행렬을 추상화한 것이 선형사상입니다. 미분(다항식을 다항식으로 보냄)이나 적분도 선형사상입니다. 이 장에서는 선형사상의 영공간과 치역, 차원 정리, 가역성, 쌍대공간을 다룹니다. 일부 절(몫공간, 쌍대)은 고급 내용이라 처음 읽을 때는 건너뛰어도 뒤 장을 읽을 수 있습니다(심화·고급).
22.1 행렬보다 먼저
질문. 다항식을 미분하는 것, 수열을 한 칸 미는 것, 함수를 한 점에서 계산하는 것은 모두 “일차결합을 일차결합으로 보내는” 규칙입니다. 행렬은 없습니다. 이런 규칙들에 대해서도 랭크–영공간 정리 같은 결과가 성립할까요?
4장과 19장에서 선형변환은 행렬보다 먼저 존재한다고 했습니다. 이 장에서는 그 생각을 끝까지 밀고 나갑니다. 벡터공간 사이의 선형사상을 직접 다루고, 행렬은 기저를 고를 때만 꺼냅니다. 그렇게 하면 12장의 결과들이 더 짧고 더 일반적인 증명을 얻고, 몫공간과 쌍대공간이라는 새로운 도구가 생깁니다.
이 장에서 V V V , W W W , U U U 는 F \mathbb{F} F 위의 벡터공간입니다.
22.2 선형사상과 L(V, W)
정의 22.1 (선형사상). 함수 T : V → W T : V \to W T : V → W 가 모든 u , v ∈ V u, v \in V u , v ∈ V , a ∈ F a \in \mathbb{F} a ∈ F 에 대해
T ( u + v ) = T u + T v , T ( a v ) = a T ( v ) T(u + v) = Tu + Tv, \qquad T(av) = a\,T(v) T ( u + v ) = T u + T v , T ( a v ) = a T ( v )
를 만족하면 선형사상 (linear map)이라 합니다. V V V 에서 W W W 로의 선형사상 전체를 L ( V , W ) \mathcal{L}(V, W) L ( V , W ) 로, V V V 에서 V V V 로의 선형사상(연산자 (operator)) 전체를 L ( V ) \mathcal{L}(V) L ( V ) 로 씁니다.
선형사상에서는 괄호를 생략해 T ( v ) T(v) T ( v ) 를 T v Tv T v 로 쓰는 경우가 많습니다. 행렬과 벡터의 곱 A x A\mathbf{x} A x 처럼 읽으면 됩니다.
예제 22.2.
영사상 0 v = 0 0v = 0 0 v = 0 , 항등사상 I v = v Iv = v I v = v .
미분 D ∈ L ( P ( R ) ) D \in \mathcal{L}(\mathcal{P}(\mathbb{R})) D ∈ L ( P ( R )) , D p = p ′ Dp = p' D p = p ′ . (다항식의 미분 D ( ∑ a k x k ) = ∑ k a k x k − 1 D\left(\sum a_kx^k\right) = \sum ka_kx^{k-1} D ( ∑ a k x k ) = ∑ k a k x k − 1 은 계수에 대한 공식으로 정의할 수 있으므로 미적분 없이도 다룰 수 있습니다.)
x x x 곱하기 T ∈ L ( P ( R ) ) T \in \mathcal{L}(\mathcal{P}(\mathbb{R})) T ∈ L ( P ( R )) , ( T p ) ( x ) = x p ( x ) (Tp)(x) = xp(x) ( T p ) ( x ) = x p ( x ) .
왼쪽 밀기 L ∈ L ( F ∞ ) L \in \mathcal{L}(\mathbb{F}^\infty) L ∈ L ( F ∞ ) , L ( x 1 , x 2 , x 3 , … ) = ( x 2 , x 3 , … ) L(x_1, x_2, x_3, \ldots) = (x_2, x_3, \ldots) L ( x 1 , x 2 , x 3 , … ) = ( x 2 , x 3 , … ) . 오른쪽 밀기 R ( x 1 , x 2 , … ) = ( 0 , x 1 , x 2 , … ) R(x_1, x_2, \ldots) = (0, x_1, x_2, \ldots) R ( x 1 , x 2 , … ) = ( 0 , x 1 , x 2 , … ) .
계산 φ ∈ L ( P ( R ) , R ) \varphi \in \mathcal{L}(\mathcal{P}(\mathbb{R}), \mathbb{R}) φ ∈ L ( P ( R ) , R ) , φ ( p ) = p ( 3 ) \varphi(p) = p(3) φ ( p ) = p ( 3 ) .
A ∈ F m × n A \in \mathbb{F}^{m \times n} A ∈ F m × n 에 대해 x ↦ A x \mathbf{x} \mapsto A\mathbf{x} x ↦ A x 는 L ( F n , F m ) \mathcal{L}(\mathbb{F}^n, \mathbb{F}^m) L ( F n , F m ) 의 원소입니다.
정리 22.3 (기저에서의 값이 선형사상을 결정합니다). v 1 , … , v n v_1, \ldots, v_n v 1 , … , v n 이 V V V 의 기저이고 w 1 , … , w n ∈ W w_1, \ldots, w_n \in W w 1 , … , w n ∈ W 가 임의로 주어지면, T v j = w j Tv_j = w_j T v j = w j (j = 1 , … , n j = 1, \ldots, n j = 1 , … , n )인 선형사상 T : V → W T : V \to W T : V → W 가 정확히 하나 존재합니다.
증명. 존재: v = ∑ c j v j v = \sum c_jv_j v = ∑ c j v j (유일한 표현)에 대해 T v = ∑ c j w j Tv = \sum c_jw_j T v = ∑ c j w j 로 정의합니다. 표현이 유일하므로 잘 정의되고, T v j = w j Tv_j = w_j T v j = w j 이며, 선형임은 계수끼리 더하고 곱하면 확인됩니다. 유일: 선형이고 T v j = w j Tv_j = w_j T v j = w j 이면 T ( ∑ c j v j ) = ∑ c j w j T\left(\sum c_jv_j\right) = \sum c_jw_j T ( ∑ c j v j ) = ∑ c j w j 일 수밖에 없습니다. ■
4장의 정리 4.6 은 “결정됩니다”였습니다. 이 정리는 “어떤 값을 주든 그런 선형사상이 존재합니다”도 말합니다. 기저 위에서는 마음대로 값을 정할 수 있고, 나머지는 선형성이 알아서 채웁니다.
정리 22.4 (L ( V , W ) \mathcal{L}(V, W) L ( V , W ) 는 벡터공간입니다). ( S + T ) v = S v + T v (S + T)v = Sv + Tv ( S + T ) v = S v + T v , ( a T ) v = a ( T v ) (aT)v = a(Tv) ( a T ) v = a ( T v ) 로 정의하면 L ( V , W ) \mathcal{L}(V, W) L ( V , W ) 는 벡터공간입니다.
증명은 함수 공간(20.4절)과 같습니다. S + T S + T S + T 와 a T aT a T 가 다시 선형임만 확인하면 됩니다.
정의 22.5 (선형사상의 곱). T ∈ L ( U , V ) T \in \mathcal{L}(U, V) T ∈ L ( U , V ) , S ∈ L ( V , W ) S \in \mathcal{L}(V, W) S ∈ L ( V , W ) 에 대해 S T ∈ L ( U , W ) ST \in \mathcal{L}(U, W) S T ∈ L ( U , W ) 를 ( S T ) u = S ( T u ) (ST)u = S(Tu) ( S T ) u = S ( T u ) 로 정의합니다.
곱은 합성이며 결합법칙과 분배법칙을 만족하지만 교환법칙은 만족하지 않습니다(5장). 예를 들어 P ( R ) \mathcal{P}(\mathbb{R}) P ( R ) 에서 D T ≠ T D DT \ne TD D T = T D 입니다. ( D T ) p = ( x p ) ′ = p + x p ′ (DT)p = (xp)' = p + xp' ( D T ) p = ( x p ) ′ = p + x p ′ 이고 ( T D ) p = x p ′ (TD)p = xp' ( T D ) p = x p ′ 이므로 D T − T D = I DT - TD = I D T − T D = I 입니다. 이 관계는 양자역학의 불확정성 원리의 수학적 뼈대입니다.
