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L00c · 벡터·행렬 기초
Arfken이 전제로 하는 계산 (책에 없는 선수 과정)
이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
벡터의 덧셈·스칼라배, 크기, 단위벡터 구하기
내적으로 사잇각 구하기, 사영으로 평행·수직 성분 나누기, 외적을 행렬식 꼴로 계산하기
행렬 곱을 손으로 빠르고 정확하게 하기
2×2·3×3 행렬식 계산하기 (사뤼스 규칙), 넓이·부피 배율로 읽기
전치·단위행렬·2×2 역행렬 쓰기
연립방정식을 $A\mathbf x=\mathbf b$로 쓰고 가우스 소거로 풀기 (해가 하나 / 무수히 많음 / 없음)
2차원 회전 행렬로 점 돌리기
Arfken 2장(행렬)과 3장(벡터)은 이 계산을 빠르게 지나갑니다(기억 기반, 미검증). 이 레슨에서 손으로 하는 순서를 먼저 익힙니다. 계산마다 검산하는 방법도 함께 적었습니다.
이 레슨의 관례
벡터는 굵은 글씨 $\mathbf a$로 씁니다. 손으로 쓸 때는 $\vec a$로 씁니다. 성분으로는 $\mathbf a=(a_1,a_2,a_3)=a_1\hat{\mathbf x}+a_2\hat{\mathbf y}+a_3\hat{\mathbf z}$입니다.
단위벡터 $\hat{\mathbf x},\hat{\mathbf y},\hat{\mathbf z}$를 $\mathbf i,\mathbf j,\mathbf k$로 쓰는 책도 있습니다. Arfken은 $\hat{\mathbf e}_x,\hat{\mathbf e}_y,\hat{\mathbf e}_z$로 씁니다(기억 기반, 미검증). 뜻은 같습니다.
행렬과 곱할 때 벡터는 세로로 세운 열벡터(column vector)입니다. 글줄 안에서는 $(x,y,z)^T$처럼 씁니다.
$a_{ij}$는 $i$행(row) $j$열(column) 성분입니다. $m\times n$ 행렬은 $m$행 $n$열입니다.
행렬식은 $\det A$ 또는 $|A|$로 씁니다.
오른손 좌표계를 씁니다: $\hat{\mathbf x}\times\hat{\mathbf y}=\hat{\mathbf z}$.
회전 행렬 : 이 레슨은 점(벡터)을 반시계 방향으로 $\theta$만큼 돌리는 능동(active) 회전을 씁니다. L05·L07은 좌표축을 돌리는 수동(passive) 관례를 쓰고, 그 행렬은 이 레슨 행렬의 전치 $R(\theta)^T=R(-\theta)$입니다. 같은 $\theta$에서 $\sin\theta$의 부호가 반대이니 섞지 않습니다. Arfken은 축을 돌리는 관례를 쓴다고 기억합니다(기억 기반, 미검증).
0. 외워 둘 공식
항목 공식
크기 $|\mathbf a|=\sqrt{a_1^2+a_2^2+a_3^2}$
단위벡터 $\hat{\mathbf a}=\dfrac{\mathbf a}{|\mathbf a|}$
내적 $\mathbf a\cdot\mathbf b=a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3$ $\mathbf a\cdot\mathbf b=|\mathbf a||\mathbf b|\cos\theta$
사영 (평행·수직 성분) $\mathbf a_\parallel=\dfrac{\mathbf a\cdot\mathbf b}{\mathbf b\cdot\mathbf b}\,\mathbf b$, $\ \mathbf a_\perp=\mathbf a-\mathbf a_\parallel$
외적 $\mathbf a\times\mathbf b=\begin{vmatrix}\hat{\mathbf x}&\hat{\mathbf y}&\hat{\mathbf z}\\a_1&a_2&a_3\\b_1&b_2&b_3\end{vmatrix}$ $|\mathbf a\times\mathbf b|=|\mathbf a||\mathbf b|\sin\theta$
행렬 곱 $(AB)_{ij}=\sum_ka_{ik}b_{kj}$ ($A$의 $i$행 · $B$의 $j$열)
2×2 행렬식 $\begin{vmatrix}a&b\\c&d\end{vmatrix}=ad-bc$
3×3 행렬식 (사뤼스) $\begin{vmatrix}a&b&c\\d&e&f\\g&h&i\end{vmatrix}=aei+bfg+cdh$ $\qquad-ceg-afh-bdi$
전치 $(A^T)_{ij}=a_{ji}$, $\ (AB)^T=B^TA^T$
2×2 역행렬 $\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}^{-1}=\dfrac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix}$
2D 회전 $R(\theta)=\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}$, $\ R(\alpha)R(\beta)=R(\alpha+\beta)$
1. 벡터의 덧셈, 스칼라배, 크기, 단위벡터
레시피
덧셈·뺄셈은 같은 자리 성분끼리 합니다. 스칼라배(scalar multiple)는 모든 성분에 같은 수를 곱합니다.
크기(길이)는 성분 제곱의 합에 근호를 씌웁니다: $|\mathbf a|=\sqrt{a_1^2+a_2^2+a_3^2}$ (피타고라스).
단위벡터(unit vector)는 크기로 나눈 벡터입니다: $\hat{\mathbf a}=\mathbf a/|\mathbf a|$. 방향은 같고 크기는 1입니다. 검산: 성분 제곱의 합이 1인지 봅니다.
점 $P$에서 점 $Q$로 가는 벡터는 $\overrightarrow{PQ}=Q-P$ (끝점 − 시작점)입니다.
예제 1-1 $\mathbf a=(1,2,2)$, $\mathbf b=(3,0,-4)$일 때 $2\mathbf a-\mathbf b$, $|\mathbf a|$, $|\mathbf b|$, $\hat{\mathbf a}$
스칼라배: $2\mathbf a=(2,4,4)$.
뺄셈은 자리마다: $2\mathbf a-\mathbf b=(2-3,\ 4-0,\ 4-(-4))=(-1,\ 4,\ 8)$.
크기: $|\mathbf a|=\sqrt{1+4+4}=\sqrt9=3$, $\ |\mathbf b|=\sqrt{9+0+16}=\sqrt{25}=5$.
단위벡터: $\hat{\mathbf a}=\frac13(1,2,2)=\big(\frac13,\frac23,\frac23\big)$. 검산: $\frac19+\frac49+\frac49=1$.
덤: $|2\mathbf a-\mathbf b|=\sqrt{1+16+64}=\sqrt{81}=9$.
2. 내적과 사잇각
레시피
성분으로 계산합니다: $\mathbf a\cdot\mathbf b=a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3$. 결과는 숫자 입니다.
사잇각은 내적(dot product)의 기하 공식에서 나옵니다:
$$\cos\theta=\frac{\mathbf a\cdot\mathbf b}{|\mathbf a|\,|\mathbf b|}$$
부호로 바로 압니다. $\mathbf a\cdot\mathbf b=0$이면 수직, 양수면 예각, 음수면 둔각입니다.
