8장. 변수 변환과 야코비안

다변수 미적분 · 3부. 다변수 적분

심화 · 약 15분 · 연습문제 5

요약

적분의 변수 변환 공식, 극좌표·원기둥좌표·구면좌표, 가우스 적분, 확률밀도의 변수 변환

원판이나 구처럼 둥근 영역에서 직교좌표로 적분하면 범위가 근호로 복잡해집니다. 좌표를 바꾸면(극좌표, 구면좌표) 범위가 단순해지지만, 그 대가로 “작은 조각의 넓이가 어떻게 바뀌는지”를 곱해 줘야 합니다. 그 배율이 야코비 행렬의 행렬식, 곧 야코비안입니다. 같은 공식이 확률에서 “변수를 바꿀 때 밀도가 어떻게 바뀌는가”를 알려 주고, 이것은 생성 모델(정규화 흐름)의 핵심입니다.

8.1 변수 변환 공식

한 변수의 치환적분(미적분학 9장)은 ∫f(x) dx=∫f(g(u)) ∣g′(u)∣ du\int f(x)\,dx = \int f(g(u))\,|g'(u)|\,du였습니다. dx=∣g′(u)∣ dudx = |g'(u)|\,du는 “작은 구간 dudu가 gg로 몇 배 늘어나는가”입니다.

여러 변수에서는 작은 사각형 du dvdu\,dv가 변환 (x,y)=T(u,v)(x, y) = T(u, v)로 작은 평행사변형이 되고, 그 넓이 배율은 선형근사(3장)의 야코비 행렬의 행렬식입니다(선형대수 6장: 행렬식 = 넓이 배율).

정리 8.1 (변수 변환). TT가 영역 SS를 DD로 일대일로 보내고 미분 가능하면

∬Df(x,y) dx dy=∬Sf(T(u,v)) ∣det⁡JT(u,v)∣ du dv.\iint_Df(x, y)\,dx\,dy = \iint_Sf(T(u, v))\,\left|\det J_T(u, v)\right|\,du\,dv.

∣det⁡JT∣|\det J_T|를 야코비안(Jacobian)이라 부르고 ∣∂(x,y)∂(u,v)∣\left|\dfrac{\partial(x, y)}{\partial(u, v)}\right|로도 씁니다. 행렬식에 절댓값을 씌우는 것은 넓이가 음수일 수 없기 때문입니다.

8.2 극좌표

x=rcos⁡θx = r\cos\theta, y=rsin⁡θy = r\sin\theta이면 3장의 예제 3.5로 det⁡J=r\det J = r입니다.

dx dy=r dr dθ.dx\,dy = r\,dr\,d\theta.

중심에서 멀수록(rr이 클수록) 같은 dr dθdr\,d\theta가 더 넓은 조각이 되기 때문입니다.

예제 8.2. 반지름 aa인 원판의 넓이: ∫02π∫0ar dr dθ=2π⋅a22=πa2\int_0^{2\pi}\int_0^ar\,dr\,d\theta = 2\pi\cdot\frac{a^2}2 = \pi a^2.

예제 8.3. ∬x2+y2≤1(x2+y2) dA=∫02π∫01r2⋅r dr dθ=2π⋅14=π2\iint_{x^2 + y^2 \le 1}(x^2 + y^2)\,dA = \int_0^{2\pi}\int_0^1r^2\cdot r\,dr\,d\theta = 2\pi\cdot\frac14 = \frac\pi2.

8.3 가우스 적분

정리 8.4. ∫−∞∞e−x2 dx=π\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^2}\,dx = \sqrt\pi.

