행렬 A가 만들어 낼 수 있는 벡터 전체(열공간)와, A가 0으로 보내 버리는 벡터 전체(영공간)는 행렬을 이해하는 두 개의 창입니다. 이 장에서는 이런 '덧셈과 스칼라배에 닫힌 집합'을 부분공간이라 부르고, 연립방정식 Ax = b가 언제 풀리는지를 이 두 공간으로 설명합니다.
10.1 원점을 지나는 평평한 것
질문. 3장에서 span은 언제나 원점, 원점을 지나는 직선, 평면, 공간 전체 중 하나였습니다. 원점을 지나지 않는 직선이나, 휘어진 곡선, 1사분면 같은 집합은 span이 될 수 없습니다. span을 span답게 만드는 성질은 정확히 무엇일까요?
정리 3.6 에서 span은 0 \mathbf{0} 0 을 포함하고, 덧셈과 스칼라배에 닫혀 있었습니다. 이 성질 자체를 정의로 삼은 것이 부분공간입니다. 이 장에서는 행렬 하나가 자연스럽게 만들어 내는 두 부분공간, 열공간과 영공간을 소개합니다. A x = b A\mathbf{x} = \mathbf{b} A x = b 에 대한 두 질문
해가 있을까요? → 열공간
해가 몇 개일까요? → 영공간
이 각각 두 부분공간에 대한 질문이 됩니다.
10.2 부분공간
정의 10.1 (부분공간). R n \mathbb{R}^n R n 의 부분집합 S S S 가 다음 세 조건을 만족하면 S S S 를 R n \mathbb{R}^n R n 의 부분공간 (subspace)이라 합니다.
0 ∈ S \mathbf{0} \in S 0 ∈ S .
v , w ∈ S \mathbf{v}, \mathbf{w} \in S v , w ∈ S 이면 v + w ∈ S \mathbf{v} + \mathbf{w} \in S v + w ∈ S . (덧셈에 닫혀 있습니다)
v ∈ S \mathbf{v} \in S v ∈ S , c ∈ R c \in \mathbb{R} c ∈ R 이면 c v ∈ S c\mathbf{v} \in S c v ∈ S . (스칼라배에 닫혀 있습니다)
조건 (2), (3)을 합치면 “S S S 안의 벡터들의 일차결합은 다시 S S S 안에 있습니다”가 됩니다. 부분공간은 일차결합을 해도 빠져나갈 수 없는 집합입니다.
조건 (1)은 사실 (3)에서 거의 나옵니다. S S S 에 벡터가 하나라도 있으면 c = 0 c = 0 c = 0 으로 놓아 0 v = 0 ∈ S 0\mathbf{v} = \mathbf{0} \in S 0 v = 0 ∈ S 입니다. (1)은 S S S 가 공집합이 아니라는 것을 보장하는 역할을 합니다.
예제 10.2. 다음은 모두 부분공간입니다.
{ 0 } \{\mathbf{0}\} { 0 } (영부분공간)과 R n \mathbb{R}^n R n 자신.
R 2 \mathbb{R}^2 R 2 에서 원점을 지나는 직선 { ( x , y ) : y = 2 x } \{(x, y) : y = 2x\} {( x , y ) : y = 2 x } .
R 3 \mathbb{R}^3 R 3 에서 원점을 지나는 평면 { ( x , y , z ) : x + y + z = 0 } \{(x, y, z) : x + y + z = 0\} {( x , y , z ) : x + y + z = 0 } .
임의의 벡터들의 span (정리 3.6 ).
그림 10.1. 부분공간이 아닌 세 집합. 각각 정의의 조건 하나씩을 어깁니다.
예제 10.3. 그림 10.1의 세 집합은 부분공간이 아닙니다.
(a) 직선 y = 1 2 x − 1 2 y = \frac12 x - \frac12 y = 2 1 x − 2 1 : 0 \mathbf{0} 0 을 포함하지 않습니다.
(b) 1사분면 { ( x , y ) : x ≥ 0 , y ≥ 0 } \{(x, y) : x \ge 0, y \ge 0\} {( x , y ) : x ≥ 0 , y ≥ 0 } : v = ( 1 , 1 ) \mathbf{v} = (1, 1) v = ( 1 , 1 ) 은 속하지만 − v -\mathbf{v} − v 는 속하지 않습니다.
(c) x x x 축 ∪ \cup ∪ y y y 축: e 1 , e 2 \mathbf{e}_1, \mathbf{e}_2 e 1 , e 2 는 속하지만 e 1 + e 2 = ( 1 , 1 ) \mathbf{e}_1 + \mathbf{e}_2 = (1, 1) e 1 + e 2 = ( 1 , 1 ) 은 속하지 않습니다.
직관. 부분공간은 “원점을 지나고, 휘지 않고, 끝이 없고, 구멍이나 모서리가 없는” 집합입니다. R 3 \mathbb{R}^3 R 3 에서는 원점, 원점을 지나는 직선, 원점을 지나는 평면, R 3 \mathbb{R}^3 R 3 전체의 네 종류뿐입니다(12장에서 증명합니다).