▶ 문제 22.1–22.4
22.3 영공간과 치역
정의 22.6 (영공간과 치역). T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) 에 대해
null T = { v ∈ V : T v = 0 } , range T = { T v : v ∈ V } \operatorname{null} T = \{v \in V : Tv = 0\}, \qquad \operatorname{range} T = \{Tv : v \in V\} null T = { v ∈ V : T v = 0 } , range T = { T v : v ∈ V }
를 각각 T T T 의 영공간 (null space, kernel)과 치역 (range, image)이라 합니다.
10장의 N ( A ) N(A) N ( A ) 와 C ( A ) C(A) C ( A ) 에 해당합니다. 둘 다 부분공간입니다(정리 10.9 와 같은 증명).
예제 22.7.
D ∈ L ( P ( R ) ) D \in \mathcal{L}(\mathcal{P}(\mathbb{R})) D ∈ L ( P ( R )) : null D \operatorname{null} D null D = 상수 다항식, range D = P ( R ) \operatorname{range} D = \mathcal{P}(\mathbb{R}) range D = P ( R ) (모든 다항식은 어떤 다항식의 도함수).
왼쪽 밀기 L L L : null L = { ( x 1 , 0 , 0 , … ) : x 1 ∈ F } \operatorname{null} L = \{(x_1, 0, 0, \ldots) : x_1 \in \mathbb{F}\} null L = {( x 1 , 0 , 0 , … ) : x 1 ∈ F } , range L = F ∞ \operatorname{range} L = \mathbb{F}^\infty range L = F ∞ .
오른쪽 밀기 R R R : null R = { 0 } \operatorname{null} R = \{0\} null R = { 0 } , range R \operatorname{range} R range R = 첫 성분이 0인 수열.
정리 22.8 (단사와 영공간). T T T 가 단사인 것은 null T = { 0 } \operatorname{null} T = \{0\} null T = { 0 } 인 것과 동치입니다.
문제 4.12와 같은 증명입니다. 전사는 정의대로 range T = W \operatorname{range} T = W range T = W 입니다.
▶ 문제 22.5–22.6
22.4 선형사상의 기본정리
정리 22.9 (선형사상의 기본정리). V V V 가 유한차원이고 T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) 이면 range T \operatorname{range} T range T 는 유한차원이고
dim V = dim null T + dim range T . \dim V = \dim\operatorname{null} T + \dim\operatorname{range} T. dim V = dim null T + dim range T .
증명. null T \operatorname{null} T null T 의 기저 u 1 , … , u m u_1, \ldots, u_m u 1 , … , u m 을 V V V 의 기저 u 1 , … , u m , v 1 , … , v n u_1, \ldots, u_m, v_1, \ldots, v_n u 1 , … , u m , v 1 , … , v n 으로 늘립니다(정리 21.10 ). dim V = m + n \dim V = m + n dim V = m + n 이므로, T v 1 , … , T v n Tv_1, \ldots, Tv_n T v 1 , … , T v n 이 range T \operatorname{range} T range T 의 기저임을 보이면 됩니다.
span: v = ∑ a i u i + ∑ b j v j v = \sum a_iu_i + \sum b_jv_j v = ∑ a i u i + ∑ b j v j 이면 T u i = 0 Tu_i = 0 T u i = 0 이므로 T v = ∑ b j T v j Tv = \sum b_jTv_j T v = ∑ b j T v j .
독립: ∑ c j T v j = 0 \sum c_jTv_j = 0 ∑ c j T v j = 0 이면 T ( ∑ c j v j ) = 0 T\left(\sum c_jv_j\right) = 0 T ( ∑ c j v j ) = 0 이므로 ∑ c j v j ∈ null T \sum c_jv_j \in \operatorname{null} T ∑ c j v j ∈ null T , 즉 ∑ c j v j = ∑ d i u i \sum c_jv_j = \sum d_iu_i ∑ c j v j = ∑ d i u i . 이항하면 V V V 의 기저의 일차결합이 0이므로 모든 c j = 0 c_j = 0 c j = 0 . ■
12장의 따름정리 12.17 이 행렬 없이, 임의의 선형사상에 대해 증명되었습니다. 증명의 아이디어도 그림 12.2와 같습니다. V V V 를 “지워지는 부분”(u i u_i u i )과 “살아남는 부분”(v j v_j v j )으로 나누면, 살아남는 부분은 치역으로 일대일 대응합니다.
따름정리 22.10 (차원과 단사·전사). V V V , W W W 가 유한차원이고 T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) 일 때
dim V > dim W \dim V > \dim W dim V > dim W 이면 T T T 는 단사가 아닙니다.
dim V < dim W \dim V < \dim W dim V < dim W 이면 T T T 는 전사가 아닙니다.
증명. (1) dim null T = dim V − dim range T ≥ dim V − dim W > 0 \dim\operatorname{null} T = \dim V - \dim\operatorname{range} T \ge \dim V - \dim W > 0 dim null T = dim V − dim range T ≥ dim V − dim W > 0 . (2) dim range T = dim V − dim null T ≤ dim V < dim W \dim\operatorname{range} T = \dim V - \dim\operatorname{null} T \le \dim V < \dim W dim range T = dim V − dim null T ≤ dim V < dim W . ■
연립방정식으로 번역하면 (1)은 “미지수가 식보다 많은 동차연립방정식은 영이 아닌 해를 갖습니다”, (2)는 “식이 미지수보다 많으면 해가 없는 우변이 있습니다”입니다. 11장에서 소거로 얻은 결과가 차원 세기만으로 나왔습니다.
▶ 문제 22.7–22.9
22.5 선형사상의 행렬
19장의 정의를 그대로 씁니다. V V V 의 기저 v 1 , … , v n v_1, \ldots, v_n v 1 , … , v n , W W W 의 기저 w 1 , … , w m w_1, \ldots, w_m w 1 , … , w m 을 고르면 T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) 의 행렬 M ( T ) \mathcal{M}(T) M ( T ) 는
T v k = ∑ j = 1 m M ( T ) j k w j Tv_k = \sum_{j=1}^m \mathcal{M}(T)_{jk}\,w_j T v k = j = 1 ∑ m M ( T ) j k w j
로 정해지는 m × n m \times n m × n 행렬입니다. 벡터 v v v 의 행렬 M ( v ) \mathcal{M}(v) M ( v ) 는 그 좌표를 열로 쓴 n × 1 n \times 1 n × 1 행렬입니다.
정리 22.11 (행렬의 성질). 기저를 고정하면
M ( S + T ) = M ( S ) + M ( T ) \mathcal{M}(S + T) = \mathcal{M}(S) + \mathcal{M}(T) M ( S + T ) = M ( S ) + M ( T ) , M ( a T ) = a M ( T ) \mathcal{M}(aT) = a\mathcal{M}(T) M ( a T ) = a M ( T ) .
M ( S T ) = M ( S ) M ( T ) \mathcal{M}(ST) = \mathcal{M}(S)\mathcal{M}(T) M ( S T ) = M ( S ) M ( T ) (가운데 공간에서 같은 기저를 쓸 때).
M ( T v ) = M ( T ) M ( v ) \mathcal{M}(Tv) = \mathcal{M}(T)\mathcal{M}(v) M ( T v ) = M ( T ) M ( v ) .
(2)가 5장에서 행렬곱을 그렇게 정의한 이유입니다. 증명은 문제 19.4와 정리 19.3 입니다.
예제 22.12. D : P 3 ( R ) → P 2 ( R ) D : \mathcal{P}_3(\mathbb{R}) \to \mathcal{P}_2(\mathbb{R}) D : P 3 ( R ) → P 2 ( R ) , 기저 1 , x , x 2 , x 3 1, x, x^2, x^3 1 , x , x 2 , x 3 과 1 , x , x 2 1, x, x^2 1 , x , x 2 :
M ( D ) = [ 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 ] . \mathcal{M}(D) = \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 3 \end{bmatrix}. M ( D ) = 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 .
랭크 3, 영공간 1차원. 기본정리: 4 = 1 + 3 4 = 1 + 3 4 = 1 + 3 .
▶ 문제 22.10
22.6 가역성과 동형
정의 22.13 (가역과 동형). T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) 에 대해 S T = I V ST = I_V S T = I V , T S = I W TS = I_W T S = I W 인 S ∈ L ( W , V ) S \in \mathcal{L}(W, V) S ∈ L ( W , V ) 가 있으면 T T T 를 가역 (invertible)이라 합니다. 가역인 선형사상을 동형사상 (isomorphism)이라 하고, V V V 에서 W W W 로의 동형사상이 존재하면 V V V 와 W W W 가 동형 (isomorphic)이라 하며 V ≅ W V \cong W V ≅ W 로 씁니다.