$\mathbf a\cdot\mathbf a=|\mathbf a|^2$입니다.
$\mathbf a$의 $\mathbf b$ 방향 성분(사영, projection)은 $\mathbf a\cdot\hat{\mathbf b}$입니다. 일 $W=\mathbf F\cdot\mathbf d$가 이 계산입니다.
평행·수직 성분으로 나누기 : $\mathbf a$를 $\mathbf b$에 평행한 부분과 수직인 부분으로 나눕니다.
$$\begin{aligned}\mathbf a_\parallel&=(\mathbf a\cdot\hat{\mathbf b})\,\hat{\mathbf b}=\frac{\mathbf a\cdot\mathbf b}{\mathbf b\cdot\mathbf b}\,\mathbf b\\ \mathbf a_\perp&=\mathbf a-\mathbf a_\parallel\end{aligned}$$
둘째 꼴을 쓰면 근호 없이 계산됩니다. 검산은 두 가지입니다: $\mathbf a_\perp\cdot\mathbf b=0$, 그리고 $|\mathbf a|^2=|\mathbf a_\parallel|^2+|\mathbf a_\perp|^2$ (피타고라스). $|\mathbf a_\perp|$는 점 $\mathbf a$에서 원점을 지나는 $\mathbf b$ 방향 직선까지의 거리입니다. 빗면에서 무게를 빗면 방향과 수직 방향으로 나누는 계산이 이것입니다.
왜 되나? (증명 스케치)
기하 공식. 세 변이 $\mathbf a$, $\mathbf b$, $\mathbf a-\mathbf b$인 삼각형을 봅니다. 내적은 분배법칙이 되므로
$$\begin{aligned}|\mathbf a-\mathbf b|^2&=(\mathbf a-\mathbf b)\cdot(\mathbf a-\mathbf b)\\&=|\mathbf a|^2+|\mathbf b|^2-2\,\mathbf a\cdot\mathbf b\end{aligned}$$
입니다. 코사인 법칙은 같은 변의 제곱을 $|\mathbf a|^2+|\mathbf b|^2-2|\mathbf a||\mathbf b|\cos\theta$로 줍니다. 두 식을 비교하면 $\mathbf a\cdot\mathbf b=|\mathbf a||\mathbf b|\cos\theta$입니다.
사영. $\mathbf a$에서 $\mathbf b$ 쪽 직선으로 수선을 내리면 직각삼각형이 생기고, 그림자의 길이는 $|\mathbf a|\cos\theta=\mathbf a\cdot\hat{\mathbf b}$입니다. 방향 $\hat{\mathbf b}$를 붙이면 $\mathbf a_\parallel$이고, $\hat{\mathbf b}=\mathbf b/|\mathbf b|$를 넣으면 $\frac{\mathbf a\cdot\mathbf b}{\mathbf b\cdot\mathbf b}\mathbf b$입니다. 나머지는 $\mathbf a_\perp\cdot\hat{\mathbf b}=\mathbf a\cdot\hat{\mathbf b}-(\mathbf a\cdot\hat{\mathbf b})(\hat{\mathbf b}\cdot\hat{\mathbf b})=0$이라 수직입니다.
예제 2-1 (가) $\mathbf a=(1,1,0)$과 $\mathbf b=(1,0,1)$의 사잇각 (나) $\mathbf c=(1,2,-1)$과 $\mathbf d=(3,-1,1)$은 수직인가?
(가)
$\mathbf a\cdot\mathbf b=1\cdot1+1\cdot0+0\cdot1=1$
$|\mathbf a|=\sqrt{1+1+0}=\sqrt2$, $\ |\mathbf b|=\sqrt{1+0+1}=\sqrt2$
$\cos\theta=\dfrac{1}{\sqrt2\cdot\sqrt2}=\dfrac12$이므로 $\theta=60^\circ=\dfrac\pi3$.
(나) $\mathbf c\cdot\mathbf d=1\cdot3+2\cdot(-1)+(-1)\cdot1=3-2-1=0$. 내적이 0이므로 수직입니다.
예제 2-2 (평행·수직 성분) $\mathbf a=(3,1,2)$를 $\mathbf b=(1,1,0)$에 평행한 성분과 수직인 성분으로 나누기
내적 두 개: $\mathbf a\cdot\mathbf b=3+1+0=4$, $\ \mathbf b\cdot\mathbf b=1+1+0=2$.
평행 성분: $\mathbf a_\parallel=\dfrac42\,(1,1,0)=(2,2,0)$.
수직 성분: $\mathbf a_\perp=(3,1,2)-(2,2,0)=(1,-1,2)$.
검산 1: $\mathbf a_\perp\cdot\mathbf b=1-1+0=0$. 수직입니다.
검산 2: $|\mathbf a|^2=9+1+4=14$, $\ |\mathbf a_\parallel|^2+|\mathbf a_\perp|^2=8+6=14$. 맞습니다.
덤: 점 $(3,1,2)$에서 원점을 지나는 $(1,1,0)$ 방향 직선까지의 거리는 $|\mathbf a_\perp|=\sqrt6$입니다.
3. 외적
레시피
행렬식 꼴로 씁니다. 첫 행은 단위벡터, 둘째 행은 $\mathbf a$, 셋째 행은 $\mathbf b$입니다(순서 중요).
첫 행을 따라 펼칩니다. 각 단위벡터가 있는 행과 열을 가리고, 남은 2×2 행렬식을 곱합니다. 부호는 $+,\,-,\,+$입니다.
$$\begin{aligned}\mathbf a\times\mathbf b&=\hat{\mathbf x}\,(a_2b_3-a_3b_2)\\&\quad-\hat{\mathbf y}\,(a_1b_3-a_3b_1)\\&\quad+\hat{\mathbf z}\,(a_1b_2-a_2b_1)\end{aligned}$$
검산 : 외적(cross product)은 $\mathbf a$와 $\mathbf b$ 모두에 수직이므로, 결과와 $\mathbf a$, 결과와 $\mathbf b$의 내적이 둘 다 0이어야 합니다.
성질: $\mathbf b\times\mathbf a=-\mathbf a\times\mathbf b$, $\ \mathbf a\times\mathbf a=\mathbf 0$. 단위벡터는 $\hat{\mathbf x}\times\hat{\mathbf y}=\hat{\mathbf z}$, $\hat{\mathbf y}\times\hat{\mathbf z}=\hat{\mathbf x}$, $\hat{\mathbf z}\times\hat{\mathbf x}=\hat{\mathbf y}$ (순환), 거꾸로 곱하면 $-$.
방향은 오른손 규칙입니다. 네 손가락을 $\mathbf a$에서 $\mathbf b$ 쪽으로 감으면 엄지가 $\mathbf a\times\mathbf b$ 방향입니다.