정리 10.4 (교집합은 부분공간). S S S , T T T 가 R n \mathbb{R}^n R n 의 부분공간이면 S ∩ T S \cap T S ∩ T 도 부분공간입니다.
증명. 0 ∈ S \mathbf{0} \in S 0 ∈ S , 0 ∈ T \mathbf{0} \in T 0 ∈ T 이므로 0 ∈ S ∩ T \mathbf{0} \in S \cap T 0 ∈ S ∩ T . v , w ∈ S ∩ T \mathbf{v}, \mathbf{w} \in S \cap T v , w ∈ S ∩ T 이면 둘 다 S S S 에 있으므로 v + w ∈ S \mathbf{v} + \mathbf{w} \in S v + w ∈ S 이고, 둘 다 T T T 에 있으므로 v + w ∈ T \mathbf{v} + \mathbf{w} \in T v + w ∈ T 입니다. 따라서 v + w ∈ S ∩ T \mathbf{v} + \mathbf{w} \in S \cap T v + w ∈ S ∩ T . 스칼라배도 같습니다. ■
두 평면의 교집합은 직선(또는 평면 자신)입니다. 반면 합집합은 그림 10.1(c)처럼 보통 부분공간이 아닙니다. 두 부분공간을 “합치는” 올바른 방법은 합 S + T = { s + t : s ∈ S , t ∈ T } S + T = \{\mathbf{s} + \mathbf{t} : \mathbf{s} \in S, \mathbf{t} \in T\} S + T = { s + t : s ∈ S , t ∈ T } 이며, 20장에서 다룹니다.
▶ 문제 10.1–10.4
10.3 열공간
정의 10.5 (열공간). m × n m \times n m × n 행렬 A A A 의 열들의 span을 A A A 의 열공간 (column space)이라 하고 C ( A ) C(A) C ( A ) 로 씁니다.
C ( A ) = span { a 1 , … , a n } = { A x : x ∈ R n } ⊆ R m . C(A) = \operatorname{span}\{\mathbf{a}_1, \ldots, \mathbf{a}_n\} = \{A\mathbf{x} : \mathbf{x} \in \mathbb{R}^n\} \subseteq \mathbb{R}^m. C ( A ) = span { a 1 , … , a n } = { A x : x ∈ R n } ⊆ R m .
두 표현이 같은 이유는 A x A\mathbf{x} A x 가 정의상 열들의 일차결합이기 때문입니다(정의 4.8 ). 변환의 말로는 C ( A ) C(A) C ( A ) 는 A A A 의 출력 전체, 즉 치역입니다. span이므로 부분공간입니다.
정리 10.6 (해의 존재와 열공간). A x = b A\mathbf{x} = \mathbf{b} A x = b 가 해를 갖는 것은 b ∈ C ( A ) \mathbf{b} \in C(A) b ∈ C ( A ) 인 것과 동치입니다.
정의를 다시 쓴 것에 불과하지만, 이 정리 덕분에 “해가 있는가”라는 계산의 질문이 “b \mathbf{b} b 가 어떤 부분공간 안에 있는가”라는 기하의 질문이 됩니다.
예제 10.7. A = [ 1 0 4 3 2 3 ] A = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 4 & 3 \\ 2 & 3 \end{bmatrix} A = 1 4 2 0 3 3 의 열공간은 R 3 \mathbb{R}^3 R 3 안에서 ( 1 , 4 , 2 ) (1, 4, 2) ( 1 , 4 , 2 ) 와 ( 0 , 3 , 3 ) (0, 3, 3) ( 0 , 3 , 3 ) 이 만드는 평면입니다(두 열이 평행하지 않으므로). A x = b A\mathbf{x} = \mathbf{b} A x = b 는 미지수 2개, 식 3개이므로 대부분의 b \mathbf{b} b 에 대해 해가 없습니다. b \mathbf{b} b 가 바로 그 평면 위에 있을 때만 해가 있습니다. 예를 들어 b = ( 1 , 7 , 5 ) = a 1 + a 2 \mathbf{b} = (1, 7, 5) = \mathbf{a}_1 + \mathbf{a}_2 b = ( 1 , 7 , 5 ) = a 1 + a 2 이면 해 ( 1 , 1 ) (1, 1) ( 1 , 1 ) 이 있고, b = ( 1 , 0 , 0 ) \mathbf{b} = (1, 0, 0) b = ( 1 , 0 , 0 ) 이면 해가 없습니다.
m × n m \times n m × n 행렬에서 C ( A ) C(A) C ( A ) 는 R m \mathbb{R}^m R m (출력 공간)의 부분공간입니다. R n \mathbb{R}^n R n 이 아닙니다. 열이 R m \mathbb{R}^m R m 의 벡터이기 때문입니다.