증명. 값을 II라 하면

I2=∫−∞∞e−x2dx∫−∞∞e−y2dy=∬R2e−(x2+y2) dA=∫02π∫0∞e−r2r dr dθ=2π⋅12=π.I^2 = \int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}dx\int_{-\infty}^\infty e^{-y^2}dy = \iint_{\mathbb{R}^2}e^{-(x^2 + y^2)}\,dA = \int_0^{2\pi}\int_0^\infty e^{-r^2}r\,dr\,d\theta = 2\pi\cdot\frac12 = \pi.

e−x2e^{-x^2}의 원시함수는 초등함수로 쓸 수 없지만, 두 개를 곱해 2차원으로 올리면 극좌표의 rr 덕분에 ∫e−r2r dr\int e^{-r^2}r\,dr가 계산됩니다. □

따름정리 8.5. 정규분포 12πσe−(x−μ)2/(2σ2)\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}e^{-(x-\mu)^2/(2\sigma^2)}의 전체 적분은 1입니다(x=μ+2σux = \mu + \sqrt2\sigma u로 치환).

8.4 원기둥좌표와 구면좌표

좌표 변환 부피 조각
원기둥 x=rcos⁡θx = r\cos\theta, y=rsin⁡θy = r\sin\theta, z=zz = z dV=r dr dθ dzdV = r\,dr\,d\theta\,dz
구면 x=ρsin⁡ϕcos⁡θx = \rho\sin\phi\cos\theta, y=ρsin⁡ϕsin⁡θy = \rho\sin\phi\sin\theta, z=ρcos⁡ϕz = \rho\cos\phi dV=ρ2sin⁡ϕ dρ dϕ dθdV = \rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta

구면좌표에서 ρ\rho는 원점까지 거리, ϕ\phi는 zz축에서 내려온 각(0≤ϕ≤π0 \le \phi \le \pi), θ\theta는 경도(0≤θ<2π0 \le \theta < 2\pi)입니다.

예제 8.6. 반지름 aa인 공의 부피: ∫02π∫0π∫0aρ2sin⁡ϕ dρ dϕ dθ=2π⋅2⋅a33=43πa3\int_0^{2\pi}\int_0^\pi\int_0^a\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta = 2\pi\cdot2\cdot\frac{a^3}3 = \frac43\pi a^3.

8.5 확률밀도의 변수 변환

정리 8.7. 확률변수 X\mathbf{X}의 밀도가 pXp_X이고 Y=T(X)\mathbf{Y} = T(\mathbf{X})(TT는 미분 가능한 일대일 함수)이면

pY(y)=pX(x)∣det⁡JT(x)∣−1,x=T−1(y).p_Y(\mathbf{y}) = p_X(\mathbf{x})\left|\det J_T(\mathbf{x})\right|^{-1}, \qquad \mathbf{x} = T^{-1}(\mathbf{y}).

이유. 확률은 보존되어야 합니다: pY(y) ∣dy∣=pX(x) ∣dx∣p_Y(\mathbf{y})\,|d\mathbf{y}| = p_X(\mathbf{x})\,|d\mathbf{x}|. 부피 조각이 ∣det⁡J∣|\det J|배 늘어나면 밀도는 그만큼 줄어듭니다. □

예제 8.8. XX가 [0,1][0, 1]에서 균등하고 Y=2X+3Y = 2X + 3이면 YY는 [3,5][3, 5]에서 균등하고 밀도는 12\frac12입니다(∣J∣=2|J| = 2).

예제 8.9. X∼N(0,1)X \sim N(0, 1)이고 Y=eXY = e^X(로그정규분포)이면 x=ln⁡yx = \ln y, dydx=ex=y\frac{dy}{dx} = e^x = y이므로 pY(y)=12πe−(ln⁡y)2/2⋅1yp_Y(y) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-(\ln y)^2/2}\cdot\frac1y입니다.

8.6 이 장의 요약

  • ∬f dx dy=∬f(T) ∣det⁡JT∣ du dv\iint f\,dx\,dy = \iint f(T)\,|\det J_T|\,du\,dv. 야코비안 = 작은 조각의 넓이(부피) 배율.
  • 극좌표 r dr dθr\,dr\,d\theta, 구면좌표 ρ2sin⁡ϕ dρ dϕ dθ\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta.
  • 가우스 적분 π\sqrt\pi. 밀도는 야코비안으로 나눠 바뀝니다.

