Linearism › 선형대수 › LA.A

부록 A. 복소수

선형대수 · 부록

기본 · 약 15분 · 연습문제 6 · 그림 2

요약

복소수의 정의와 연산, 켤레와 절댓값, 복소평면과 극형식, 곱은 회전과 확대, 복소수를 2×2 실수 행렬로 보기, 복소 벡터의 내적

고윳값을 구하다 보면 x² + 1 = 0처럼 실수 해가 없는 방정식이 나옵니다. 그래서 선형대수는 복소수를 자연스럽게 씁니다. 이 부록은 고등학교에서 배운 복소수를 평면 위의 점과 회전으로 다시 보고, 극형식과 오일러 공식 e^{iθ} = cos θ + i sin θ를 정리합니다. 회전 행렬, 푸리에 해석, 교류 회로에서 계속 쓰입니다.

7장, 16장, 23장부터 복소수를 씁니다. 여기서는 필요한 사실을 한곳에 모읍니다.

A.1 정의와 연산

정의 A.1 (복소수). i2=−1i^2 = -1인 기호 ii를 써서 a+bia + bi (a,b∈Ra, b \in \mathbb{R}) 꼴로 쓰는 수를 복소수(complex number)라 하고, 그 전체를 C\mathbb{C}라 합니다. a=Re⁡za = \operatorname{Re} z를 실수부(real part), b=Im⁡zb = \operatorname{Im} z를 허수부(imaginary part)라 합니다.

덧셈과 곱셈은 i2=−1i^2 = -1만 기억하고 다항식처럼 계산합니다.

(a+bi)+(c+di)=(a+c)+(b+d)i,(a+bi)(c+di)=(ac−bd)+(ad+bc)i.(a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i, \qquad (a + bi)(c + di) = (ac - bd) + (ad + bc)i.

z=a+biz = a + bi의 켤레(conjugate)는 zˉ=a−bi\bar{z} = a - bi, 절댓값(absolute value)은 ∣z∣=a2+b2\lvert z \rvert = \sqrt{a^2 + b^2}입니다.

정리 A.2 (켤레와 절댓값).

  1. zzˉ=∣z∣2z\bar{z} = \lvert z \rvert^2, z+w‾=zˉ+wˉ\overline{z + w} = \bar{z} + \bar{w}, zw‾=zˉ wˉ\overline{zw} = \bar{z}\,\bar{w}.
  2. ∣zw∣=∣z∣∣w∣\lvert zw \rvert = \lvert z \rvert\lvert w \rvert, ∣z+w∣≤∣z∣+∣w∣\lvert z + w \rvert \le \lvert z \rvert + \lvert w \rvert.
  3. z≠0z \ne 0이면 1z=zˉ∣z∣2\dfrac{1}{z} = \dfrac{\bar{z}}{\lvert z \rvert^2}.

증명. (1) 직접 전개합니다. (2) ∣zw∣2=zwzw‾=zzˉ wwˉ\lvert zw \rvert^2 = zw\overline{zw} = z\bar{z}\,w\bar{w}. 삼각부등식은 R2\mathbb{R}^2의 삼각부등식(2장)과 같습니다. (3) z⋅zˉ/∣z∣2=1z \cdot \bar{z}/\lvert z \rvert^2 = 1. ■

(3) 덕분에 0이 아닌 복소수는 역수가 있으므로 C\mathbb{C}는 체입니다(20장). 예: 13+4i=3−4i25\dfrac{1}{3 + 4i} = \dfrac{3 - 4i}{25}.

A.2 복소평면과 극형식

a+bia + bi를 평면의 점 (a,b)(a, b)로 그리면 덧셈은 벡터의 덧셈입니다. 원점에서의 거리가 r=∣z∣r = \lvert z \rvert, xx축에서 잰 각이 θ\theta이면

z=r(cos⁡θ+isin⁡θ).z = r(\cos\theta + i\sin\theta).