▶ 문제 10.5–10.6
10.4 영공간
정의 10.8 (영공간). A ∈ R m × n A \in \mathbb{R}^{m \times n} A ∈ R m × n 에 대하여 A x = 0 A\mathbf{x} = \mathbf{0} A x = 0 의 해 전체의 집합을 A A A 의 영공간 (nullspace)이라 하고 N ( A ) N(A) N ( A ) 로 씁니다.
N ( A ) = { x ∈ R n : A x = 0 } ⊆ R n . N(A) = \{\mathbf{x} \in \mathbb{R}^n : A\mathbf{x} = \mathbf{0}\} \subseteq \mathbb{R}^n. N ( A ) = { x ∈ R n : A x = 0 } ⊆ R n .
정리 10.9 (영공간은 부분공간). N ( A ) N(A) N ( A ) 는 R n \mathbb{R}^n R n 의 부분공간입니다.
증명. A 0 = 0 A\mathbf{0} = \mathbf{0} A 0 = 0 이므로 0 ∈ N ( A ) \mathbf{0} \in N(A) 0 ∈ N ( A ) . A v = 0 A\mathbf{v} = \mathbf{0} A v = 0 , A w = 0 A\mathbf{w} = \mathbf{0} A w = 0 이면 A ( v + w ) = A v + A w = 0 A(\mathbf{v} + \mathbf{w}) = A\mathbf{v} + A\mathbf{w} = \mathbf{0} A ( v + w ) = A v + A w = 0 이고 A ( c v ) = c A v = 0 A(c\mathbf{v}) = cA\mathbf{v} = \mathbf{0} A ( c v ) = c A v = 0 입니다. ■
증명에서 우변이 0 \mathbf{0} 0 이라는 것이 결정적입니다. A x = b A\mathbf{x} = \mathbf{b} A x = b (b ≠ 0 \mathbf{b} \ne \mathbf{0} b = 0 )의 해 전체는 부분공간이 아닙니다. 0 \mathbf{0} 0 이 해가 아니기 때문입니다.
예제 10.10.
A = [ 1 2 3 6 ] A = \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 6 \end{bmatrix} A = [ 1 3 2 6 ] : 소거하면 x + 2 y = 0 x + 2y = 0 x + 2 y = 0 만 남습니다. N ( A ) = { t ( − 2 , 1 ) : t ∈ R } N(A) = \{t(-2, 1) : t \in \mathbb{R}\} N ( A ) = { t ( − 2 , 1 ) : t ∈ R } , 원점을 지나는 직선.
A = [ 1 1 1 ] A = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 \end{bmatrix} A = [ 1 1 1 ] (1 × 3 1 \times 3 1 × 3 ): N ( A ) = { ( x , y , z ) : x + y + z = 0 } N(A) = \{(x, y, z) : x + y + z = 0\} N ( A ) = {( x , y , z ) : x + y + z = 0 } , R 3 \mathbb{R}^3 R 3 의 평면.
가역행렬 A A A : N ( A ) = { 0 } N(A) = \{\mathbf{0}\} N ( A ) = { 0 } (정리 9.6 (3)).
10.4.1 영공간과 해의 개수
정리 10.11 (해 전체의 구조). x p \mathbf{x}_p x p 가 A x = b A\mathbf{x} = \mathbf{b} A x = b 의 해 하나라 합시다. 그러면 A x = b A\mathbf{x} = \mathbf{b} A x = b 의 해 전체는
{ x p + x n : x n ∈ N ( A ) } \{\mathbf{x}_p + \mathbf{x}_n : \mathbf{x}_n \in N(A)\} { x p + x n : x n ∈ N ( A )}
입니다.
증명. x n ∈ N ( A ) \mathbf{x}_n \in N(A) x n ∈ N ( A ) 이면 A ( x p + x n ) = b + 0 = b A(\mathbf{x}_p + \mathbf{x}_n) = \mathbf{b} + \mathbf{0} = \mathbf{b} A ( x p + x n ) = b + 0 = b 이므로 해입니다. 거꾸로 x \mathbf{x} x 가 해이면 A ( x − x p ) = b − b = 0 A(\mathbf{x} - \mathbf{x}_p) = \mathbf{b} - \mathbf{b} = \mathbf{0} A ( x − x p ) = b − b = 0 이므로 x n = x − x p ∈ N ( A ) \mathbf{x}_n = \mathbf{x} - \mathbf{x}_p \in N(A) x n = x − x p ∈ N ( A ) 이고 x = x p + x n \mathbf{x} = \mathbf{x}_p + \mathbf{x}_n x = x p + x n 입니다. ■
그림 10.2. A = [ 1 2 3 6 ] A = \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 6 \end{bmatrix} A = [ 1 3 2 6 ] , b = ( 3 , 9 ) \mathbf{b} = (3, 9) b = ( 3 , 9 ) . 해 전체(점선)는 영공간(실선)을 x p = ( 1 , 1 ) \mathbf{x}_p = (1, 1) x p = ( 1 , 1 ) 만큼 평행이동한 직선입니다.
그림 10.2처럼 해 전체는 영공간을 평행이동한 것입니다. 따라서 해의 개수는 영공간이 결정합니다.
