mathbf{N}이 유일하게 있습니다. ⟨vi,N⟩=det⁡[⋯vi⋯vi]=0\langle \mathbf{v}_i, \mathbf{N} \rangle = \det[\cdots \mathbf{v}_i \cdots \mathbf{v}_i] = 0. 종속이면 모든 w\mathbf{w}에 대해 det⁡=0\det = 0이므로 N=0\mathbf{N} = \mathbf{0}. 독립이면 w\mathbf{w}를 더해 기저로 만들면 det⁡≠0\det \ne 0이므로 N≠0\mathbf{N} \ne \mathbf{0}. n=2n = 2, v1=(a,b)\mathbf{v}_1 = (a, b): det⁡[aw1bw2]=aw2−bw1=⟨w,(−b,a)⟩\det\begin{bmatrix} a & w_1 \\ b & w_2 \end{bmatrix} = aw_2 - bw_1 = \langle \mathbf{w}, (-b, a) \rangle. N=(−b,a)\mathbf{N} = (-b, a)는 v1\mathbf{v}_1을 90∘90^\circ 돌린 것입니다.