크기 $|\mathbf a\times\mathbf b|$는 두 벡터가 만드는 평행사변형의 넓이입니다. 삼각형은 그 절반입니다.
왜 되나? (증명 스케치)
수직. 레시피 2번의 성분과 $\mathbf a$의 내적은 $a_1(a_2b_3-a_3b_2)-a_2(a_1b_3-a_3b_1)+a_3(a_1b_2-a_2b_1)$입니다. 전개하면 여섯 항이 둘씩 지워져 0입니다. ($\mathbf a$가 두 행에 들어간 행렬식이 0인 것과 같습니다.) $\mathbf b$도 같습니다.
크기. 성분으로 전개해서 정리하면 다음 항등식이 나옵니다(라그랑주 항등식, Lagrange's identity).
$$|\mathbf a\times\mathbf b|^2=|\mathbf a|^2|\mathbf b|^2-(\mathbf a\cdot\mathbf b)^2$$
오른쪽은 $|\mathbf a|^2|\mathbf b|^2(1-\cos^2\theta)=|\mathbf a|^2|\mathbf b|^2\sin^2\theta$입니다. 평행사변형은 밑변 $|\mathbf a|$, 높이 $|\mathbf b|\sin\theta$이므로 넓이가 $|\mathbf a||\mathbf b|\sin\theta=|\mathbf a\times\mathbf b|$입니다.
예제 3-1 $(1,2,3)\times(4,5,6)$
$$\begin{vmatrix}\hat{\mathbf x}&\hat{\mathbf y}&\hat{\mathbf z}\\1&2&3\\4&5&6\end{vmatrix}$$
$\hat{\mathbf x}$ 성분: 1행 1열을 가리면 $\begin{vmatrix}2&3\\5&6\end{vmatrix}=2\cdot6-3\cdot5=12-15=-3$.
$\hat{\mathbf y}$ 성분: 1행 2열을 가리면 $\begin{vmatrix}1&3\\4&6\end{vmatrix}=6-12=-6$. 부호 $-$를 붙여 $+6$.
$\hat{\mathbf z}$ 성분: 1행 3열을 가리면 $\begin{vmatrix}1&2\\4&5\end{vmatrix}=5-8=-3$.
결과: $(1,2,3)\times(4,5,6)=(-3,\ 6,\ -3)$.
검산: $(1,2,3)\cdot(-3,6,-3)=-3+12-9=0$, $\ (4,5,6)\cdot(-3,6,-3)=-12+30-18=0$. 둘 다 수직입니다.
예제 3-2 세 점 $P(1,0,0)$, $Q(0,2,0)$, $R(0,0,3)$이 만드는 삼각형의 넓이
두 변 벡터(끝 − 시작): $\overrightarrow{PQ}=(0-1,\ 2-0,\ 0-0)=(-1,2,0)$, $\ \overrightarrow{PR}=(-1,0,3)$.
외적의 $\hat{\mathbf x}$ 성분: $2\cdot3-0\cdot0=6$.
$\hat{\mathbf y}$ 성분: $-\big((-1)\cdot3-0\cdot(-1)\big)=-(-3)=3$.
$\hat{\mathbf z}$ 성분: $(-1)\cdot0-2\cdot(-1)=2$.
$\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR}=(6,3,2)$, 크기 $\sqrt{36+9+4}=\sqrt{49}=7$.
평행사변형의 넓이가 7이므로 삼각형의 넓이는 $\dfrac72$입니다.
4. 행렬의 덧셈, 스칼라배, 곱
레시피
덧셈은 크기가 같은 행렬끼리 같은 자리 성분을 더합니다. 스칼라배는 모든 성분에 곱합니다.
곱의 크기 확인 : $(m\times n)(n\times p)=(m\times p)$. 가운데 두 수($A$의 열 수와 $B$의 행 수)가 같아야 곱할 수 있고, 바깥 두 수가 결과의 크기입니다.
$(AB)_{ij}$는 $A$의 $i$행 과 $B$의 $j$열 을 짝지어 곱해서 더한 값입니다: $(AB)_{ij}=a_{i1}b_{1j}+a_{i2}b_{2j}+\cdots$.
손으로 하는 순서 : 결과 행렬의 빈칸($m\times p$)을 먼저 그립니다. 왼손 손가락으로 $A$의 1행을, 오른손 손가락으로 $B$의 1열을 짚고 "곱하고, 곱하고, 더하기"를 합니다. 1행을 끝까지(1열, 2열, …) 채운 다음 2행으로 내려갑니다.
일반적으로 $AB\ne BA$입니다. 곱의 순서를 함부로 바꾸지 않습니다.
단위행렬(identity matrix) $I$는 대각 성분이 1, 나머지가 0입니다. $AI=IA=A$입니다.
왜 되나? (증명 스케치)
행렬 $A$는 벡터를 벡터로 보내는 규칙(선형변환, linear transformation) $\mathbf x\mapsto A\mathbf x$입니다. $A\mathbf x$의 $i$번째 성분은 $\sum_ka_{ik}x_k$, 곧 "$A$의 $i$행과 $\mathbf x$의 내적"입니다. 열로 보면 $A\mathbf x=x_1(\text{1열})+x_2(\text{2열})+\cdots$입니다.
먼저 $B$로, 다음에 $A$로 보내 봅니다. $\mathbf y=B\mathbf x$이면 $y_k=\sum_jb_{kj}x_j$이므로
$$\begin{aligned}&\big(A(B\mathbf x)\big)_i=\sum_ka_{ik}y_k\\&=\sum_j\Big(\sum_ka_{ik}b_{kj}\Big)x_j\end{aligned}$$
괄호 안이 $(AB)_{ij}$입니다. 행렬 곱은 "두 변환을 차례로 한 것"을 행렬 하나로 쓴 것이고, 그래서 행 × 열 규칙이 나옵니다. "먼저 $B$, 다음 $A$"와 "먼저 $A$, 다음 $B$"는 보통 다른 동작입니다(예: 90° 돌리고 $x$ 방향으로만 2배 늘이기 ≠ 늘이고 돌리기). 그래서 $AB\ne BA$가 보통입니다.
예제 4-1 $A=\begin{pmatrix}1&2\\3&4\end{pmatrix}$, $B=\begin{pmatrix}0&1\\5&-2\end{pmatrix}$일 때 $A+B$, $3A$, $AB$, $BA$
덧셈과 스칼라배: $A+B=\begin{pmatrix}1&3\\8&2\end{pmatrix}$, $\ 3A=\begin{pmatrix}3&6\\9&12\end{pmatrix}$.
$AB$를 칸마다 계산합니다.