N ( A ) = { 0 } N(A) = \{\mathbf{0}\} N ( A ) = { 0 } 이면 해는 (있다면) 하나뿐입니다.
N ( A ) ≠ { 0 } N(A) \ne \{\mathbf{0}\} N ( A ) = { 0 } 이면 해는 (있다면) 무수히 많습니다. 영공간이 원점 외의 벡터를 하나라도 가지면 그 모든 스칼라배도 가지기 때문입니다.
1부에서 미뤄 두었던 “해는 0개, 1개, 무수히 많음 중 하나”가 이것으로 증명됩니다. 해가 정확히 2개인 경우는 불가능합니다.
변환의 말로는, N ( A ) = { 0 } N(A) = \{\mathbf{0}\} N ( A ) = { 0 } 은 A A A 가 단사라는 것입니다(문제 4.12). 영공간은 A A A 가 납작하게 지워 버리는 방향들입니다.
b를 움직이면 b가 열공간 위에 있는지, 그리고 해 전체가 어디에 놓이는지가 바뀝니다 이 위젯은 JavaScript가 필요합니다
▶ 문제 10.7–10.9
10.5 행 연산과 두 부분공간
질문. 8장의 소거는 A A A 를 U U U 로 바꿉니다. 이때 열공간과 영공간은 바뀔까요?
정리 10.12 (행 연산과 부분공간). 가역행렬 E E E 에 대해 E A EA E A 는 A A A 와
영공간이 같습니다: N ( E A ) = N ( A ) N(EA) = N(A) N ( E A ) = N ( A ) .
행공간이 같습니다: E A EA E A 의 행들의 span = = = A A A 의 행들의 span.
그러나 열공간은 일반적으로 다릅니다.
증명. (1) A x = 0 A\mathbf{x} = \mathbf{0} A x = 0 이면 E A x = 0 EA\mathbf{x} = \mathbf{0} E A x = 0 . 거꾸로 E A x = 0 EA\mathbf{x} = \mathbf{0} E A x = 0 이면 E − 1 E^{-1} E − 1 을 곱해 A x = 0 A\mathbf{x} = \mathbf{0} A x = 0 .
(2) E A EA E A 의 각 행은 A A A 의 행들의 일차결합입니다(정리 5.5 (3)). 따라서 E A EA E A 의 행공간 ⊆ \subseteq ⊆ A A A 의 행공간. A = E − 1 ( E A ) A = E^{-1}(EA) A = E − 1 ( E A ) 이므로 반대 방향도 같은 논리. ■
예제 10.13. A = [ 1 2 3 6 ] → U = [ 1 2 0 0 ] A = \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 6 \end{bmatrix} \to U = \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} A = [ 1 3 2 6 ] → U = [ 1 0 2 0 ] . C ( A ) C(A) C ( A ) 는 ( 1 , 3 ) (1, 3) ( 1 , 3 ) 방향의 직선이고 C ( U ) C(U) C ( U ) 는 ( 1 , 0 ) (1, 0) ( 1 , 0 ) 방향의 직선입니다. 열공간이 바뀌었습니다. 그러나 두 행렬 모두 N ( ⋅ ) = span { ( − 2 , 1 ) } N(\cdot) = \operatorname{span}\{(-2, 1)\} N ( ⋅ ) = span {( − 2 , 1 )} 입니다.
이 정리는 11장과 12장에서 계속 쓰입니다. 영공간을 구하려면 소거된 U U U (또는 11장의 R R R )에서 구해도 됩니다. 그러나 열공간을 구할 때는 A A A 의 원래 열을 써야 합니다.
직관. 행렬 A ∈ R m × n A \in \mathbb{R}^{m \times n} A ∈ R m × n 에서 나오는 부분공간을 정리하면
이름
기호
어디에 사는가
열공간
C ( A ) C(A) C ( A )
R m \mathbb{R}^m R m
영공간
N ( A ) N(A) N ( A )
R n \mathbb{R}^n R n
행공간
C ( A T ) C(A^T) C ( A T )
R n \mathbb{R}^n R n
왼쪽 영공간
N ( A T ) N(A^T) N ( A T )
R m \mathbb{R}^m R m
행공간은 A T A^T A T 의 열공간과 같습니다. 이 네 부분공간을 4대 부분공간이라 하며, 12장과 13장에서 이들 사이의 아름다운 관계를 봅니다.
▶ 문제 10.10–10.11
쓰이는 곳. '모델이 만들 수 있는 출력 전체'(열공간)와 '출력에 아무 영향을 주지 않는 입력 방향'(영공간)은 선형 모델을 해석할 때 자주 쓰입니다. 제어공학의 가제어성, 신호처리의 부분공간 방법도 이 개념 위에 있습니다.
이 장의 요약
부분공간: 0 \mathbf{0} 0 을 포함하고 덧셈·스칼라배에 닫힌 집합. span은 항상 부분공간입니다.
교집합은 부분공간이지만 합집합은 보통 아닙니다.
