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L05 · 고유값 문제
Arfken 7판 6.1–6.5절 (고유값 방정식, 행렬 고유값 문제, 에르미트 고유값 문제, 대각화, 정규 행렬, 일반화 고유값 문제, 동시 대각화)
이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
- 특성방정식으로 고유값을 구하고, 고유벡터를 구해 정규화하기
- 대각합과 행렬식으로 고유값 검산하기
- 중근일 때 서로 직교하는 고유벡터 고르기
- 실대칭·에르미트 행렬을 $U^\dagger AU=D$로 대각화하기
- $e^A$, $\sqrt A$ 같은 행렬 함수와 케일리-해밀턴 정리로 $A^n$, $A^{-1}$ 계산하기
- 2차형식의 주축 변환, 결합 진동자의 정규모드 구하기(질량이 다른 경우 $\det(K-\omega^2M)=0$ 포함)
- 정규 행렬 판별과 복소 고유값 다루기
- 교환하는 두 행렬을 동시에 대각화해서 축퇴된 고유벡터 고르기
0. 외워 둘 공식
| 항목 | 공식 |
| 고유값 방정식 | $A\mathbf v=\lambda\mathbf v$ ($\mathbf v\ne\mathbf 0$) $\iff\det(A-\lambda I)=0$ (특성방정식, characteristic equation) |
| 2×2 특성방정식 | $\lambda^2-(\operatorname{tr}A)\lambda+\det A=0$ |
| 3×3 특성방정식 | $\lambda^3-(\operatorname{tr}A)\lambda^2+S_2\lambda-\det A=0$, $\ S_2=$ 대각선에 걸친 2×2 소행렬식 3개의 합
$$S_2=\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}a_{11}&a_{13}\\a_{31}&a_{33}\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}a_{22}&a_{23}\\a_{32}&a_{33}\end{vmatrix}$$ |
| 검산 | $\operatorname{tr}A=\sum_i\lambda_i$, $\quad\det A=\prod_i\lambda_i$ |
| 에르미트 $A^\dagger=A$ | 고유값은 실수, 서로 다른 고유값의 고유벡터는 직교 |
| 대각화 | $U=(\mathbf u_1\ \mathbf u_2\ \cdots)$ (정규화된 고유벡터를 열로), $\ U^\dagger AU=D=\operatorname{diag}(\lambda_1,\lambda_2,\ldots)$ |
| 행렬 함수 | $f(A)=Uf(D)U^\dagger=\sum_i f(\lambda_i)\,\mathbf u_i\mathbf u_i^\dagger$ |
| 케일리-해밀턴(Cayley–Hamilton) | 특성다항식 $p(\lambda)$에 대해 $p(A)=0$ |
| 파울리 지수 | $M^2=I$이면 $e^{i\theta M}=\cos\theta\,I+i\sin\theta\,M$ (예: $M=\sigma_y$, $\hat n\cdot\boldsymbol\sigma$) |
| 정규 행렬 | $AA^\dagger=A^\dagger A\iff$ 유니터리 행렬로 대각화 가능 |
| 일반화 고유값 문제 | $K\mathbf a=\omega^2M\mathbf a$, $\ \det(K-\omega^2M)=0$, 모드끼리 $\mathbf a_i^TM\mathbf a_j=0$ |
| 동시 대각화 | 에르미트 $A$, $B$가 $[A,B]=0$이면 공통 고유벡터로 함께 대각화 |
이 레슨의 관례 (책마다 다른 곳)
- 고유벡터는 상수배가 자유입니다. 이 레슨은 길이 1로 정규화하고, 첫 번째 0이 아닌 성분이 양의 실수가 되게 고릅니다. 내 답이 이 레슨의 답에 상수(복소수 포함)를 곱한 것이면 맞은 답입니다.
- $U$의 열은 고유값이 작은 것부터 순서대로 놓습니다. 그러면 $D$의 대각도 오름차순입니다.
- 특성다항식을 $\det(A-\lambda I)$로 쓰는 책과 $\det(\lambda I-A)$로 쓰는 책이 있습니다. 둘은 $(-1)^n$배 차이라 근은 같습니다. 0절의 2×2·3×3 공식은 $\det(\lambda I-A)$ 꼴(최고차 계수 $+1$)입니다.
- 회전: $e^{i\theta\sigma_y}=\begin{pmatrix}\cos\theta&\sin\theta\\-\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}$는 좌표축을 $\theta$만큼 돌린 수동(passive) 회전, 또는 벡터를 $-\theta$만큼 돌린 능동(active) 회전입니다. Arfken 2·3장의 2차원 회전 행렬도 이 수동 꼴로 기억합니다(기억 기반, 미검증). 양자역학의 스핀 회전은 $e^{-i\theta\sigma_y/2}$처럼 $-$ 부호와 $\tfrac12$이 붙습니다.
1. 고유값과 고유벡터 — 기본 절차
레시피
- $A-\lambda I$를 씁니다. $\lambda$는 대각 성분에서만 뺍니다.