가역 ⟺ \iff ⟺ 전단사입니다(0장). 전단사인 선형사상의 역함수는 자동으로 선형입니다(문제 22.11).
정리 22.14 (동형과 차원). 유한차원 벡터공간 V V V , W W W 가 동형인 것은 dim V = dim W \dim V = \dim W dim V = dim W 인 것과 동치입니다.
증명. (⇒) 동형사상 T T T 는 null T = { 0 } \operatorname{null} T = \{0\} null T = { 0 } , range T = W \operatorname{range} T = W range T = W 이므로 기본정리에서 dim V = 0 + dim W \dim V = 0 + \dim W dim V = 0 + dim W . (⇐) 기저 v 1 , … , v n v_1, \ldots, v_n v 1 , … , v n 과 w 1 , … , w n w_1, \ldots, w_n w 1 , … , w n 을 골라 T v j = w j Tv_j = w_j T v j = w j 로 정의합니다(정리 22.3 ). T T T 는 기저를 기저로 보내므로 전사이고, 기본정리에 의해 dim null T = 0 \dim\operatorname{null} T = 0 dim null T = 0 , 단사입니다. ■
직관. 동형인 두 공간은 원소의 이름만 다를 뿐 벡터공간으로서는 같습니다. P 3 ( R ) \mathcal{P}_3(\mathbb{R}) P 3 ( R ) , R 4 \mathbb{R}^4 R 4 , R 2 × 2 \mathbb{R}^{2 \times 2} R 2 × 2 는 모두 4차원이므로 서로 동형입니다. 기저를 고르는 것은 V V V 를 F n \mathbb{F}^n F n 과 동일시하는 동형사상 v ↦ M ( v ) v \mapsto \mathcal{M}(v) v ↦ M ( v ) 를 고르는 것입니다. 그래서 유한차원 선형대수는 결국 F n \mathbb{F}^n F n 과 행렬의 선형대수로 바꿔 계산할 수 있습니다. 2부가 3부의 계산 도구가 되는 이유입니다.
정리 22.15 (L ( V , W ) ≅ F m × n \mathcal{L}(V, W) \cong \mathbb{F}^{m \times n} L ( V , W ) ≅ F m × n ). dim V = n \dim V = n dim V = n , dim W = m \dim W = m dim W = m 이면 기저를 고정했을 때 T ↦ M ( T ) T \mapsto \mathcal{M}(T) T ↦ M ( T ) 는 L ( V , W ) \mathcal{L}(V, W) L ( V , W ) 에서 F m × n \mathbb{F}^{m \times n} F m × n 으로의 동형사상입니다. 따라서 dim L ( V , W ) = m n \dim\mathcal{L}(V, W) = mn dim L ( V , W ) = mn .
증명. 정리 22.11 (1)에 의해 선형입니다. M ( T ) = O \mathcal{M}(T) = O M ( T ) = O 이면 모든 T v k = 0 Tv_k = 0 T v k = 0 이므로 T = 0 T = 0 T = 0 , 단사. 임의의 행렬에 대해 정리 22.3 으로 그 행렬을 갖는 T T T 를 만들 수 있으므로 전사. ■
정리 22.16 (유한차원에서 단사 = 전사). V V V 가 유한차원이고 T ∈ L ( V ) T \in \mathcal{L}(V) T ∈ L ( V ) 이면 다음은 동치입니다: T T T 가 가역; T T T 가 단사; T T T 가 전사.
증명. 기본정리에서 dim null T = 0 ⟺ dim range T = dim V ⟺ range T = V \dim\operatorname{null} T = 0 \iff \dim\operatorname{range} T = \dim V \iff \operatorname{range} T = V dim null T = 0 ⟺ dim range T = dim V ⟺ range T = V . ■
정리 9.6 의 (5) ⟺ \iff ⟺ (6)이 이것입니다. 무한차원에서는 성립하지 않습니다. 오른쪽 밀기 R R R 은 단사지만 전사가 아니고, 왼쪽 밀기 L L L 은 전사지만 단사가 아닙니다. L R = I LR = I L R = I 인데 R L ≠ I RL \ne I R L = I 입니다.
예제 22.17 (보간). 서로 다른 실수 t 0 , … , t m t_0, \ldots, t_m t 0 , … , t m 과 임의의 값 y 0 , … , y m y_0, \ldots, y_m y 0 , … , y m 에 대해 p ( t i ) = y i p(t_i) = y_i p ( t i ) = y i 인 p ∈ P m ( R ) p \in \mathcal{P}_m(\mathbb{R}) p ∈ P m ( R ) 이 정확히 하나 있습니다. 증명: T : P m ( R ) → R m + 1 T : \mathcal{P}_m(\mathbb{R}) \to \mathbb{R}^{m+1} T : P m ( R ) → R m + 1 , T p = ( p ( t 0 ) , … , p ( t m ) ) Tp = (p(t_0), \ldots, p(t_m)) T p = ( p ( t 0 ) , … , p ( t m )) 은 선형입니다. T p = 0 Tp = 0 T p = 0 이면 p p p 는 근이 m + 1 m + 1 m + 1 개인 m m m 차 이하 다항식이므로 p = 0 p = 0 p = 0 (23장). 단사이고 두 공간의 차원이 m + 1 m + 1 m + 1 로 같으므로 전단사입니다. 계산 없이 존재와 유일성이 동시에 나왔습니다.
▶ 문제 22.11–22.13
22.7 몫공간
질문. R 2 \mathbb{R}^2 R 2 에서 U U U = x x x 축이라 합시다. x x x 축과 평행한 직선들(수평선들)을 하나의 “점”으로 보면, 그런 점들의 모임도 벡터공간이 될까요?
정의 22.18 (평행이동과 몫공간). U U U 가 V V V 의 부분공간일 때, v ∈ V v \in V v ∈ V 에 대해 v + U = { v + u : u ∈ U } v + U = \{v + u : u \in U\} v + U = { v + u : u ∈ U } 를 U U U 의 평행이동 (translate)이라 합니다. 평행이동 전체의 집합
V / U = { v + U : v ∈ V } V/U = \{v + U : v \in V\} V / U = { v + U : v ∈ V }
예: V = R 2 V = \mathbb{R}^2 V = R 2 이고 U U U 가 x x x 축이면 v + U v + U v + U 는 v v v 를 지나고 x x x 축에 평행한 직선입니다. ( 1 , 3 ) + U (1, 3) + U ( 1 , 3 ) + U 와 ( 5 , 3 ) + U (5, 3) + U ( 5 , 3 ) + U 는 같은 직선 y = 3 y = 3 y = 3 이므로 V / U V/U V / U 의 같은 원소입니다. 몫공간 V / U V/U V / U 는 '높이 y y y 하나로 정해지는 수평선들의 모임'이고 1차원입니다.
에 연산
( v + U ) + ( w + U ) = ( v + w ) + U , a ( v + U ) = ( a v ) + U (v + U) + (w + U) = (v + w) + U, \qquad a(v + U) = (av) + U ( v + U ) + ( w + U ) = ( v + w ) + U , a ( v + U ) = ( a v ) + U
를 주면 벡터공간이 됩니다. 이것을 몫공간 (quotient space)이라 합니다.
그림 22.1. V = R 2 V = \mathbb{R}^2 V = R 2 , U U U = x x x 축. 각 수평선이 V / U V/U V / U 의 한 원소입니다. 수평선 하나는 높이 하나로 정해지므로 V / U V/U V / U 는 직선과 같습니다.
v + U = v ′ + U v + U = v' + U v + U = v ′ + U 일 조건은 v − v ′ ∈ U v - v' \in U v − v ′ ∈ U 입니다(문제 22.14). 그림 22.1에서 v v v 와 v ′ v' v ′ 은 같은 수평선 위에 있습니다. 연산이 잘 정의되려면(대표 v v v 를 다르게 골라도 결과가 같으려면) 이 조건이 필요하며, U U U 가 부분공간이라 성립합니다. V / U V/U V / U 의 영벡터는 0 + U = U 0 + U = U 0 + U = U 자신입니다.