C ( A ) = { A x : x } ⊆ R m C(A) = \{A\mathbf{x} : \mathbf{x}\} \subseteq \mathbb{R}^m C ( A ) = { A x : x } ⊆ R m . A x = b A\mathbf{x} = \mathbf{b} A x = b 의 해가 있다 ⟺ \iff ⟺ b ∈ C ( A ) \mathbf{b} \in C(A) b ∈ C ( A ) .
N ( A ) = { x : A x = 0 } ⊆ R n N(A) = \{\mathbf{x} : A\mathbf{x} = \mathbf{0}\} \subseteq \mathbb{R}^n N ( A ) = { x : A x = 0 } ⊆ R n . 해 전체 = x p + N ( A ) = \mathbf{x}_p + N(A) = x p + N ( A ) . 해의 개수는 0 , 1 , ∞ 0, 1, \infty 0 , 1 , ∞ .
행 연산은 영공간과 행공간을 보존하지만 열공간은 바꿉니다.
문제
10.1 [계산] · 확인 문제
다음 집합이 부분공간인지 판정합니다. 아니면 깨지는 조건을 구체적인 벡터로 보입니다. 부분공간이면 O, 아니면 X를 적습니다.
집합
부분공간인가
(a) { ( x , y ) ∈ R 2 : x = 3 y } \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 : x = 3y\} {( x , y ) ∈ R 2 : x = 3 y }
[?]
(b) { ( x , y ) ∈ R 2 : x + y = 1 } \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 : x + y = 1\} {( x , y ) ∈ R 2 : x + y = 1 }
[?]
(c) { ( x , y , z ) ∈ R 3 : z = 0 } \{(x, y, z) \in \mathbb{R}^3 : z = 0\} {( x , y , z ) ∈ R 3 : z = 0 }
[?]
(d) { ( x , y ) ∈ R 2 : x y ≥ 0 } \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 : xy \ge 0\} {( x , y ) ∈ R 2 : x y ≥ 0 }
[?]
(e) { ( x , y , z ) ∈ R 3 : x = y = z } \{(x, y, z) \in \mathbb{R}^3 : x = y = z\} {( x , y , z ) ∈ R 3 : x = y = z }
[?]
(f) { ( x , y ) ∈ R 2 : x 2 = y 2 } \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 : x^2 = y^2\} {( x , y ) ∈ R 2 : x 2 = y 2 }
[?]
정답 풀이 (a) 부분공간 (직선 span { ( 3 , 1 ) } \operatorname{span}\{(3, 1)\} span {( 3 , 1 )} ). (b) 아님: 0 \mathbf{0} 0 이 없습니다.
(c) 부분공간 (x y xy x y 평면). (d) 아님: ( 1 , 0 ) (1, 0) ( 1 , 0 ) , ( 0 , − 1 ) (0, -1) ( 0 , − 1 ) 은 속하지만 합 ( 1 , − 1 ) (1, -1) ( 1 , − 1 ) 은 x y = − 1 < 0 xy = -1 < 0 x y = − 1 < 0 .
(e) 부분공간 (span { ( 1 , 1 , 1 ) } \operatorname{span}\{(1, 1, 1)\} span {( 1 , 1 , 1 )} ). (f) 아님: 두 직선 y = ± x y = \pm x y = ± x 의 합집합. ( 1 , 1 ) + ( 1 , − 1 ) = ( 2 , 0 ) (1, 1) + (1, -1) = (2, 0) ( 1 , 1 ) + ( 1 , − 1 ) = ( 2 , 0 ) 은 4 ≠ 0 4 \ne 0 4 = 0 .
10.2 [증명]
실수 a , b , c , d a, b, c, d a , b , c , d 에 대해 P = { ( x , y , z ) : a x + b y + c z = d } P = \{(x, y, z) : ax + by + cz = d\} P = {( x , y , z ) : a x + b y + cz = d } 라 합시다. d = 0 d = 0 d = 0 이면 P P P 는 부분공간이고, d ≠ 0 d \ne 0 d = 0 이면 부분공간이 아님을 보입니다.
풀이 d = 0 d = 0 d = 0 : P = N ( [ a b c ] ) P = N\left(\begin{bmatrix} a & b & c \end{bmatrix}\right) P = N ( [ a b c ] ) 이므로 부분공간(정리 10.9 ). d ≠ 0 d \ne 0 d = 0 : ( 0 , 0 , 0 ) (0, 0, 0) ( 0 , 0 , 0 ) 을 넣으면 0 ≠ d 0 \ne d 0 = d 이므로 0 ∉ P \mathbf{0} \notin P 0 ∈ / P .
10.3 [도전]
S S S , T T T 가 R n \mathbb{R}^n R n 의 부분공간일 때, S ∪ T S \cup T S ∪ T 가 부분공간인 것은 S ⊆ T S \subseteq T S ⊆ T 또는 T ⊆ S T \subseteq S T ⊆ S 인 것과 동치임을 증명합니다.