$(1,1)$: $A$의 1행 $(1,2)$, $B$의 1열 $(0,5)$ → $1\cdot0+2\cdot5=10$
$(1,2)$: 1행 $(1,2)$, 2열 $(1,-2)$ → $1\cdot1+2\cdot(-2)=-3$
$(2,1)$: 2행 $(3,4)$, 1열 $(0,5)$ → $3\cdot0+4\cdot5=20$
$(2,2)$: 2행 $(3,4)$, 2열 $(1,-2)$ → $3\cdot1+4\cdot(-2)=-5$
$BA$도 같은 방법입니다. 이번에는 $B$의 행과 $A$의 열을 짝짓습니다.
$(1,1)$: $(0,1)\cdot(1,3)=0+3=3$, $\ (1,2)$: $(0,1)\cdot(2,4)=0+4=4$
$(2,1)$: $(5,-2)\cdot(1,3)=5-6=-1$, $\ (2,2)$: $(5,-2)\cdot(2,4)=10-8=2$
$$\begin{aligned}AB&=\begin{pmatrix}10&-3\\20&-5\end{pmatrix}\\ BA&=\begin{pmatrix}3&4\\-1&2\end{pmatrix}\end{aligned}$$
$AB\ne BA$입니다.
예제 4-2 크기가 다른 행렬의 곱: $C=\begin{pmatrix}1&0&2\\-1&3&1\end{pmatrix}$ (2×3), $D=\begin{pmatrix}3&1\\2&1\\1&0\end{pmatrix}$ (3×2)
$CD$는 $(2\times3)(3\times2)=2\times2$입니다. 행 하나에 성분이 3개씩 짝지어집니다.
$(1,1)$: $1\cdot3+0\cdot2+2\cdot1=5$
$(1,2)$: $1\cdot1+0\cdot1+2\cdot0=1$
$(2,1)$: $(-1)\cdot3+3\cdot2+1\cdot1=4$
$(2,2)$: $(-1)\cdot1+3\cdot1+1\cdot0=2$
$DC$는 $(3\times2)(2\times3)=3\times3$이라 크기부터 다릅니다.
$$\begin{aligned}CD&=\begin{pmatrix}5&1\\4&2\end{pmatrix}\\ DC&=\begin{pmatrix}2&3&7\\1&3&5\\1&0&2\end{pmatrix}\end{aligned}$$
5. 행렬식 — 2×2와 3×3 (사뤼스)
레시피
2×2: $\begin{vmatrix}a&b\\c&d\end{vmatrix}=ad-bc$. 오른쪽 아래로 가는 대각선의 곱에서 왼쪽 아래로 가는 대각선의 곱을 뺍니다.
3×3 사뤼스 규칙(rule of Sarrus) : 행렬 오른쪽에 1열과 2열을 한 번 더 적습니다. 오른쪽 아래로 가는 대각선 3개(실선)의 곱은 더하고, 왼쪽 아래로 가는 대각선 3개(점선)의 곱은 뺍니다(아래 그림).
$$\begin{aligned}\begin{vmatrix}a&b&c\\d&e&f\\g&h&i\end{vmatrix}&=aei+bfg+cdh\\&\quad-ceg-afh-bdi\end{aligned}$$
검산용 다른 방법은 첫 행으로 펼치기입니다. 외적과 같은 $+,-,+$ 패턴입니다: $a(ei-fh)-b(di-fg)+c(dh-eg)$.
사뤼스는 3×3에만 씁니다. 4×4 이상은 L04(여인수 전개, 행 연산)에서 다룹니다.
뜻 한 줄: 2×2 행렬식의 절댓값은 두 열벡터가 만드는 평행사변형의 넓이, 3×3은 평행육면체의 부피입니다. $\det A=0$이면 역행렬이 없습니다(6절).
a b c d e f g h i
a b d e g h
+ + + − − −
왜 되나? (증명 스케치)
넓이 배율. 두 열벡터 $(a,c)$, $(b,d)$에 $z$성분 0을 붙여 3차원 벡터로 보고 외적을 하면 $z$성분만 남아 $ad-bc$입니다. 3절에 따라 그 크기가 두 열벡터가 만드는 평행사변형의 넓이입니다. 그런데 이 평행사변형은 단위정사각형(넓이 1)을 $A$로 옮긴 모양입니다($A$는 $(1,0)$을 1열로, $(0,1)$을 2열로 보냄). 그래서 $|\det A|$는 $A$가 넓이를 몇 배로 만드는지를 나타냅니다. 3×3은 같은 이유로 부피 배율입니다. 부호가 음수이면 방향(오른손·왼손)이 뒤집힌 것입니다.
사뤼스가 3×3에서만 되는 이유. $n\times n$ 행렬식은 "행마다 하나씩, 열이 겹치지 않게" 고른 성분의 곱을 모두 더하고 뺀 것이라 항이 $n!$개입니다. 3×3은 $3!=6$개라서 대각선 6개가 정확히 다 셉니다. 4×4는 $4!=24$개인데, 열을 덧붙여 대각선을 그으면 8개뿐이라 16개를 놓칩니다.
예제 5-1 (가) $\begin{vmatrix}3&-2\\4&5\end{vmatrix}$ (나) $\det\begin{pmatrix}2&1&3\\0&-1&4\\1&2&0\end{pmatrix}$
(가) $3\cdot5-(-2)\cdot4=15+8=23$.
(나) 문자에 맞춰 읽습니다: $a=2,b=1,c=3$, $d=0,e=-1,f=4$, $g=1,h=2,i=0$.
더하는 항: $aei=2\cdot(-1)\cdot0=0$, $\ bfg=1\cdot4\cdot1=4$, $\ cdh=3\cdot0\cdot2=0$. 합 $4$.
빼는 항: $ceg=3\cdot(-1)\cdot1=-3$, $\ afh=2\cdot4\cdot2=16$, $\ bdi=1\cdot0\cdot0=0$. 합 $13$.
$\det=4-13=-9$.
검산(첫 행으로 펼치기):
$$\begin{aligned}&2\big((-1)\cdot0-4\cdot2\big)\\&-1\big(0\cdot0-4\cdot1\big)\\&+3\big(0\cdot2-(-1)\cdot1\big)\\&=-16+4+3=-9\end{aligned}$$
6. 전치, 단위행렬, 2×2 역행렬
레시피
전치(transpose) $A^T$는 행과 열을 바꾼 행렬입니다: $(A^T)_{ij}=a_{ji}$. 1행이 1열이 됩니다. 곱의 전치는 순서가 뒤집힙니다: $(AB)^T=B^TA^T$.
역행렬(inverse) $A^{-1}$은 $AA^{-1}=A^{-1}A=I$인 행렬입니다.
2×2 역행렬 공식:
$$\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}^{-1}=\frac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix}$$
외우는 법: 대각 두 개는 자리를 바꾸고, 반대각 두 개는 부호만 바꾸고, 행렬식으로 나눕니다.
분모 $ad-bc$는 5절의 행렬식입니다. $ad-bc=0$이면 역행렬이 없습니다(특이행렬, singular matrix).