U의 방향과 두 벡터 v, w를 바꾸면 v + U와 w + U가 같은 직선인지가 바뀝니다 이 위젯은 JavaScript가 필요합니다
정리 22.19 (몫공간의 차원). V V V 가 유한차원이면 dim V / U = dim V − dim U \dim V/U = \dim V - \dim U dim V / U = dim V − dim U .
증명. π : V → V / U \pi : V \to V/U π : V → V / U , π ( v ) = v + U \pi(v) = v + U π ( v ) = v + U 는 선형이고 전사입니다. π ( v ) = 0 + U ⟺ v ∈ U \pi(v) = 0 + U \iff v \in U π ( v ) = 0 + U ⟺ v ∈ U 이므로 null π = U \operatorname{null}\pi = U null π = U . 기본정리에서 dim V = dim U + dim V / U \dim V = \dim U + \dim V/U dim V = dim U + dim V / U . ■
몫공간은 “U U U 방향의 차이를 무시하고 보는 공간”입니다. 그림에서는 수평 방향을 무시하고 높이만 봅니다.
정리 22.20 (제1 동형정리). T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) 이면 T ~ ( v + null T ) = T v \tilde{T}(v + \operatorname{null} T) = Tv T ~ ( v + null T ) = T v 로 정의한 T ~ : V / null T → range T \tilde{T} : V/\operatorname{null} T \to \operatorname{range} T T ~ : V / null T → range T 는 동형사상입니다.
증명. 잘 정의됨: v + null T = v ′ + null T v + \operatorname{null} T = v' + \operatorname{null} T v + null T = v ′ + null T 이면 v − v ′ ∈ null T v - v' \in \operatorname{null} T v − v ′ ∈ null T 이므로 T v = T v ′ Tv = Tv' T v = T v ′ . 선형: 정의에서 바로. 단사: T ~ ( v + null T ) = 0 \tilde{T}(v + \operatorname{null} T) = 0 T ~ ( v + null T ) = 0 이면 v ∈ null T v \in \operatorname{null} T v ∈ null T , 즉 v + null T v + \operatorname{null} T v + null T 는 V / null T V/\operatorname{null} T V / null T 의 영벡터. 전사: range T \operatorname{range} T range T 의 원소는 T v = T ~ ( v + null T ) Tv = \tilde{T}(v + \operatorname{null} T) T v = T ~ ( v + null T ) . ■
이 정리는 “모든 선형사상은 영공간을 무시하면 동형사상입니다”라는 뜻입니다. 13장에서 “행공간에서 열공간으로의 전단사”로 본 것을 내적 없이 말한 것입니다. 내적이 없으면 행공간(영공간의 직교여공간)을 고를 방법이 없으므로, 대신 영공간을 통째로 “접어 버린” 몫공간을 씁니다.
▶ 문제 22.14–22.16
22.8 쌍대공간
정의 22.21 (쌍대공간). V V V 에서 F \mathbb{F} F 로의 선형사상을 V V V 위의 선형범함수 (linear functional)라 하고, 그 전체 V ′ = L ( V , F ) V' = \mathcal{L}(V, \mathbb{F}) V ′ = L ( V , F ) 를 V V V 의 쌍대공간 (dual space)이라 합니다.
예제 22.22.
F n \mathbb{F}^n F n 에서 φ ( x ) = 3 x 1 − x 2 \varphi(\mathbf{x}) = 3x_1 - x_2 φ ( x ) = 3 x 1 − x 2 . 일반적으로 F n \mathbb{F}^n F n 위의 선형범함수는 행벡터 a T \mathbf{a}^T a T 를 곱하는 것 x ↦ a T x \mathbf{x} \mapsto \mathbf{a}^T\mathbf{x} x ↦ a T x 입니다.
P ( R ) \mathcal{P}(\mathbb{R}) P ( R ) 에서 φ ( p ) = p ( 3 ) \varphi(p) = p(3) φ ( p ) = p ( 3 ) , 또는 (†) φ ( p ) = ∫ 0 1 p ( x ) d x \varphi(p) = \int_0^1 p(x)\,dx φ ( p ) = ∫ 0 1 p ( x ) d x .
열벡터가 V V V 의 원소라면, 행벡터는 V ′ V' V ′ 의 원소입니다. 쌍대공간은 행벡터의 추상화입니다.
정리 22.15 에서 dim V ′ = ( dim V ) ⋅ 1 = dim V \dim V' = (\dim V) \cdot 1 = \dim V dim V ′ = ( dim V ) ⋅ 1 = dim V 입니다.
정의 22.23 (쌍대기저). v 1 , … , v n v_1, \ldots, v_n v 1 , … , v n 이 V V V 의 기저일 때, φ j ( v k ) = { 1 ( k = j ) 0 ( k ≠ j ) \varphi_j(v_k) = \begin{cases} 1 & (k = j) \\ 0 & (k \ne j) \end{cases} φ j ( v k ) = { 1 0 ( k = j ) ( k = j ) 로 정한 φ 1 , … , φ n ∈ V ′ \varphi_1, \ldots, \varphi_n \in V' φ 1 , … , φ n ∈ V ′ 을 쌍대기저 (dual basis)라 합니다.
φ j \varphi_j φ j 는 “v v v 의 j j j 번째 좌표를 읽는 함수”입니다: v = ∑ c k v k v = \sum c_kv_k v = ∑ c k v k 이면 φ j ( v ) = c j \varphi_j(v) = c_j φ j ( v ) = c j . 쌍대기저는 실제로 V ′ V' V ′ 의 기저입니다(문제 22.17).
예: R 2 \mathbb{R}^2 R 2 의 표준기저이면 쌍대기저는 φ 1 ( x , y ) = x \varphi_1(x, y) = x φ 1 ( x , y ) = x , φ 2 ( x , y ) = y \varphi_2(x, y) = y φ 2 ( x , y ) = y 입니다. 기저가 v 1 = ( 1 , 0 ) v_1 = (1, 0) v 1 = ( 1 , 0 ) , v 2 = ( 1 , 1 ) v_2 = (1, 1) v 2 = ( 1 , 1 ) 이면 ( x , y ) = ( x − y ) v 1 + y v 2 (x, y) = (x - y)v_1 + yv_2 ( x , y ) = ( x − y ) v 1 + y v 2 이므로 쌍대기저는 φ 1 ( x , y ) = x − y \varphi_1(x, y) = x - y φ 1 ( x , y ) = x − y , φ 2 ( x , y ) = y \varphi_2(x, y) = y φ 2 ( x , y ) = y 입니다. 기저가 바뀌면 같은 '첫째 좌표'라도 읽는 함수가 달라집니다.
정의 22.24 (쌍대사상). T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) 의 쌍대사상 (dual map) T ′ ∈ L ( W ′ , V ′ ) T' \in \mathcal{L}(W', V') T ′ ∈ L ( W ′ , V ′ ) 은 T ′ ( φ ) = φ ∘ T T'(\varphi) = \varphi \circ T T ′ ( φ ) = φ ∘ T 로 정의합니다.
φ \varphi φ 는 W W W 에서 수를 내고, T T T 는 V V V 에서 W W W 로 갑니다. 둘을 이으면 V V V 에서 수를 내는 φ ∘ T \varphi \circ T φ ∘ T 가 됩니다. 방향이 뒤집힙니다(W ′ → V ′ W' \to V' W ′ → V ′ ).
예: T ( x , y ) = ( x + y , 2 y ) T(x, y) = (x + y, 2y) T ( x , y ) = ( x + y , 2 y ) 이고 φ ( a , b ) = a \varphi(a, b) = a φ ( a , b ) = a 이면 T ′ ( φ ) ( x , y ) = φ ( T ( x , y ) ) = x + y T'(\varphi)(x, y) = \varphi(T(x, y)) = x + y T ′ ( φ ) ( x , y ) = φ ( T ( x , y )) = x + y 입니다. 행렬로 쓰면 T ′ T' T ′ 의 행렬은 T T T 의 행렬의 전치행렬입니다.
정리 22.25 (쌍대사상의 행렬은 전치). V V V , W W W 의 기저와 그 쌍대기저에 대해 M ( T ′ ) = M ( T ) T \mathcal{M}(T') = \mathcal{M}(T)^T M ( T ′ ) = M ( T ) T 입니다.