힌트. (⇒) 대우로. s ∈ S ∖ T \mathbf{s} \in S \setminus T s ∈ S ∖ T , t ∈ T ∖ S \mathbf{t} \in T \setminus S t ∈ T ∖ S 가 있으면 s + t \mathbf{s} + \mathbf{t} s + t 는 어디에 있을까요?
풀이 (⇐) 합집합이 큰 쪽과 같으므로 부분공간. (⇒) 대우. s ∈ S ∖ T \mathbf{s} \in S \setminus T s ∈ S ∖ T , t ∈ T ∖ S \mathbf{t} \in T \setminus S t ∈ T ∖ S 라 합시다. s + t ∈ S \mathbf{s} + \mathbf{t} \in S s + t ∈ S 이면 t = ( s + t ) − s ∈ S \mathbf{t} = (\mathbf{s} + \mathbf{t}) - \mathbf{s} \in S t = ( s + t ) − s ∈ S 로 모순. s + t ∈ T \mathbf{s} + \mathbf{t} \in T s + t ∈ T 이면 s ∈ T \mathbf{s} \in T s ∈ T 로 모순. 따라서 s + t ∉ S ∪ T \mathbf{s} + \mathbf{t} \notin S \cup T s + t ∈ / S ∪ T .
10.4 [계산]
R 3 \mathbb{R}^3 R 3 의 두 평면 x + y + z = 0 x + y + z = 0 x + y + z = 0 과 x − y = 0 x - y = 0 x − y = 0 의 교집합을 span으로 나타냅니다.
풀이 y = x y = x y = x 를 첫째 식에 넣으면 z = − 2 x z = -2x z = − 2 x . 교집합 = span { ( 1 , 1 , − 2 ) } = \operatorname{span}\{(1, 1, -2)\} = span {( 1 , 1 , − 2 )} , 원점을 지나는 직선.
10.5 [계산] · 확인 문제
열공간을 기하적으로 설명합니다(점, 직선, 평면, 전체 중 무엇이며 어느 공간 안에 있는가). 표에는 “원점”, “직선”, “평면”, “전체” 중 하나를 적습니다.
(a) [ 1 2 2 4 ] (b) [ 1 0 0 1 1 1 ] (c) [ 1 2 3 0 1 1 ] (d) [ 0 0 0 0 ] \text{(a)}\ \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 2 & 4 \end{bmatrix} \qquad \text{(b)}\ \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \\ 1 & 1 \end{bmatrix} \qquad \text{(c)}\ \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 1 \end{bmatrix} \qquad \text{(d)}\ \begin{bmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} (a) [ 1 2 2 4 ] (b) 1 0 1 0 1 1 (c) [ 1 0 2 1 3 1 ] (d) [ 0 0 0 0 ]
(a)
(b)
(c)
(d)
[?]
[?]
[?]
[?]
정답 풀이 (a) R 2 \mathbb{R}^2 R 2 의 직선 y = 2 x y = 2x y = 2 x . (b) R 3 \mathbb{R}^3 R 3 의 평면 z = x + y z = x + y z = x + y (열 ( 1 , 0 , 1 ) (1, 0, 1) ( 1 , 0 , 1 ) , ( 0 , 1 , 1 ) (0, 1, 1) ( 0 , 1 , 1 ) ). (c) R 2 \mathbb{R}^2 R 2 전체 (처음 두 열이 평행하지 않습니다). (d) { 0 } ⊆ R 2 \{\mathbf{0}\} \subseteq \mathbb{R}^2 { 0 } ⊆ R 2 .
10.6 [계산] · 확인 문제
A = [ 1 0 4 3 2 3 ] A = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 4 & 3 \\ 2 & 3 \end{bmatrix} A = 1 4 2 0 3 3 에 대해 A x = b A\mathbf{x} = \mathbf{b} A x = b 가 해를 갖기 위한 b 1 , b 2 , b 3 b_1, b_2, b_3 b 1 , b 2 , b 3 의 조건을 하나의 식으로 구합니다. ( 1 , 7 , 5 ) (1, 7, 5) ( 1 , 7 , 5 ) 와 ( 1 , 0 , 0 ) (1, 0, 0) ( 1 , 0 , 0 ) 으로 확인합니다. 표에는 두 b \mathbf{b} b 에 대해 해가 있으면 O, 없으면 X를 적습니다.
b \mathbf{b} b
해가 있는가
( 1 , 7 , 5 ) (1, 7, 5) ( 1 , 7 , 5 )
[?]
( 1 , 0 , 0 ) (1, 0, 0) ( 1 , 0 , 0 )
[?]