검산: $AA^{-1}$을 곱해서 $I$가 나오는지 봅니다.
왜 되나? (증명 스케치)
역행렬 공식은 곱해서 확인합니다. 자리 바꾸고 부호 바꾼 행렬을 원래 행렬에 곱합니다.
$$\begin{aligned}&\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}\begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix}\\&=\begin{pmatrix}ad-bc&-ab+ba\\cd-dc&-cb+da\end{pmatrix}\\&=(ad-bc)\,I\end{aligned}$$
그래서 $ad-bc$로 나누면 $I$입니다. 공식을 잊으면 "자리 바꾸고 부호 바꾼 행렬을 곱하면 행렬식배의 $I$"로 다시 만듭니다.
$\det=0$이면 왜 없나. 5절에 따라 넓이 배율이 0이면 평면 전체가 직선(또는 점)으로 납작해집니다. 서로 다른 점이 같은 점으로 가 버리므로 되돌리는 규칙을 만들 수 없습니다.
$(AB)^T=B^TA^T$. $\big((AB)^T\big)_{ij}=(AB)_{ji}=\sum_ka_{jk}b_{ki}=\sum_k(B^T)_{ik}(A^T)_{kj}=(B^TA^T)_{ij}$.
예제 6-1 $A=\begin{pmatrix}2&1\\5&3\end{pmatrix}$의 $A^T$와 $A^{-1}$
전치: 1행 $(2,1)$이 1열로 갑니다. $A^T=\begin{pmatrix}2&5\\1&3\end{pmatrix}$.
행렬식: $ad-bc=2\cdot3-1\cdot5=6-5=1$.
대각 $2$와 $3$의 자리를 바꾸고, 반대각 $1$과 $5$의 부호를 바꿉니다: $\begin{pmatrix}3&-1\\-5&2\end{pmatrix}$. 행렬식 1로 나누면 그대로입니다.
$$A^{-1}=\begin{pmatrix}3&-1\\-5&2\end{pmatrix}$$
검산 $AA^{-1}$: $(1,1)$ $2\cdot3+1\cdot(-5)=1$, $(1,2)$ $2\cdot(-1)+1\cdot2=0$, $(2,1)$ $5\cdot3+3\cdot(-5)=0$, $(2,2)$ $5\cdot(-1)+3\cdot2=1$. 단위행렬이 나옵니다.
그림 표기로 보기: G4 6절 — "자리 바꾸고 부호 바꾸기"의 이유: 케일리-해밀턴 $A^{-1}=\frac{(\operatorname{tr}A)I-A}{\det A}$ (미리보기)
7. 연립방정식 — 행렬로 쓰기와 가우스 소거
레시피
행렬로 쓰기 : 계수를 모은 행렬 $A$, 미지수 열벡터 $\mathbf x$, 우변 열벡터 $\mathbf b$로 $A\mathbf x=\mathbf b$라고 씁니다. 방정식 하나가 $A$의 행 하나입니다. $A$의 $i$행과 $\mathbf x$를 짝지어 곱해 더하면 $i$번째 방정식의 좌변입니다.
첨가행렬(augmented matrix) $[A\,|\,\mathbf b]$를 적습니다. 세로선 오른쪽이 우변입니다.
행 연산 세 가지 (해를 바꾸지 않음): (가) 두 행 바꾸기 $R_1\leftrightarrow R_2$ (나) 한 행에 0이 아닌 수 곱하기 $R_2\to\frac12R_2$ (다) 한 행에 다른 행의 상수배 더하기 $R_2\to R_2-2R_1$. 행 연산을 할 때마다 이 기록을 적습니다. 우변 칸도 같이 바뀝니다.
목표는 계단꼴(row echelon form) 입니다. 1열에서 1행 아래를 모두 0으로 만들고, 그다음 2열에서 2행 아래를 0으로 만듭니다. 각 행에서 처음 나오는 0이 아닌 수를 피벗(pivot)이라 부릅니다.
뒤에서부터 대입(back substitution) : 마지막 행에서 마지막 변수를 구하고, 위로 올라가며 나머지를 구합니다.
세 가지 결말
계단꼴의 모양 해
모든 변수 열에 피벗이 있음 하나
$[\,0\ 0\ 0\,|\,0\,]$ 행이 생기고 모순은 없음 무수히 많음. 피벗이 없는 변수를 $t$로 둠
$[\,0\ 0\ 0\,|\,c\,]$, $c\ne0$인 행이 있음 ($0=c$) 없음
$A$가 정사각행렬이면 $\det A\ne0$일 때 해가 하나입니다. $\det A=0$이면 $\mathbf b$에 따라 무수히 많거나 없습니다.
왜 되나? (증명 스케치)
행 연산 하나는 왼쪽에 행렬 하나를 곱하는 것과 같습니다. 그 행렬 $E$는 단위행렬에 같은 행 연산을 한 것입니다. 예: 3×3에서 $R_2\to R_2-2R_1$은
$$E=\begin{pmatrix}1&0&0\\-2&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}$$
을 $[A\,|\,\mathbf b]$의 왼쪽에 곱한 것입니다(4절의 "행 × 열"로 곱해 보면 2행만 바뀝니다). $E$는 되돌릴 수 있습니다. $R_2\to R_2+2R_1$이 $E^{-1}$입니다.
$$A\mathbf x=\mathbf b\iff EA\mathbf x=E\mathbf b$$
오른쪽으로는 $E$를, 왼쪽으로는 $E^{-1}$을 곱하면 됩니다. 양쪽 화살표가 모두 성립하므로 해의 집합이 그대로입니다. 행 바꾸기와 0이 아닌 수 곱하기도 같은 방법으로 되돌릴 수 있습니다. 0을 곱하는 것은 되돌릴 수 없어서 행 연산에 넣지 않습니다.
예제 7-1 (해가 하나)
$$\begin{aligned}x+y+z&=6\\2x+y-z&=1\\x-y+2z&=5\end{aligned}$$
행렬로 쓰기 :
$$\begin{pmatrix}1&1&1\\2&1&-1\\1&-1&2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}6\\1\\5\end{pmatrix}$$
첨가행렬 :
$$\left(\begin{array}{ccc|c}1&1&1&6\\2&1&-1&1\\1&-1&2&5\end{array}\right)$$
1열 정리 : $R_2\to R_2-2R_1$ 은 $(2-2,\ 1-2,\ -1-2\,|\,1-12)=(0,-1,-3\,|\,-11)$. $R_3\to R_3-R_1$ 은 $(0,-2,1\,|\,-1)$.
$$\left(\begin{array}{ccc|c}1&1&1&6\\0&-1&-3&-11\\0&-2&1&-1\end{array}\right)$$
2열 정리 : $R_3\to R_3-2R_2$ 는 $(0,\ -2+2,\ 1+6\,|\,-1+22)=(0,0,7\,|\,21)$.
$$\left(\begin{array}{ccc|c}1&1&1&6\\0&-1&-3&-11\\0&0&7&21\end{array}\right)$$
뒤에서부터 대입 :
3행: $7z=21$이므로 $z=3$.