이것을 극형식(polar form)이라 하고, θ\theta를 편각(argument)이라 합니다.

정리 A.3 (곱은 회전과 확대). z=r(cos⁡α+isin⁡α)z = r(\cos\alpha + i\sin\alpha), w=s(cos⁡β+isin⁡β)w = s(\cos\beta + i\sin\beta)이면

zw=rs(cos⁡(α+β)+isin⁡(α+β)).zw = rs\big(\cos(\alpha + \beta) + i\sin(\alpha + \beta)\big).

절댓값은 곱하고 편각은 더합니다.

증명. 전개하면 실수부 rs(cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β)rs(\cos\alpha\cos\beta - \sin\alpha\sin\beta), 허수부 rs(sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β)rs(\sin\alpha\cos\beta + \cos\alpha\sin\beta)이고 덧셈정리를 씁니다. ■

복소평면에 화살표 세 개. z = 2 + i는 각 α, w는 길이 1인 짧은 화살표, zw는 z에서 각 β만큼 더 돌아간 굵은 화살표입니다.

그림 A.1. z=2+iz = 2 + i, w=0.6+0.8iw = 0.6 + 0.8i (∣w∣=1\lvert w \rvert = 1). zw=0.4+2.2izw = 0.4 + 2.2i는 zz를 ww의 편각 β\beta만큼 돌린 것입니다. ww를 곱하는 것은 R2\mathbb{R}^2의 회전입니다.

w의 절댓값과 편각을 바꾸면 zw가 움직입니다. 절댓값은 곱해지고 편각은 더해집니다

이 위젯은 JavaScript가 필요합니다

eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta로 쓰면 정리 A.3은 eiαeiβ=ei(α+β)e^{i\alpha}e^{i\beta} = e^{i(\alpha + \beta)}, 지수법칙이 됩니다(† 이 표기는 exe^x의 급수에 x=iθx = i\theta를 넣은 것과 일치합니다. 이것이 오일러 공식(Euler's formula)입니다). 이 책에서는 eiθe^{i\theta}를 cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta + i\sin\theta의 약자로 써도 충분합니다.

예제 A.4. 드무아브르 공식 (cos⁡θ+isin⁡θ)n=cos⁡nθ+isin⁡nθ(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos n\theta + i\sin n\theta. zn=1z^n = 1의 해는 e2πik/ne^{2\pi ik/n} (k=0,…,n−1k = 0, \ldots, n - 1)으로 단위원 위의 정nn각형 꼭짓점입니다.

A.3 복소수와 행렬

z=a+biz = a + bi를 곱하는 것은 R2\mathbb{R}^2의 선형변환 (x,y)↦(ax−by,bx+ay)(x, y) \mapsto (ax - by, bx + ay)이고, 행렬은

Mz=[a−bba]=r[cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ]M_z = \begin{bmatrix} a & -b \\ b & a \end{bmatrix} = r\begin{bmatrix} \cos\theta & -\sin\theta \\ \sin\theta & \cos\theta \end{bmatrix}

입니다. 확대와 회전의 곱입니다. MzMw=MzwM_zM_w = M_{zw}, Mzˉ=MzTM_{\bar z} = M_z^T, det⁡Mz=∣z∣2\det M_z = \lvert z \rvert^2이 성립합니다(문제 A.5). 복소수 체계를 통째로 2×22 \times 2 실수 행렬의 일부로 볼 수 있습니다. Mi=[0−110]M_i = \begin{bmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix}이고 Mi2=−IM_i^2 = -I입니다. 회전 행렬의 고윳값이 e±iθe^{\pm i\theta}인 것(16장)은 이것과 같은 이야기를 반대 방향에서 한 것입니다.