정답 풀이 x 1 ( 1 , 4 , 2 ) + x 2 ( 0 , 3 , 3 ) = b x_1(1, 4, 2) + x_2(0, 3, 3) = \mathbf{b} x 1 ( 1 , 4 , 2 ) + x 2 ( 0 , 3 , 3 ) = b 에서 x 1 = b 1 x_1 = b_1 x 1 = b 1 , 3 x 2 = b 2 − 4 b 1 3x_2 = b_2 - 4b_1 3 x 2 = b 2 − 4 b 1 . 셋째 성분: 2 b 1 + 3 x 2 = 2 b 1 + b 2 − 4 b 1 = b 2 − 2 b 1 2b_1 + 3x_2 = 2b_1 + b_2 - 4b_1 = b_2 - 2b_1 2 b 1 + 3 x 2 = 2 b 1 + b 2 − 4 b 1 = b 2 − 2 b 1 이어야 하므로 조건은 b 3 = b 2 − 2 b 1 b_3 = b_2 - 2b_1 b 3 = b 2 − 2 b 1 , 즉 2 b 1 − b 2 + b 3 = 0 2b_1 - b_2 + b_3 = 0 2 b 1 − b 2 + b 3 = 0 . ( 1 , 7 , 5 ) (1, 7, 5) ( 1 , 7 , 5 ) : 2 − 7 + 5 = 0 2 - 7 + 5 = 0 2 − 7 + 5 = 0 만족. ( 1 , 0 , 0 ) (1, 0, 0) ( 1 , 0 , 0 ) : 2 ≠ 0 2 \ne 0 2 = 0 불만족.
10.7 [계산] · 확인 문제
영공간을 구하고, 몇 개의 벡터의 span으로 나타냅니다. 표에는 영공간을 span으로 나타낼 때 필요한 (서로 평행하지 않은) 벡터의 최소 개수를 적습니다. 영공간이 { 0 } \{\mathbf{0}\} { 0 } 이면 0입니다.
(a) [ 1 2 3 ] (b) [ 1 1 1 − 1 ] (c) [ 1 2 1 2 4 2 ] (d) [ 1 0 1 0 1 1 ] \text{(a)}\ \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 \end{bmatrix} \qquad \text{(b)}\ \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{bmatrix} \qquad \text{(c)}\ \begin{bmatrix} 1 & 2 & 1 \\ 2 & 4 & 2 \end{bmatrix} \qquad \text{(d)}\ \begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 1 \end{bmatrix} (a) [ 1 2 3 ] (b) [ 1 1 1 − 1 ] (c) [ 1 2 2 4 1 2 ] (d) [ 1 0 0 1 1 1 ]
(a)
(b)
(c)
(d)
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[?]
[?]
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정답 풀이 (a) x = − 2 y − 3 z x = -2y - 3z x = − 2 y − 3 z . span { ( − 2 , 1 , 0 ) , ( − 3 , 0 , 1 ) } \operatorname{span}\{(-2, 1, 0), (-3, 0, 1)\} span {( − 2 , 1 , 0 ) , ( − 3 , 0 , 1 )} , R 3 \mathbb{R}^3 R 3 의 평면.
(b) det = − 2 ≠ 0 \det = -2 \ne 0 det = − 2 = 0 이므로 { 0 } \{\mathbf{0}\} { 0 } .
(c) 둘째 행이 첫째의 2배. x + 2 y + z = 0 x + 2y + z = 0 x + 2 y + z = 0 : span { ( − 2 , 1 , 0 ) , ( − 1 , 0 , 1 ) } \operatorname{span}\{(-2, 1, 0), (-1, 0, 1)\} span {( − 2 , 1 , 0 ) , ( − 1 , 0 , 1 )} .
(d) x = − z x = -z x = − z , y = − z y = -z y = − z : span { ( − 1 , − 1 , 1 ) } \operatorname{span}\{(-1, -1, 1)\} span {( − 1 , − 1 , 1 )} .
10.8 [계산]
A = [ 1 1 1 1 2 3 ] A = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 3 \end{bmatrix} A = [ 1 1 1 2 1 3 ] , b = ( 3 , 6 ) \mathbf{b} = (3, 6) b = ( 3 , 6 ) 에 대해 A x = b A\mathbf{x} = \mathbf{b} A x = b 의 해 전체를 x p + N ( A ) \mathbf{x}_p + N(A) x p + N ( A ) 꼴로 씁니다.
풀이 행2 − - − 행1: y + 2 z = 3 y + 2z = 3 y + 2 z = 3 . z = t z = t z = t 이면 y = 3 − 2 t y = 3 - 2t y = 3 − 2 t , x = 3 − y − z = t x = 3 - y - z = t x = 3 − y − z = t . 해 = ( 0 , 3 , 0 ) + t ( 1 , − 2 , 1 ) = (0, 3, 0) + t(1, -2, 1) = ( 0 , 3 , 0 ) + t ( 1 , − 2 , 1 ) . x p = ( 0 , 3 , 0 ) \mathbf{x}_p = (0, 3, 0) x p = ( 0 , 3 , 0 ) , N ( A ) = span { ( 1 , − 2 , 1 ) } N(A) = \operatorname{span}\{(1, -2, 1)\} N ( A ) = span {( 1 , − 2 , 1 )} .