2행: $-y-3z=-11$에서 $-y=-11+9=-2$, 그래서 $y=2$.
1행: $x+y+z=6$에서 $x=6-2-3=1$.
검산: $A\,(1,2,3)^T=(1+2+3,\ 2+2-3,\ 1-2+6)=(6,1,5)$. 우변과 같습니다.
예제 7-2 (무수히 많음, 또는 없음) $k=11$일 때와 $k=10$일 때
$$\begin{aligned}x+2y-z&=3\\2x+5y+z&=8\\3x+7y\phantom{{}+z}&=k\end{aligned}$$
첨가행렬에서 시작합니다. 셋째 식에는 $z$가 없으니 그 자리에 0을 적습니다.
$$\left(\begin{array}{ccc|c}1&2&-1&3\\2&5&1&8\\3&7&0&k\end{array}\right)$$
$R_2\to R_2-2R_1$: $(0,1,3\,|\,2)$
$R_3\to R_3-3R_1$: $(0,1,3\,|\,k-9)$
$R_3\to R_3-R_2$: $(0,0,0\,|\,k-11)$
$$\left(\begin{array}{ccc|c}1&2&-1&3\\0&1&3&2\\0&0&0&k-11\end{array}\right)$$
$k=11$ : 3행이 $0=0$입니다. 모순이 없으니 해가 있습니다. $z$ 열에는 피벗이 없으므로 $z=t$로 둡니다.
2행: $y+3t=2$, 그래서 $y=2-3t$.
1행: $x+2(2-3t)-t=3$, 그래서 $x=3-4+6t+t=-1+7t$.
해: $(x,y,z)=(-1+7t,\ 2-3t,\ t)$, $t$는 아무 실수. 검산 $t=0$: $(-1,2,0)$을 넣으면 $3,\ 8,\ 11$. 맞습니다.
$k=10$ : 3행이 $0=-1$입니다. 모순이므로 해가 없습니다 .
두 경우 모두 $\det A=0$입니다. 원래 셋째 식의 좌변이 첫째 식과 둘째 식 좌변의 합이기 때문입니다.
8. 2차원 회전 행렬
레시피
점 $(x,y)$를 원점 둘레로 반시계 방향 $\theta$만큼 돌린 점 $(x',y')$:
$$\begin{pmatrix}x'\\y'\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}$$
외우는 법: 1열은 $(1,0)$을 돌린 곳 $(\cos\theta,\sin\theta)$, 2열은 $(0,1)$을 돌린 곳 $(-\sin\theta,\cos\theta)$입니다.
자주 쓰는 각: $90^\circ$이면 $R=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}$, 즉 $(x,y)\to(-y,x)$. $180^\circ$이면 $(x,y)\to(-x,-y)$. 시계 방향은 $\theta$에 음수를 넣습니다.
두 번 돌리면 각이 더해집니다: $R(\alpha)R(\beta)=R(\alpha+\beta)$. 되돌리기는 $R(\theta)^{-1}=R(-\theta)=R(\theta)^T$입니다. $\det R(\theta)=\cos^2\theta+\sin^2\theta=1$입니다.
검산: 회전은 길이를 바꾸지 않습니다. 돌린 점의 원점까지 거리가 그대로인지 봅니다.
왜 되나? (증명 스케치)
열 읽기. 회전은 선형변환이라 $(x,y)=x(1,0)+y(0,1)$을 돌린 결과는 $x\cdot R(1,0)+y\cdot R(0,1)$입니다. 단위원 위에서 $(1,0)$은 각 $0$에서 각 $\theta$로 가서 $(\cos\theta,\sin\theta)$, $(0,1)$은 각 $\frac\pi2$에서 $\frac\pi2+\theta$로 가서 $(-\sin\theta,\cos\theta)$가 됩니다. 이 둘이 1열, 2열입니다(4절 상자의 "열로 보기").
두 번 돌리기. $\beta$만큼 돌린 뒤 $\alpha$만큼 더 돌리면 $\alpha+\beta$만큼 돈 것입니다. 그래서 $R(\alpha)R(\beta)=R(\alpha+\beta)$입니다. 왼쪽을 곱해 칸끼리 비교하면(예제 8-2) 삼각함수 덧셈정리가 나옵니다.
길이 보존. $R(\theta)^TR(\theta)=I$를 곱해서 확인할 수 있습니다. 그러면 $|R\mathbf x|^2=(R\mathbf x)^T(R\mathbf x)=\mathbf x^TR^TR\mathbf x=|\mathbf x|^2$입니다.
예제 8-1 (가) 점 $(2,1)$을 $90^\circ$ 돌리기 (나) 점 $(1,1)$을 $45^\circ$ 돌리기
(가) 행 × 열로 곱합니다.
$$\begin{aligned}\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}&=\begin{pmatrix}0\cdot2+(-1)\cdot1\\1\cdot2+0\cdot1\end{pmatrix}\\&=\begin{pmatrix}-1\\2\end{pmatrix}\end{aligned}$$
검산: 길이는 둘 다 $\sqrt5$이고, $(2,1)\cdot(-1,2)=0$이라 정말 $90^\circ$ 돌았습니다.
(나) $\cos45^\circ=\sin45^\circ=\frac{1}{\sqrt2}$.
$x'=\frac{1}{\sqrt2}\cdot1-\frac{1}{\sqrt2}\cdot1=0$
$y'=\frac{1}{\sqrt2}\cdot1+\frac{1}{\sqrt2}\cdot1=\frac{2}{\sqrt2}=\sqrt2$
$(0,\sqrt2)$입니다. $(1,1)$은 $45^\circ$ 방향에 있었으니 $90^\circ$ 방향(위쪽 $y$축)으로 갔고, 길이 $\sqrt2$도 그대로입니다.
예제 8-2 $R(\alpha)R(\beta)=R(\alpha+\beta)$를 손으로 확인
$\cos\alpha=c_\alpha$, $\sin\alpha=s_\alpha$처럼 줄여 씁니다. 칸마다 행 × 열입니다.
$(1,1)$: $c_\alpha c_\beta+(-s_\alpha)s_\beta=c_\alpha c_\beta-s_\alpha s_\beta=\cos(\alpha+\beta)$
$(1,2)$: $c_\alpha(-s_\beta)+(-s_\alpha)c_\beta=-(s_\alpha c_\beta+c_\alpha s_\beta)=-\sin(\alpha+\beta)$
$(2,1)$: $s_\alpha c_\beta+c_\alpha s_\beta=\sin(\alpha+\beta)$
$(2,2)$: $s_\alpha(-s_\beta)+c_\alpha c_\beta=\cos(\alpha+\beta)$
네 칸이 정확히 $R(\alpha+\beta)$입니다. 거꾸로 말하면, 삼각함수 덧셈정리를 잊어도 이 곱으로 다시 만들 수 있습니다. 예: $R(30^\circ)R(60^\circ)=R(90^\circ)$.