증명. A = M ( T ) A = \mathcal{M}(T) A = M ( T ) , C = M ( T ′ ) C = \mathcal{M}(T') C = M ( T ′ ) 라 합시다. ψ j \psi_j ψ j 를 W W W 의 쌍대기저, φ k \varphi_k φ k 를 V V V 의 쌍대기저라 하면 T ′ ( ψ j ) = ∑ k C k j φ k T'(\psi_j) = \sum_k C_{kj}\varphi_k T ′ ( ψ j ) = ∑ k C k j φ k 입니다. 양변을 v k v_k v k 에서 계산하면 좌변은 ψ j ( T v k ) = ψ j ( ∑ i A i k w i ) = A j k \psi_j(Tv_k) = \psi_j\left(\sum_i A_{ik}w_i\right) = A_{jk} ψ j ( T v k ) = ψ j ( ∑ i A ik w i ) = A j k , 우변은 C k j C_{kj} C k j . 따라서 C = A T C = A^T C = A T . ■
5장의 전치가 여기서 정체를 드러냅니다. 전치는 “쌍대사상의 행렬”입니다.
정의 22.26 (소멸자). U ⊆ V U \subseteq V U ⊆ V 의 소멸자 (annihilator)는 U 0 = { φ ∈ V ′ : φ ( u ) = 0 ∀ u ∈ U } U^0 = \{\varphi \in V' : \varphi(u) = 0\ \forall u \in U\} U 0 = { φ ∈ V ′ : φ ( u ) = 0 ∀ u ∈ U } 입니다.
F n \mathbb{F}^n F n 에서 U 0 U^0 U 0 는 U U U 의 모든 벡터와 내적이 0인 행벡터들, 즉 직교여공간의 쌍대 버전입니다. 내적 없이 정의된다는 것이 장점입니다.
예: V = R 3 V = \mathbb{R}^3 V = R 3 이고 U U U 가 x y xy x y 평면이면, U U U 에서 0이 되는 선형범함수는 x x x , y y y 를 무시하는 φ ( x , y , z ) = c z \varphi(x, y, z) = cz φ ( x , y , z ) = cz 꼴뿐입니다. 그러므로 U 0 U^0 U 0 는 1차원이고 dim U + dim U 0 = 2 + 1 = 3 \dim U + \dim U^0 = 2 + 1 = 3 dim U + dim U 0 = 2 + 1 = 3 입니다.
정리 22.27 (쌍대사상과 4대 부분공간). V V V , W W W 가 유한차원이고 T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) 이면
dim U 0 = dim V − dim U \dim U^0 = \dim V - \dim U dim U 0 = dim V − dim U .
null T ′ = ( range T ) 0 \operatorname{null} T' = (\operatorname{range} T)^0 null T ′ = ( range T ) 0 .
dim range T ′ = dim range T \dim\operatorname{range} T' = \dim\operatorname{range} T dim range T ′ = dim range T .
증명. (1) U U U 의 기저 u 1 , … , u m u_1, \ldots, u_m u 1 , … , u m 을 V V V 의 기저로 늘리고 쌍대기저 φ 1 , … , φ n \varphi_1, \ldots, \varphi_n φ 1 , … , φ n 을 잡으면, U 0 = span ( φ m + 1 , … , φ n ) U^0 = \operatorname{span}(\varphi_{m+1}, \ldots, \varphi_n) U 0 = span ( φ m + 1 , … , φ n ) 입니다(φ = ∑ c j φ j \varphi = \sum c_j\varphi_j φ = ∑ c j φ j 가 모든 u i u_i u i 에서 0 ⟺ \iff ⟺ c 1 = ⋯ = c m = 0 c_1 = \cdots = c_m = 0 c 1 = ⋯ = c m = 0 ).
(2) ψ ∈ null T ′ ⟺ ψ ∘ T = 0 ⟺ ψ ( T v ) = 0 ∀ v ⟺ ψ ∈ ( range T ) 0 \psi \in \operatorname{null} T' \iff \psi \circ T = 0 \iff \psi(Tv) = 0\ \forall v \iff \psi \in (\operatorname{range} T)^0 ψ ∈ null T ′ ⟺ ψ ∘ T = 0 ⟺ ψ ( T v ) = 0 ∀ v ⟺ ψ ∈ ( range T ) 0 .
(3) 기본정리를 T ′ T' T ′ 에 쓰고 (2), (1)을 쓰면
dim range T ′ = dim W ′ − dim null T ′ = dim W − ( dim W − dim range T ) = dim range T . \dim\operatorname{range} T' = \dim W' - \dim\operatorname{null} T' = \dim W - (\dim W - \dim\operatorname{range} T) = \dim\operatorname{range} T. dim range T ′ = dim W ′ − dim null T ′ = dim W − ( dim W − dim range T ) = dim range T .
■
따름정리 22.28 (행 랭크 = 열 랭크 (재증명)). 모든 행렬 A A A 에 대해 rank A T = rank A \operatorname{rank} A^T = \operatorname{rank} A rank A T = rank A .
증명. A A A 를 F n → F m \mathbb{F}^n \to \mathbb{F}^m F n → F m 의 선형사상 T T T 의 행렬로 보면 rank A = dim range T \operatorname{rank} A = \dim\operatorname{range} T rank A = dim range T 이고, 정리 22.25 에 의해 A T A^T A T 는 T ′ T' T ′ 의 행렬이므로 rank A T = dim range T ′ \operatorname{rank} A^T = \dim\operatorname{range} T' rank A T = dim range T ′ . 정리 22.27 (3)에서 같습니다. ■
12장에서 소거로 증명한 따름정리 12.16 이 이번에는 차원 세기만으로 증명되었습니다. “행이 몇 개 독립인가”와 “열이 몇 개 독립인가”가 같은 이유는, 행렬이 나타내는 사상과 그 쌍대사상이 같은 양의 정보를 전달하기 때문입니다.
▶ 문제 22.17–22.19
쓰이는 곳. 미분 d d x \frac{d}{dx} d x d , 적분, 푸리에 변환, 합성곱은 모두 선형사상입니다. 신호처리의 '선형 시스템', 양자역학의 '연산자'가 이 장의 대상입니다.
이 장의 요약
선형사상은 기저 위의 값을 마음대로 정하면 유일하게 존재합니다. L ( V , W ) \mathcal{L}(V, W) L ( V , W ) 는 m n mn mn 차원 벡터공간입니다.
단사 ⟺ \iff ⟺ null T = { 0 } \operatorname{null} T = \{0\} null T = { 0 } . 기본정리: dim V = dim null T + dim range T \dim V = \dim\operatorname{null} T + \dim\operatorname{range} T dim V = dim null T + dim range T .
동형 ⟺ \iff ⟺ 차원이 같습니다. 유한차원 연산자는 단사 ⟺ \iff ⟺ 전사 ⟺ \iff ⟺ 가역 (무한차원에서는 거짓).
몫공간 V / U V/U V / U : U U U 방향을 무시한 공간. dim V / U = dim V − dim U \dim V/U = \dim V - \dim U dim V / U = dim V − dim U . V / null T ≅ range T V/\operatorname{null} T \cong \operatorname{range} T V / null T ≅ range T .
쌍대공간 V ′ = L ( V , F ) V' = \mathcal{L}(V, \mathbb{F}) V ′ = L ( V , F ) (행벡터의 추상화). 쌍대사상의 행렬은 전치. dim range T ′ = dim range T \dim\operatorname{range} T' = \dim\operatorname{range} T dim range T ′ = dim range T 에서 행 랭크 = 열 랭크.
문제
22.1 [계산] · 확인 문제
선형사상인지 판정합니다. 선형이면 O, 아니면 X를 적습니다.
사상
선형인가
(a) T : P ( R ) → P ( R ) T : \mathcal{P}(\mathbb{R}) \to \mathcal{P}(\mathbb{R}) T : P ( R ) → P ( R ) , ( T p ) ( x ) = p ( x + 1 ) (Tp)(x) = p(x + 1) ( T p ) ( x ) = p ( x + 1 )
[?]
(b) T : P ( R ) → P ( R ) T : \mathcal{P}(\mathbb{R}) \to \mathcal{P}(\mathbb{R}) T : P ( R ) → P ( R ) , T p = p 2 Tp = p^2 T p = p 2
[?]
(c) T : R 2 × 2 → R T : \mathbb{R}^{2 \times 2} \to \mathbb{R} T : R 2 × 2 → R , T ( A ) = tr A T(A) = \operatorname{tr} A T ( A ) = tr A
[?]