A.4 복소 벡터

Cn\mathbb{C}^n의 벡터 z,w\mathbf{z}, \mathbf{w}의 내적은 ⟨z,w⟩=∑zkwˉk\langle \mathbf{z}, \mathbf{w} \rangle = \sum z_k\bar{w}_k입니다. 켤레를 붙이는 이유는 ⟨z,z⟩=∑∣zk∣2≥0\langle \mathbf{z}, \mathbf{z} \rangle = \sum \lvert z_k \rvert^2 \ge 0이 길이의 제곱이 되게 하기 위해서입니다. 켤레 없이 zTz\mathbf{z}^T\mathbf{z}를 쓰면 (1,i)T(1,i)=1+i2=0(1, i)^T(1, i) = 1 + i^2 = 0이 되어 0이 아닌 벡터의 “길이”가 0이 됩니다. 행렬에서 전치가 하던 일은 켤레전치 A∗=AˉTA^* = \bar{A}^T가 합니다(25–26장).

쓰이는 곳. 교류 회로의 임피던스, 신호처리의 페이저와 푸리에 변환, 양자역학의 파동함수가 모두 복소수로 쓰입니다. 회전 행렬과 복소수 곱셈이 같다는 것은 그래픽과 로보틱스에서도 쓰입니다.

이 부록의 요약

  • C\mathbb{C}는 체입니다. 1/z=zˉ/∣z∣21/z = \bar{z}/\lvert z \rvert^2.
  • 극형식 z=reiθz = re^{i\theta}: 곱하면 절댓값은 곱하고 편각은 더합니다.
  • zz를 곱하는 것은 행렬 [a−bba]\begin{bmatrix} a & -b \\ b & a \end{bmatrix}, 확대 × 회전입니다.
  • 복소 내적에는 켤레가 붙습니다: ⟨z,w⟩=∑zkwˉk\langle \mathbf{z}, \mathbf{w} \rangle = \sum z_k\bar{w}_k.

문제

A.1 [계산] · 확인 문제

(2+3i)(1−i)(2 + 3i)(1 - i), 2+3i1−i\dfrac{2 + 3i}{1 - i}, ∣3−4i∣\lvert 3 - 4i \rvert, (1+2i)2(1 + 2i)^2을 구합니다.

실수부 허수부
(2+3i)(1−i)(2 + 3i)(1 - i) [?] [?]
2+3i1−i\dfrac{2 + 3i}{1 - i} [?] [?]
(1+2i)2(1 + 2i)^2 [?] [?]
∣3−4i∣\lvert 3 - 4i \rvert [?] 0
정답
5
1
-1/2
5/2
-3
4
5
풀이

(2+3i)(1−i)=2−2i+3i+3=5+i(2 + 3i)(1 - i) = 2 - 2i + 3i + 3 = 5 + i. 2+3i1−i=(2+3i)(1+i)2=−1+5i2\dfrac{2 + 3i}{1 - i} = \dfrac{(2 + 3i)(1 + i)}{2} = \dfrac{-1 + 5i}{2}. ∣3−4i∣=5\lvert 3 - 4i \rvert = 5. (1+2i)2=−3+4i(1 + 2i)^2 = -3 + 4i, 켤레 −3−4i-3 - 4i.

A.2 [계산] · 확인 문제

1+i1 + i, −2-2, −3+i-\sqrt3 + i를 극형식으로 쓰고, (1+i)8(1 + i)^8을 계산합니다. 편각은 (−180°,180°](-180°, 180°]의 도 단위로, 절댓값은 소수 셋째 자리까지 적습니다.

절댓값 편각(도)
1+i1 + i [?] [?]
−2-2 [?] [?]
−3+i-\sqrt3 + i [?] [?]
(1+i)8(1 + i)^8 [?] [?]
정답
1.414
45
2
180
2
150
16
0
풀이

1+i=2eiπ/41 + i = \sqrt2e^{i\pi/4}, −2=2eiπ-2 = 2e^{i\pi}, −3+i=2ei5π/6-\sqrt3 + i = 2e^{i5\pi/6}. (1+i)8=(2)8e2πi=16(1 + i)^8 = (\sqrt2)^8e^{2\pi i} = 16.