쓰이는 곳. 정규화 흐름(normalizing flow) 생성 모델은 log⁡pY(y)=log⁡pX(x)−log⁡∣det⁡J∣\log p_Y(\mathbf{y}) = \log p_X(\mathbf{x}) - \log|\det J|를 학습 목표로 씁니다. 재매개변수화 기법(VAE의 z=μ+σϵz = \mu + \sigma\epsilon)도 이 장의 변수 변환입니다. 물리에서는 원자 궤도(구면좌표), 전기장과 중력장의 계산, 통계역학의 상태 적분에서 매일 씁니다.

문제

8.1 [계산] · 확인 문제

극좌표로 ∬x2+y2≤4e−(x2+y2) dA\iint_{x^2 + y^2 \le 4}e^{-(x^2 + y^2)}\,dA를 구합니다. (소수 넷째 자리까지)

정답
3.0841
풀이

∫02π∫02e−r2r dr dθ=2π⋅12(1−e−4)=π(1−e−4)≈3.0841\int_0^{2\pi}\int_0^2e^{-r^2}r\,dr\,d\theta = 2\pi\cdot\frac12(1 - e^{-4}) = \pi(1 - e^{-4}) \approx 3.0841입니다.

8.2 [계산] · 확인 문제

변환 x=2u+vx = 2u + v, y=u−vy = u - v의 야코비안 ∣det⁡J∣|\det J|는?

정답
3
풀이

J=[211−1]J = \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 1 & -1 \end{bmatrix}, det⁡J=−2−1=−3\det J = -2 - 1 = -3이므로 ∣det⁡J∣=3|\det J| = 3입니다.

8.3 [계산] · 확인 문제

∫−∞∞e−x2/2 dx\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^2/2}\,dx는? (π가 든 식으로 답할 수 있습니다)

정답
√(2π)
풀이

x=2ux = \sqrt2u로 치환하면 2∫e−u2du=2⋅π=2π≈2.5066\sqrt2\int e^{-u^2}du = \sqrt2\cdot\sqrt\pi = \sqrt{2\pi} \approx 2.5066입니다.

8.4 [계산]

구면좌표로 반지름 1인 공 위에서 ∭(x2+y2+z2) dV\iiint(x^2 + y^2 + z^2)\,dV를 구합니다. (π가 든 식으로 답할 수 있습니다)

정답
4π/5
풀이

∫02π∫0π∫01ρ2⋅ρ2sin⁡ϕ dρ dϕ dθ=2π⋅2⋅15=4π5\int_0^{2\pi}\int_0^\pi\int_0^1\rho^2\cdot\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta = 2\pi\cdot2\cdot\frac15 = \frac{4\pi}5입니다.

8.5 [증명]

XX의 밀도가 pXp_X이고 Y=aX+bY = aX + b(a≠0a \ne 0)이면 pY(y)=1∣a∣pX ⁣(y−ba)p_Y(y) = \frac{1}{|a|}p_X\!\left(\frac{y - b}{a}\right)임을 누적분포함수로 보입니다.

풀이

a>0a > 0이면 P(Y≤y)=P ⁣(X≤y−ba)=FX ⁣(y−ba)P(Y \le y) = P\!\left(X \le \frac{y-b}{a}\right) = F_X\!\left(\frac{y-b}a\right)이고, 미분하면 pY(y)=1apX ⁣(y−ba)p_Y(y) = \frac1ap_X\!\left(\frac{y-b}a\right)입니다. a<0a < 0이면 부등호가 뒤집혀 P(Y≤y)=1−FX ⁣(y−ba)P(Y \le y) = 1 - F_X\!\left(\frac{y-b}a\right)이고, 미분하면 −1apX(⋅)=1∣a∣pX(⋅)-\frac1ap_X(\cdot) = \frac1{|a|}p_X(\cdot)입니다.