2차원 회전끼리는 순서를 바꿔도 결과가 같습니다. 3차원 회전은 일반적으로 순서를 바꾸면 결과가 달라집니다. 3차원 좌표 회전은 L07에서 다룹니다.
9. 자주 하는 실수
외적 $\hat{\mathbf y}$ 성분의 마이너스를 빠뜨리기. 첫 행 펼치기의 부호는 $+,-,+$입니다.
외적의 순서를 바꾸기. $\mathbf a\times\mathbf b=-\mathbf b\times\mathbf a$입니다.
내적을 벡터로 쓰기. 내적은 숫자, 외적은 벡터입니다.
평행 성분을 $(\mathbf a\cdot\mathbf b)\,\mathbf b$로 쓰기. $\mathbf b$가 단위벡터가 아니면 $\mathbf b\cdot\mathbf b$로 나눠야 합니다.
행렬 곱을 같은 자리끼리 곱하는 것으로 착각하기. 곱은 언제나 행 × 열입니다.
곱하기 전에 크기를 확인하지 않기, $AB$와 $BA$를 같다고 두기.
2×2 역행렬에서 대각 자리를 바꾸지 않거나, 반대각 부호를 바꾸지 않거나, 행렬식으로 나누지 않기. 마지막에 $AA^{-1}=I$로 검산합니다.
사뤼스 규칙을 4×4에 쓰기.
행 연산에서 첨가된 우변 칸을 같이 바꾸지 않기.
$[\,0\ 0\ 0\,|\,0\,]$ 행을 보고 "해가 없다"고 하기. 이것은 해가 무수히 많다는 뜻입니다. 해가 없는 것은 $[\,0\ 0\ 0\,|\,c\ne0\,]$입니다.
회전 행렬의 $-\sin\theta$ 위치를 바꿔 쓰기. 점을 돌리는 관례인지 축을 돌리는 관례인지 먼저 확인합니다.
10. 연습문제
종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 모든 답은 SymPy로 검산했습니다.
A. 벡터
A1. $\mathbf a=(2,-1,3)$, $\mathbf b=(1,4,-2)$일 때 $\mathbf a+\mathbf b$, $3\mathbf a-2\mathbf b$, $|\mathbf a|$, $\hat{\mathbf a}$
답 $(3,3,1)$, $(4,-11,13)$, $\sqrt{14}$, $\dfrac{1}{\sqrt{14}}(2,-1,3)$ — $3\mathbf a=(6,-3,9)$, $2\mathbf b=(2,8,-4)$을 자리마다 뺍니다.
A2. $(1,1,0)$과 $(-1,0,1)$의 사잇각
답 $120^\circ=\dfrac{2\pi}{3}$ — 내적 $-1$, 크기 $\sqrt2\cdot\sqrt2=2$이므로 $\cos\theta=-\frac12$.
A3. $(1,k,2)$와 $(3,-1,k)$가 수직이 되는 $k$
답 $k=-3$ — 내적 $3-k+2k=3+k=0$.
A4. $(2,0,1)\times(1,3,-1)$
답 $(-3,\ 3,\ 6)$ — $\hat{\mathbf x}$: $0\cdot(-1)-1\cdot3=-3$, $\hat{\mathbf y}$: $-\big(2\cdot(-1)-1\cdot1\big)=3$, $\hat{\mathbf z}$: $2\cdot3-0\cdot1=6$. 두 벡터와의 내적이 모두 0입니다.
A5. 세 점 $P(1,1,0)$, $Q(2,3,1)$, $R(0,2,2)$가 만드는 삼각형의 넓이
답 $\dfrac{3\sqrt3}{2}$ — $\overrightarrow{PQ}=(1,2,1)$, $\overrightarrow{PR}=(-1,1,2)$, 외적 $(3,-3,3)$, 크기 $\sqrt{27}=3\sqrt3$의 절반.
A6. $(\hat{\mathbf x}+\hat{\mathbf y})\times(\hat{\mathbf y}+\hat{\mathbf z})$ (성분 없이 단위벡터 규칙으로)
답 $\hat{\mathbf x}-\hat{\mathbf y}+\hat{\mathbf z}=(1,-1,1)$ — 분배: $\hat{\mathbf x}\times\hat{\mathbf y}+\hat{\mathbf x}\times\hat{\mathbf z}+\hat{\mathbf y}\times\hat{\mathbf y}+\hat{\mathbf y}\times\hat{\mathbf z}=\hat{\mathbf z}-\hat{\mathbf y}+\mathbf 0+\hat{\mathbf x}$.
A7. $\mathbf a=(1,2,3)$을 $\mathbf b=(1,0,1)$에 평행한 성분과 수직인 성분으로
답 $\mathbf a_\parallel=(2,0,2)$, $\ \mathbf a_\perp=(-1,2,1)$ — $\frac{\mathbf a\cdot\mathbf b}{\mathbf b\cdot\mathbf b}=\frac42=2$. 검산: $\mathbf a_\perp\cdot\mathbf b=-1+1=0$, $8+6=14=|\mathbf a|^2$.
A8. 빗면 방향 단위벡터가 $\hat{\mathbf t}=\frac15(4,3)$이고 무게가 $\mathbf W=(0,-10)$일 때, $\mathbf W$의 빗면 방향 성분과 수직 성분, 수직 성분의 크기
답 $\mathbf W_\parallel=\big(-\frac{24}5,-\frac{18}5\big)$, $\ \mathbf W_\perp=\big(\frac{24}5,-\frac{32}5\big)$, $|\mathbf W_\perp|=8$ — $\mathbf W\cdot\hat{\mathbf t}=-6$이므로 $\mathbf W_\parallel=-6\,\hat{\mathbf t}$. 검산: $6^2+8^2=10^2$.
A9. 점 $P(2,3,1)$에서 원점을 지나고 방향이 $(1,2,2)$인 직선까지의 거리 (두 방법: 사영, 외적)
답 $\dfrac{\sqrt{26}}{3}$ — 사영: $|\mathbf a_\perp|^2=|\mathbf a|^2-\frac{(\mathbf a\cdot\mathbf b)^2}{\mathbf b\cdot\mathbf b}=14-\frac{100}9=\frac{26}9$. 외적: $(2,3,1)\times(1,2,2)=(4,-3,1)$, 크기 $\sqrt{26}$을 $|\mathbf b|=3$으로 나눕니다(평행사변형 넓이 ÷ 밑변 = 높이).