A.3 [계산]

z3=1z^3 = 1의 해 세 개와 z2=iz^2 = i의 해 두 개를 구하고 복소평면에 그립니다.

풀이

z3=1z^3 = 1: 11, e2πi/3=−12+32ie^{2\pi i/3} = -\frac12 + \frac{\sqrt3}{2}i, e4πi/3=−12−32ie^{4\pi i/3} = -\frac12 - \frac{\sqrt3}{2}i (정삼각형). z2=i=eiπ/2z^2 = i = e^{i\pi/2}: z=±eiπ/4=±1+i2z = \pm e^{i\pi/4} = \pm\dfrac{1 + i}{\sqrt2}.

A.4 [증명]

∣z+w∣2=∣z∣2+2Re⁡(zwˉ)+∣w∣2\lvert z + w \rvert^2 = \lvert z \rvert^2 + 2\operatorname{Re}(z\bar{w}) + \lvert w \rvert^2을 보이고, 이로부터 ∣z+w∣≤∣z∣+∣w∣\lvert z + w \rvert \le \lvert z \rvert + \lvert w \rvert를 증명합니다.

풀이

∣z+w∣2=(z+w)(zˉ+wˉ)=∣z∣2+zwˉ+zˉw+∣w∣2\lvert z + w \rvert^2 = (z + w)(\bar{z} + \bar{w}) = \lvert z \rvert^2 + z\bar{w} + \bar{z}w + \lvert w \rvert^2이고 zwˉ+zwˉ‾=2Re⁡(zwˉ)z\bar{w} + \overline{z\bar{w}} = 2\operatorname{Re}(z\bar{w}). Re⁡(zwˉ)≤∣zwˉ∣=∣z∣∣w∣\operatorname{Re}(z\bar{w}) \le \lvert z\bar{w} \rvert = \lvert z \rvert\lvert w \rvert이므로 ∣z+w∣2≤(∣z∣+∣w∣)2\lvert z + w \rvert^2 \le (\lvert z \rvert + \lvert w \rvert)^2.

A.5 [증명]

Mz=[a−bba]M_z = \begin{bmatrix} a & -b \\ b & a \end{bmatrix} (z=a+biz = a + bi)에 대해 MzMw=MzwM_zM_w = M_{zw}, Mzˉ=MzTM_{\bar z} = M_z^T, det⁡Mz=∣z∣2\det M_z = \lvert z \rvert^2임을 보입니다.

풀이

w=c+diw = c + di이면

MzMw=[a−bba][c−ddc]=[ac−bd−(ad+bc)ad+bcac−bd]=Mzw.M_zM_w = \begin{bmatrix} a & -b \\ b & a \end{bmatrix}\begin{bmatrix} c & -d \\ d & c \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} ac - bd & -(ad + bc) \\ ad + bc & ac - bd \end{bmatrix} = M_{zw}.

Mzˉ=[ab−ba]=MzTM_{\bar z} = \begin{bmatrix} a & b \\ -b & a \end{bmatrix} = M_z^T. det⁡Mz=a2+b2\det M_z = a^2 + b^2.

A.6 [계산]

MzM_z의 고윳값과 고유벡터를 C2\mathbb{C}^2에서 구합니다. 회전 행렬 RθR_\theta의 고윳값이 e±iθe^{\pm i\theta}인 것과 비교합니다.

풀이

det⁡(Mz−λI)=(a−λ)2+b2=0\det(M_z - \lambda I) = (a - \lambda)^2 + b^2 = 0에서 λ=a±bi\lambda = a \pm bi, 즉 zz와 zˉ\bar{z}. Mz(1,−i)=(a+bi,b−ai)=z(1,−i)M_z(1, -i) = (a + bi, b - ai) = z(1, -i)이고 Mz(1,i)=zˉ(1,i)M_z(1, i) = \bar{z}(1, i). z=eiθz = e^{i\theta}이면 Mz=RθM_z = R_\theta이므로 고윳값 e±iθe^{\pm i\theta}와 일치합니다.