(d) T : R 2 × 2 → R T : \mathbb{R}^{2 \times 2} \to \mathbb{R} T : R 2 × 2 → R , T ( A ) = det A T(A) = \det A T ( A ) = det A
[?]
(e) T : R 3 → R 2 T : \mathbb{R}^3 \to \mathbb{R}^2 T : R 3 → R 2 , T ( x , y , z ) = ( x + 1 , y ) T(x, y, z) = (x + 1, y) T ( x , y , z ) = ( x + 1 , y )
[?]
정답 풀이 (a) 선형: ( p + q ) ( x + 1 ) = p ( x + 1 ) + q ( x + 1 ) (p + q)(x + 1) = p(x + 1) + q(x + 1) ( p + q ) ( x + 1 ) = p ( x + 1 ) + q ( x + 1 ) . (b) 아님: ( 2 p ) 2 = 4 p 2 ≠ 2 p 2 (2p)^2 = 4p^2 \ne 2p^2 ( 2 p ) 2 = 4 p 2 = 2 p 2 . (c) 선형. (d) 아님: det ( 2 I ) = 4 ≠ 2 det I \det(2I) = 4 \ne 2\det I det ( 2 I ) = 4 = 2 det I . (e) 아님: T ( 0 ) ≠ 0 T(0) \ne 0 T ( 0 ) = 0 .
22.2 [계산] · 확인 문제
T ∈ L ( R 2 , P 2 ( R ) ) T \in \mathcal{L}(\mathbb{R}^2, \mathcal{P}_2(\mathbb{R})) T ∈ L ( R 2 , P 2 ( R )) 가 T ( 1 , 0 ) = 1 + x T(1, 0) = 1 + x T ( 1 , 0 ) = 1 + x , T ( 0 , 1 ) = x 2 T(0, 1) = x^2 T ( 0 , 1 ) = x 2 을 만족합니다. T ( 3 , − 2 ) T(3, -2) T ( 3 , − 2 ) 와 T ( a , b ) T(a, b) T ( a , b ) 를 구합니다. 표에는 T ( 3 , − 2 ) T(3, -2) T ( 3 , − 2 ) 의 계수를 적습니다.
상수항
x x x 의 계수
x 2 x^2 x 2 의 계수
[?]
[?]
[?]
정답 풀이 T ( 3 , − 2 ) = 3 ( 1 + x ) − 2 x 2 = 3 + 3 x − 2 x 2 T(3, -2) = 3(1 + x) - 2x^2 = 3 + 3x - 2x^2 T ( 3 , − 2 ) = 3 ( 1 + x ) − 2 x 2 = 3 + 3 x − 2 x 2 . T ( a , b ) = a + a x + b x 2 T(a, b) = a + ax + bx^2 T ( a , b ) = a + a x + b x 2 .
22.3 [증명]
L ( V , W ) \mathcal{L}(V, W) L ( V , W ) 는 함수 공간 W V W^V W V 의 부분공간임을 보입니다.
풀이 영사상은 선형. S S S , T T T 가 선형이면 S + T S + T S + T , a T aT a T 도 선형(정의를 확인). 따라서 부분공간 판정 조건을 만족합니다.
22.4 [계산]
D D D (미분)와 T T T (x x x 곱하기)에 대해 p = 1 + x + x 2 p = 1 + x + x^2 p = 1 + x + x 2 일 때 ( D T ) p (DT)p ( D T ) p , ( T D ) p (TD)p ( T D ) p 를 계산하고 ( D T − T D ) p = p (DT - TD)p = p ( D T − T D ) p = p 를 확인합니다.
풀이 T p = x + x 2 + x 3 Tp = x + x^2 + x^3 T p = x + x 2 + x 3 , ( D T ) p = 1 + 2 x + 3 x 2 (DT)p = 1 + 2x + 3x^2 ( D T ) p = 1 + 2 x + 3 x 2 . D p = 1 + 2 x Dp = 1 + 2x D p = 1 + 2 x , ( T D ) p = x + 2 x 2 (TD)p = x + 2x^2 ( T D ) p = x + 2 x 2 . 차: 1 + x + x 2 = p 1 + x + x^2 = p 1 + x + x 2 = p .
22.5 [계산] · 확인 문제
영공간과 치역을 구합니다. 표에는 차원을 적습니다. (a) T : R 3 → R 2 T : \mathbb{R}^3 \to \mathbb{R}^2 T : R 3 → R 2 , T ( x , y , z ) = ( x + y , y + z ) T(x, y, z) = (x + y, y + z) T ( x , y , z ) = ( x + y , y + z ) (b) T : P 3 ( R ) → R 2 T : \mathcal{P}_3(\mathbb{R}) \to \mathbb{R}^2 T : P 3 ( R ) → R 2 , T p = ( p ( 0 ) , p ( 1 ) ) Tp = (p(0), p(1)) T p = ( p ( 0 ) , p ( 1 )) (c) T : R 2 × 2 → R 2 × 2 T : \mathbb{R}^{2 \times 2} \to \mathbb{R}^{2 \times 2} T : R 2 × 2 → R 2 × 2 , T ( A ) = A − A T T(A) = A - A^T T ( A ) = A − A T
dim null T \dim\operatorname{null} T dim null T
dim range T \dim\operatorname{range} T dim range T
(a)
[?]
[?]
(b)
[?]
[?]
(c)
[?]
[?]
정답 풀이 (a) x = − y x = -y x = − y , z = − y z = -y z = − y : null T = span { ( 1 , − 1 , 1 ) } \operatorname{null} T = \operatorname{span}\{(1, -1, 1)\} null T = span {( 1 , − 1 , 1 )} . 치역: T ( 1 , 0 , 0 ) = ( 1 , 0 ) T(1, 0, 0) = (1, 0) T ( 1 , 0 , 0 ) = ( 1 , 0 ) , T ( 0 , 0 , 1 ) = ( 0 , 1 ) T(0, 0, 1) = (0, 1) T ( 0 , 0 , 1 ) = ( 0 , 1 ) 이므로 R 2 \mathbb{R}^2 R 2 .
(b) p ( 0 ) = p ( 1 ) = 0 p(0) = p(1) = 0 p ( 0 ) = p ( 1 ) = 0 : null T = span { x ( x − 1 ) , x 2 ( x − 1 ) } \operatorname{null} T = \operatorname{span}\{x(x - 1), x^2(x - 1)\} null T = span { x ( x − 1 ) , x 2 ( x − 1 )} . T ( 1 ) = ( 1 , 1 ) T(1) = (1, 1) T ( 1 ) = ( 1 , 1 ) , T ( x ) = ( 0 , 1 ) T(x) = (0, 1) T ( x ) = ( 0 , 1 ) 이므로 치역 R 2 \mathbb{R}^2 R 2 .
(c) null T \operatorname{null} T null T = 대칭행렬(3차원). 치역 = 반대칭행렬 { [ 0 b − b 0 ] : b } \left\{\begin{bmatrix} 0 & b \\ -b & 0 \end{bmatrix} : b\right\} { [ 0 − b b 0 ] : b } (1차원). A − A T A - A^T A − A T 는 항상 반대칭이고, [ 0 b − b 0 ] = T [ 0 b 0 0 ] \begin{bmatrix} 0 & b \\ -b & 0 \end{bmatrix} = T\begin{bmatrix} 0 & b \\ 0 & 0 \end{bmatrix} [ 0 − b b 0 ] = T [ 0 0 b 0 ] .
22.6 [증명]
T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) 가 단사이고 v 1 , … , v n v_1, \ldots, v_n v 1 , … , v n 이 일차독립이면 T v 1 , … , T v n Tv_1, \ldots, Tv_n T v 1 , … , T v n 도 일차독립임을 보입니다.
풀이 ∑ a i T v i = 0 \sum a_iTv_i = 0 ∑ a i T v i = 0 이면 T ( ∑ a i v i ) = 0 T\left(\sum a_iv_i\right) = 0 T ( ∑ a i v i ) = 0 , 단사이므로 ∑ a i v i = 0 \sum a_iv_i = 0 ∑ a i v i = 0 , 독립성으로 모든 a i = 0 a_i = 0 a i = 0 .
22.7 [계산]
문제 22.5의 세 사상에 대해 기본정리가 성립함을 확인합니다.