10.9 [도전]
(a) A x = b A\mathbf{x} = \mathbf{b} A x = b 가 서로 다른 해 x 1 ≠ x 2 \mathbf{x}_1 \ne \mathbf{x}_2 x 1 = x 2 를 가지면 해가 무수히 많음을, 정리 10.11 을 쓰지 않고 직접 보입니다. (힌트: x 1 + t ( x 2 − x 1 ) \mathbf{x}_1 + t(\mathbf{x}_2 - \mathbf{x}_1) x 1 + t ( x 2 − x 1 ) ) (b) x 1 , x 2 \mathbf{x}_1, \mathbf{x}_2 x 1 , x 2 가 해일 때 1 2 ( x 1 + x 2 ) \frac12(\mathbf{x}_1 + \mathbf{x}_2) 2 1 ( x 1 + x 2 ) 는 해일까요? 2 x 1 2\mathbf{x}_1 2 x 1 은?
풀이 (a) A ( x 1 + t ( x 2 − x 1 ) ) = b + t ( b − b ) = b A\big(\mathbf{x}_1 + t(\mathbf{x}_2 - \mathbf{x}_1)\big) = \mathbf{b} + t(\mathbf{b} - \mathbf{b}) = \mathbf{b} A ( x 1 + t ( x 2 − x 1 ) ) = b + t ( b − b ) = b . x 2 − x 1 ≠ 0 \mathbf{x}_2 - \mathbf{x}_1 \ne \mathbf{0} x 2 − x 1 = 0 이므로 t t t 마다 다른 해가 나옵니다.
(b) A ( 1 2 ( x 1 + x 2 ) ) = 1 2 ( b + b ) = b A\big(\frac12(\mathbf{x}_1 + \mathbf{x}_2)\big) = \frac12(\mathbf{b} + \mathbf{b}) = \mathbf{b} A ( 2 1 ( x 1 + x 2 ) ) = 2 1 ( b + b ) = b 이므로 해. A ( 2 x 1 ) = 2 b A(2\mathbf{x}_1) = 2\mathbf{b} A ( 2 x 1 ) = 2 b 이므로 b ≠ 0 \mathbf{b} \ne \mathbf{0} b = 0 이면 해가 아닙니다.
10.10 [계산]
A = [ 1 2 0 2 4 1 3 6 1 ] A = \begin{bmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 2 & 4 & 1 \\ 3 & 6 & 1 \end{bmatrix} A = 1 2 3 2 4 6 0 1 1 을 소거하여 U U U 를 구합니다. N ( A ) = N ( U ) N(A) = N(U) N ( A ) = N ( U ) 임을 확인하고, C ( A ) ≠ C ( U ) C(A) \ne C(U) C ( A ) = C ( U ) 임을 C ( A ) C(A) C ( A ) 에는 있지만 C ( U ) C(U) C ( U ) 에는 없는 벡터로 보입니다.
풀이 행2 − 2 - 2 − 2 행1 = ( 0 , 0 , 1 ) = (0, 0, 1) = ( 0 , 0 , 1 ) , 행3 − 3 - 3 − 3 행1 = ( 0 , 0 , 1 ) = (0, 0, 1) = ( 0 , 0 , 1 ) , 행3 − - − 행2 = 0 = \mathbf{0} = 0 . U = [ 1 2 0 0 0 1 0 0 0 ] U = \begin{bmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{bmatrix} U = 1 0 0 2 0 0 0 1 0 . 두 행렬 모두 z = 0 z = 0 z = 0 , x = − 2 y x = -2y x = − 2 y 이므로 영공간 = span { ( − 2 , 1 , 0 ) } = \operatorname{span}\{(-2, 1, 0)\} = span {( − 2 , 1 , 0 )} . C ( U ) C(U) C ( U ) 의 모든 벡터는 셋째 성분이 0인데, A A A 의 첫째 열 ( 1 , 2 , 3 ) ∈ C ( A ) (1, 2, 3) \in C(A) ( 1 , 2 , 3 ) ∈ C ( A ) 는 셋째 성분이 3.
10.11 [증명]
크기가 맞는 행렬 A A A , B B B 에 대해 (a) N ( A ) ⊆ N ( B A ) N(A) \subseteq N(BA) N ( A ) ⊆ N ( B A ) 임을 보입니다. (b) C ( A B ) ⊆ C ( A ) C(AB) \subseteq C(A) C ( A B ) ⊆ C ( A ) 임을 보입니다. 각각 변환의 말로 설명합니다.
풀이 (a) A x = 0 A\mathbf{x} = \mathbf{0} A x = 0 이면 B A x = B 0 = 0 BA\mathbf{x} = B\mathbf{0} = \mathbf{0} B A x = B 0 = 0 . 변환: A A A 가 지운 방향은 그 뒤에 무엇을 해도 지워진 채입니다.
(b) A B x = A ( B x ) AB\mathbf{x} = A(B\mathbf{x}) A B x = A ( B x ) 는 A A A 의 출력입니다. 변환: B B B 를 먼저 하든 말든 마지막 출력은 A A A 의 치역 안에 있습니다.