B. 행렬 연산
B1. $A=\begin{pmatrix}2&-1\\0&3\end{pmatrix}$, $B=\begin{pmatrix}1&4\\-2&1\end{pmatrix}$일 때 $2A-B$
답 $\begin{pmatrix}3&-6\\2&5\end{pmatrix}$ — $2A=\begin{pmatrix}4&-2\\0&6\end{pmatrix}$에서 자리마다 뺍니다.
B2. B1의 $A$, $B$로 $AB$와 $BA$
답 $AB=\begin{pmatrix}4&7\\-6&3\end{pmatrix}$, $BA=\begin{pmatrix}2&11\\-4&5\end{pmatrix}$ — 예: $(AB)_{11}=2\cdot1+(-1)(-2)=4$, $(BA)_{12}=1\cdot(-1)+4\cdot3=11$.
B3. $\begin{pmatrix}1&2&3\\4&5&6\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\0\\-1\end{pmatrix}$
답 $\begin{pmatrix}-2\\-2\end{pmatrix}$ — 크기 $(2\times3)(3\times1)=2\times1$. $1-3=-2$, $4-6=-2$.
B4. $\begin{pmatrix}1&0&2\\0&1&0\\-1&0&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}2&1&0\\0&3&1\\1&0&1\end{pmatrix}$
답 $\begin{pmatrix}4&1&2\\0&3&1\\-1&-1&1\end{pmatrix}$ — 예: $(1,1)$은 $1\cdot2+0\cdot0+2\cdot1=4$, $(3,1)$은 $(-1)\cdot2+0+1\cdot1=-1$.
B5. $A=\begin{pmatrix}1&2\\3&4\end{pmatrix}$의 $A^T$와 $A+A^T$
답 $A^T=\begin{pmatrix}1&3\\2&4\end{pmatrix}$, $A+A^T=\begin{pmatrix}2&5\\5&8\end{pmatrix}$ — $A+A^T$는 언제나 대칭행렬($M^T=M$)입니다.
B6. $N=\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix}$일 때 $N^2$
답 $\begin{pmatrix}0&0\\0&0\end{pmatrix}$ — $N\ne0$인데 $N^2=0$입니다. 행렬은 수와 달리 이런 일이 생깁니다.
C. 행렬식·역행렬
C1. $\det\begin{pmatrix}1&2&3\\4&5&6\\7&8&10\end{pmatrix}$
답 $-3$ — 사뤼스: 더하는 항 $50+84+96=230$, 빼는 항 $105+48+80=233$.
C2. $\det\begin{pmatrix}3&1&0\\-1&2&4\\2&0&1\end{pmatrix}$
답 $15$ — 더하는 항 $6+8+0=14$, 빼는 항 $0+0+(-1)=-1$. $14-(-1)=15$.
C3. $\begin{vmatrix}1-\lambda&2\\2&1-\lambda\end{vmatrix}=0$이 되는 $\lambda$
답 $\lambda=3,\ -1$ — $(1-\lambda)^2-4=0$이므로 $1-\lambda=\pm2$. 이것이 L05 고유값 계산의 첫 단계입니다.
C4. $\begin{pmatrix}4&7\\2&6\end{pmatrix}^{-1}$
답 $\dfrac{1}{10}\begin{pmatrix}6&-7\\-2&4\end{pmatrix}$ — 행렬식 $24-14=10$.
C5. $\begin{pmatrix}2&4\\1&2\end{pmatrix}$의 역행렬
답 없음 — 행렬식 $2\cdot2-4\cdot1=0$. 두 행이 비례합니다.
C6. $2x+y=5$, $5x+3y=13$을 역행렬로 풀기
답 $x=2$, $y=1$ — 계수 행렬은 예제 6-1의 $A$입니다. $\mathbf x=A^{-1}\mathbf b=\begin{pmatrix}3&-1\\-5&2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}5\\13\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}15-13\\-25+26\end{pmatrix}$.
D. 가우스 소거
D1. $x+2y=5$, $3x-y=1$
답 $(x,y)=(1,2)$ — $R_2\to R_2-3R_1$로 $-7y=-14$.
D2. $x+y+z=2$, $x+2y+3z=5$, $2x+3y+5z=9$
답 $(x,y,z)=(1,-1,2)$ — $R_2-R_1$: $(0,1,2\,|\,3)$, $R_3-2R_1$: $(0,1,3\,|\,5)$, $R_3-R_2$: $(0,0,1\,|\,2)$. 그래서 $z=2$, $y=3-4=-1$, $x=2+1-2=1$.
D3. $x+y-z=2$, $2x+3y+z=7$, $4x+5y-z=11$
답 무수히 많음: $(x,y,z)=(-1+4t,\ 3-3t,\ t)$ — $R_2-2R_1$과 $R_3-4R_1$이 둘 다 $(0,1,3\,|\,3)$이 되어 마지막 행이 $0=0$. $y=3-3t$, $x=2-y+z$.
D4. $x+2y=3$, $2x+4y=k$의 해가 몇 개인지 $k$에 따라
답 $k=6$이면 무수히 많음($x=3-2t$, $y=t$), $k\ne6$이면 없음 — $R_2-2R_1$: $(0,0\,|\,k-6)$.
E. 회전
E1. 점 $(3,4)$를 $90^\circ$, $180^\circ$ 돌린 점
답 $(-4,3)$, $(-3,-4)$ — $90^\circ$는 $(x,y)\to(-y,x)$. 길이 5는 그대로입니다.
E2. 점 $(2,1)$을 $45^\circ$ 돌린 점
답 $\Big(\dfrac{\sqrt2}{2},\ \dfrac{3\sqrt2}{2}\Big)$ — $x'=\frac{2-1}{\sqrt2}$, $y'=\frac{2+1}{\sqrt2}$. 길이 $\sqrt5$ 그대로.
E3. $R(120^\circ)$를 성분으로 쓰고, $R(120^\circ)^3$을 구하기
답 $R(120^\circ)=\begin{pmatrix}-\frac12&-\frac{\sqrt3}{2}\\\frac{\sqrt3}{2}&-\frac12\end{pmatrix}$, $R(120^\circ)^3=R(360^\circ)=I$ — 각이 더해지므로 세 번이면 한 바퀴입니다.
11. 다음
틀린 문제는 풀이를 사진이나 텍스트로 보내 주세요. 어디서 틀렸는지 짚어 드립니다.
이 레슨은 Arfken의 특정 절에 대응하지 않습니다. 연습문제를 대부분 맞혔다면 넘어가세요. 더 연습하려면 선형대수 교재의 첫 장(가우스 소거, 행렬 연산) 연습문제가 좋습니다.
다음 레슨은 L01 급수 계산 입니다. 여기서부터 Arfken 본문과 짝을 이룹니다.
이어지는 곳: 행렬식의 여인수 전개·행 연산·크래머 공식·일반 역행렬은 L04, $\det(A-\lambda I)=0$으로 시작하는 고유값(C5)은 L05, 내적·외적을 쓰는 벡터 미분은 L07에서 다룹니다.
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