풀이 (a) 3 = 1 + 2 3 = 1 + 2 3 = 1 + 2 . (b) 4 = 2 + 2 4 = 2 + 2 4 = 2 + 2 . (c) 4 = 3 + 1 4 = 3 + 1 4 = 3 + 1 .
22.8 [증명]
null T = { ( x 1 , … , x 5 ) ∈ R 5 : x 1 = 3 x 2 , x 3 = x 4 = x 5 } \operatorname{null} T = \{(x_1, \ldots, x_5) \in \mathbb{R}^5 : x_1 = 3x_2,\ x_3 = x_4 = x_5\} null T = {( x 1 , … , x 5 ) ∈ R 5 : x 1 = 3 x 2 , x 3 = x 4 = x 5 } 인 T ∈ L ( R 5 , R 2 ) T \in \mathcal{L}(\mathbb{R}^5, \mathbb{R}^2) T ∈ L ( R 5 , R 2 ) 는 존재하지 않음을 보입니다.
풀이 그 영공간은 x 2 x_2 x 2 , x 3 x_3 x 3 가 자유이므로 ( 3 , 1 , 0 , 0 , 0 ) (3, 1, 0, 0, 0) ( 3 , 1 , 0 , 0 , 0 ) , ( 0 , 0 , 1 , 1 , 1 ) (0, 0, 1, 1, 1) ( 0 , 0 , 1 , 1 , 1 ) 을 기저로 2차원입니다. 기본정리에서 dim range T = 5 − 2 = 3 \dim\operatorname{range} T = 5 - 2 = 3 dim range T = 5 − 2 = 3 인데 range T ⊆ R 2 \operatorname{range} T \subseteq \mathbb{R}^2 range T ⊆ R 2 입니다. 모순.
22.9 [도전]
V V V 가 유한차원이고 T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) , S ∈ L ( W , U ) S \in \mathcal{L}(W, U) S ∈ L ( W , U ) 이면 dim null ( S T ) ≤ dim null S + dim null T \dim\operatorname{null}(ST) \le \dim\operatorname{null} S + \dim\operatorname{null} T dim null ( S T ) ≤ dim null S + dim null T 임을 보입니다.
힌트. T T T 를 null ( S T ) \operatorname{null}(ST) null ( S T ) 로 제한한 사상의 영공간과 치역을 봅니다.
풀이 T ∣ T| T ∣ 를 T T T 를 null ( S T ) \operatorname{null}(ST) null ( S T ) 로 제한한 사상이라 합시다. null ( T ∣ ) = null T ∩ null ( S T ) ⊆ null T \operatorname{null}(T|) = \operatorname{null} T \cap \operatorname{null}(ST) \subseteq \operatorname{null} T null ( T ∣ ) = null T ∩ null ( S T ) ⊆ null T 이고, range ( T ∣ ) ⊆ null S \operatorname{range}(T|) \subseteq \operatorname{null} S range ( T ∣ ) ⊆ null S (v ∈ null ( S T ) v \in \operatorname{null}(ST) v ∈ null ( S T ) 이면 S ( T v ) = 0 S(Tv) = 0 S ( T v ) = 0 ). 기본정리를 T ∣ T| T ∣ 에 쓰면 dim null ( S T ) = dim null ( T ∣ ) + dim range ( T ∣ ) ≤ dim null T + dim null S \dim\operatorname{null}(ST) = \dim\operatorname{null}(T|) + \dim\operatorname{range}(T|) \le \dim\operatorname{null} T + \dim\operatorname{null} S dim null ( S T ) = dim null ( T ∣ ) + dim range ( T ∣ ) ≤ dim null T + dim null S .
22.10 [계산] · 확인 문제
T ∈ L ( P 2 ( R ) ) T \in \mathcal{L}(\mathcal{P}_2(\mathbb{R})) T ∈ L ( P 2 ( R )) , T p = p + p ′ Tp = p + p' T p = p + p ′ 의 기저 1 , x , x 2 1, x, x^2 1 , x , x 2 에 대한 행렬을 구합니다. T T T 는 가역일까요?
1열
2열
3열
1행
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3행
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정답 풀이 T ( 1 ) = 1 T(1) = 1 T ( 1 ) = 1 , T ( x ) = x + 1 T(x) = x + 1 T ( x ) = x + 1 , T ( x 2 ) = x 2 + 2 x T(x^2) = x^2 + 2x T ( x 2 ) = x 2 + 2 x . M ( T ) = [ 1 1 0 0 1 2 0 0 1 ] \mathcal{M}(T) = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} M ( T ) = 1 0 0 1 1 0 0 2 1 . 위삼각이고 대각이 모두 1이므로 가역.
22.11 [증명]
T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) 가 전단사이면 역함수 T − 1 : W → V T^{-1} : W \to V T − 1 : W → V 도 선형임을 보입니다.
풀이 w 1 = T v 1 w_1 = Tv_1 w 1 = T v 1 , w 2 = T v 2 w_2 = Tv_2 w 2 = T v 2 라 하면 T ( v 1 + v 2 ) = w 1 + w 2 T(v_1 + v_2) = w_1 + w_2 T ( v 1 + v 2 ) = w 1 + w 2 이므로 T − 1 ( w 1 + w 2 ) = v 1 + v 2 = T − 1 w 1 + T − 1 w 2 T^{-1}(w_1 + w_2) = v_1 + v_2 = T^{-1}w_1 + T^{-1}w_2 T − 1 ( w 1 + w 2 ) = v 1 + v 2 = T − 1 w 1 + T − 1 w 2 . 스칼라배도 같습니다.
22.12 [계산] · 확인 문제
다음 R \mathbb{R} R 위의 벡터공간들을 동형인 것끼리 묶습니다. 표에는 각 공간의 (R \mathbb{R} R 위의) 차원을 적습니다.
R 4 \mathbb{R}^4 R 4
P 3 ( R ) \mathcal{P}_3(\mathbb{R}) P 3 ( R )
R 2 × 2 \mathbb{R}^{2 \times 2} R 2 × 2
C 2 \mathbb{C}^2 C 2
3 × 3 3 \times 3 3 × 3 실대칭행렬
P 5 ( R ) \mathcal{P}_5(\mathbb{R}) P 5 ( R )
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정답 풀이 차원: R 4 \mathbb{R}^4 R 4 , P 3 \mathcal{P}_3 P 3 , R 2 × 2 \mathbb{R}^{2 \times 2} R 2 × 2 , C 2 \mathbb{C}^2 C 2 (실수 위)는 모두 4. 대칭 3 × 3 3 \times 3 3 × 3 과 P 5 \mathcal{P}_5 P 5 는 6. 두 묶음.
22.13 [계산] · 확인 문제
p ( 0 ) = 1 p(0) = 1 p ( 0 ) = 1 , p ( 1 ) = 2 p(1) = 2 p ( 1 ) = 2 , p ( 2 ) = 5 p(2) = 5 p ( 2 ) = 5 인 p ∈ P 2 ( R ) p \in \mathcal{P}_2(\mathbb{R}) p ∈ P 2 ( R ) 을 구합니다. 22.6절의 보간 예제에 의해 이런 p p p 는 하나뿐입니다. p = c 0 + c 1 x + c 2 x 2 p = c_0 + c_1x + c_2x^2 p = c 0 + c 1 x + c 2 x 2 의 계수를 적습니다.
c 0 c_0 c 0
c 1 c_1 c 1
c 2 c_2 c 2
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정답 풀이 p = c 0 + c 1 x + c 2 x 2 p = c_0 + c_1x + c_2x^2 p = c 0 + c 1 x + c 2 x 2 : c 0 = 1 c_0 = 1 c 0 = 1 , c 0 + c 1 + c 2 = 2 c_0 + c_1 + c_2 = 2 c 0 + c 1 + c 2 = 2 , c 0 + 2 c 1 + 4 c 2 = 5 c_0 + 2c_1 + 4c_2 = 5 c 0 + 2 c 1 + 4 c 2 = 5 . c 1 + c 2 = 1 c_1 + c_2 = 1 c 1 + c 2 = 1 , 2 c 1 + 4 c 2 = 4 2c_1 + 4c_2 = 4 2 c 1 + 4 c 2 = 4 에서 c 2 = 1 c_2 = 1 c 2 = 1 , c 1 = 0 c_1 = 0 c 1 = 0 . p = 1 + x 2 p = 1 + x^2 p = 1 + x 2 .
22.14 [증명]
U U U 가 V V V 의 부분공간일 때 v + U = w + U v + U = w + U v + U = w + U 인 것은 v − w ∈ U v - w \in U v − w ∈ U 인 것과 동치임을 보입니다. 또 두 평행이동은 같거나 서로소임을 보입니다.
풀이 (⇒) v = v + 0 ∈ v + U = w + U v = v + 0 \in v + U = w + U v = v + 0 ∈ v + U = w + U 이므로 v = w + u v = w + u v = w + u , v − w = u ∈ U v - w = u \in U v − w = u ∈ U . (⇐) v − w ∈ U v - w \in U v − w ∈ U 이면 v + u = w + ( v − w + u ) ∈ w + U v + u = w + (v - w + u) \in w + U v + u = w + ( v − w + u ) ∈ w + U 이므로 v + U ⊆ w + U v + U \subseteq w + U v + U ⊆ w + U , 대칭적으로 반대. 서로소가 아니면 공통 원소 x = v + u 1 = w + u 2 x = v + u_1 = w + u_2 x = v + u 1 = w + u 2 가 있어 v − w ∈ U v - w \in U v − w ∈ U , 따라서 같습니다.
22.15 [계산] · 확인 문제
V = R 3 V = \mathbb{R}^3 V = R 3 , U = span { ( 1 , 1 , 1 ) } U = \operatorname{span}\{(1, 1, 1)\} U = span {( 1 , 1 , 1 )} 이라 합시다. (a) V / U V/U V / U 의 원소는 기하적으로 무엇일까요? dim V / U \dim V/U dim V / U 는? (b) ( 1 , 2 , 3 ) + U = ( 0 , 1 , 2 ) + U (1, 2, 3) + U = (0, 1, 2) + U ( 1 , 2 , 3 ) + U = ( 0 , 1 , 2 ) + U 일까요? ( 1 , 2 , 3 ) + U = ( 1 , 0 , 0 ) + U (1, 2, 3) + U = (1, 0, 0) + U ( 1 , 2 , 3 ) + U = ( 1 , 0 , 0 ) + U 일까요? 같으면 O, 다르면 X를 적습니다.
값
답
dim V / U \dim V/U dim V / U
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( 1 , 2 , 3 ) + U = ( 0 , 1 , 2 ) + U (1, 2, 3) + U = (0, 1, 2) + U ( 1 , 2 , 3 ) + U = ( 0 , 1 , 2 ) + U
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( 1 , 2 , 3 ) + U = ( 1 , 0 , 0 ) + U (1, 2, 3) + U = (1, 0, 0) + U ( 1 , 2 , 3 ) + U = ( 1 , 0 , 0 ) + U
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정답 풀이 (a) ( 1 , 1 , 1 ) (1, 1, 1) ( 1 , 1 , 1 ) 방향 직선들(서로 평행) 하나하나가 원소. dim = 3 − 1 = 2 \dim = 3 - 1 = 2 dim = 3 − 1 = 2 .
(b) ( 1 , 2 , 3 ) − ( 0 , 1 , 2 ) = ( 1 , 1 , 1 ) ∈ U (1, 2, 3) - (0, 1, 2) = (1, 1, 1) \in U ( 1 , 2 , 3 ) − ( 0 , 1 , 2 ) = ( 1 , 1 , 1 ) ∈ U 이므로 같습니다. ( 1 , 2 , 3 ) − ( 1 , 0 , 0 ) = ( 0 , 2 , 3 ) ∉ U (1, 2, 3) - (1, 0, 0) = (0, 2, 3) \notin U ( 1 , 2 , 3 ) − ( 1 , 0 , 0 ) = ( 0 , 2 , 3 ) ∈ / U 이므로 다릅니다.
22.16 [도전] · 확인 문제
T : P 3 ( R ) → R T : \mathcal{P}_3(\mathbb{R}) \to \mathbb{R} T : P 3 ( R ) → R , T p = p ( 1 ) Tp = p(1) T p = p ( 1 ) 에 대해 제1 동형정리가 말하는 것을 설명합니다. null T \operatorname{null} T null T 의 기저를 구하고 dim P 3 ( R ) / null T \dim \mathcal{P}_3(\mathbb{R})/\operatorname{null} T dim P 3 ( R ) / null T 를 구합니다.
정답 풀이 T T T 는 전사(T ( c ) = c T(c) = c T ( c ) = c )이므로 P 3 / null T ≅ R \mathcal{P}_3/\operatorname{null} T \cong \mathbb{R} P 3 / null T ≅ R . null T \operatorname{null} T null T 는 p ( 1 ) = 0 p(1) = 0 p ( 1 ) = 0 인 다항식, 기저 ( x − 1 ) (x - 1) ( x − 1 ) , ( x − 1 ) 2 (x - 1)^2 ( x − 1 ) 2 , ( x − 1 ) 3 (x - 1)^3 ( x − 1 ) 3 (21.6절의 예와 같은 논리). dim P 3 / null T = 4 − 3 = 1 \dim \mathcal{P}_3/\operatorname{null} T = 4 - 3 = 1 dim P 3 / null T = 4 − 3 = 1 . 두 다항식이 같은 원소인 것은 x = 1 x = 1 x = 1 에서 값이 같은 것입니다.
22.17 [증명]
쌍대기저 φ 1 , … , φ n \varphi_1, \ldots, \varphi_n φ 1 , … , φ n 이 V ′ V' V ′ 의 기저임을 보입니다.
풀이 길이 n = dim V ′ n = \dim V' n = dim V ′ 이므로 독립만 보이면 됩니다. ∑ a j φ j = 0 \sum a_j\varphi_j = 0 ∑ a j φ j = 0 이면 v k v_k v k 에서 계산해 a k = 0 a_k = 0 a k = 0 .
22.18 [계산] · 확인 문제
R 2 \mathbb{R}^2 R 2 의 기저 ( 1 , 1 ) (1, 1) ( 1 , 1 ) , ( 1 , − 1 ) (1, -1) ( 1 , − 1 ) 의 쌍대기저 φ 1 , φ 2 \varphi_1, \varphi_2 φ 1 , φ 2 를 φ i ( x , y ) = a x + b y \varphi_i(x, y) = ax + by φ i ( x , y ) = a x + b y 꼴로 구합니다.
a a a
b b b
φ 1 \varphi_1 φ 1
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[?]
φ 2 \varphi_2 φ 2
[?]
[?]
정답 풀이 φ 1 ( 1 , 1 ) = 1 \varphi_1(1, 1) = 1 φ 1 ( 1 , 1 ) = 1 , φ 1 ( 1 , − 1 ) = 0 \varphi_1(1, -1) = 0 φ 1 ( 1 , − 1 ) = 0 : a + b = 1 a + b = 1 a + b = 1 , a − b = 0 a - b = 0 a − b = 0 , φ 1 ( x , y ) = x + y 2 \varphi_1(x, y) = \frac{x + y}{2} φ 1 ( x , y ) = 2 x + y . 같은 방법으로 φ 2 ( x , y ) = x − y 2 \varphi_2(x, y) = \frac{x - y}{2} φ 2 ( x , y ) = 2 x − y .
22.19 [계산]
U = span { ( 1 , 0 , 1 ) , ( 0 , 1 , 1 ) } ⊆ R 3 U = \operatorname{span}\{(1, 0, 1), (0, 1, 1)\} \subseteq \mathbb{R}^3 U = span {( 1 , 0 , 1 ) , ( 0 , 1 , 1 )} ⊆ R 3 의 소멸자 U 0 U^0 U 0 를 구합니다. 차원이 3 − dim U 3 - \dim U 3 − dim U 인지 확인합니다.
풀이 φ ( x , y , z ) = a x + b y + c z \varphi(x, y, z) = ax + by + cz φ ( x , y , z ) = a x + b y + cz 가 U U U 에서 0: a + c = 0 a + c = 0 a + c = 0 , b + c = 0 b + c = 0 b + c = 0 . φ = c ( − x − y + z ) \varphi = c(-x - y + z) φ = c ( − x − y + z ) . U 0 = span { x + y − z } U^0 = \operatorname{span}\{x + y - z\} U 0 = span { x + y − z } (부호는 상관없습니다), 1차원 = 3 − 2 = 3 - 2 = 3 − 2 .