- $\det(A-\lambda I)=0$을 풀어 고유값을 구합니다. 2×2는 바로 $\lambda^2-(\operatorname{tr}A)\lambda+\det A=0$.
- 고유값마다 $(A-\lambda I)\mathbf v=\mathbf 0$을 풉니다. 행렬식이 0이라서 식 하나는 나머지에 종속입니다. 2×2는 한 행만 보면 됩니다: 그 행이 $(p,\ q)$이면 $\mathbf v\propto(q,\ -p)$.
- 정규화: $\hat{\mathbf v}=\mathbf v/\sqrt{\mathbf v^\dagger\mathbf v}$. 복소 성분이면 $|v_i|^2$를 더합니다.
- 검산: $\sum\lambda=\operatorname{tr}A$, $\prod\lambda=\det A$, 그리고 $A\mathbf v$를 직접 곱해서 $\lambda\mathbf v$가 나오는지 봅니다.
왜 되나? (증명 스케치)
$\operatorname{tr}A=\sum\lambda_i$, $\det A=\prod\lambda_i$. 특성다항식을 두 가지로 씁니다. 근이 $\lambda_1,\dots,\lambda_n$이므로
$$\det(\lambda I-A)=(\lambda-\lambda_1)\cdots(\lambda-\lambda_n).$$
- $\lambda^{n-1}$의 계수: 오른쪽은 $-\sum\lambda_i$. 왼쪽에서 $\lambda^{n-1}$이 나오려면 $\lambda$가 $n-1$개 필요한데, $\lambda$는 대각에만 있으므로 대각 곱 $\prod(\lambda-a_{ii})$에서만 나옵니다. 그래서 $-\sum a_{ii}=-\operatorname{tr}A$.
- 상수항($\lambda=0$ 대입): 왼쪽 $\det(-A)=(-1)^n\det A$, 오른쪽 $(-1)^n\prod\lambda_i$.
- 3×3의 $S_2$는 $\lambda$의 1차 계수이고, 같은 비교로 $S_2=\lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_2\lambda_3$입니다.
상사변환(similarity transformation)은 고유값을 보존합니다. $\det(S^{-1}AS-\lambda I)=\det\big(S^{-1}(A-\lambda I)S\big)=\det(A-\lambda I)$. 특성다항식이 같으므로 고유값·대각합·행렬식이 모두 같습니다. 대각화 $U^\dagger AU=D$가 고유값을 바꾸지 않는 이유입니다.
예제 1-1 $A=\begin{pmatrix}4&1\\2&3\end{pmatrix}$의 고유값과 정규화된 고유벡터
$\operatorname{tr}A=7$, $\det A=12-2=10$이므로
$$\begin{aligned}&\lambda^2-7\lambda+10=(\lambda-2)(\lambda-5)=0\\&\Rightarrow\ \lambda=2,\ 5.\end{aligned}$$
- $\lambda=2$: $A-2I=\begin{pmatrix}2&1\\2&1\end{pmatrix}$. 1행 $(2,1)$ → $\mathbf v\propto(1,-2)$. 정규화: $\dfrac{1}{\sqrt5}(1,-2)$.
- $\lambda=5$: $A-5I=\begin{pmatrix}-1&1\\2&-2\end{pmatrix}$. 1행 $(-1,1)$ → $\mathbf v\propto(1,1)$. 정규화: $\dfrac{1}{\sqrt2}(1,1)$.
검산: $2+5=7$, $2\cdot5=10$. 직접 곱하기: $A(1,-2)^T=(2,-4)^T=2(1,-2)^T$, $A(1,1)^T=(5,5)^T$.
$A$가 대칭이 아니라서 두 고유벡터는 직교하지 않습니다: $(1,1)\cdot(1,-2)=-1$. 이런 행렬은 $S^{-1}AS=D$로 대각화하고, $S^{-1}$을 따로 구해야 합니다.
2. 3×3 실대칭 행렬
레시피
- 특성다항식을 $\lambda^3-(\operatorname{tr}A)\lambda^2+S_2\lambda-\det A$로 바로 씁니다. $\det(A-\lambda I)$를 통째로 전개하는 것보다 실수가 적습니다.
- 정수 근은 $\det A$의 약수 중에서 대입해 찾습니다. 하나를 찾으면 조립제법(synthetic division)으로 나눠 남은 2차식을 풉니다.
- 고유벡터 요령: 단근 $\lambda$이면 $A-\lambda I$의 서로 비례하지 않는 두 행의 외적(cross product)이 고유벡터입니다. 두 행 모두와 수직인 벡터이기 때문입니다. 외적: $(a_1,a_2,a_3)\times(b_1,b_2,b_3)=(a_2b_3-a_3b_2,\ a_3b_1-a_1b_3,\ a_1b_2-a_2b_1)$.
- 실대칭이면 서로 다른 고유값의 고유벡터끼리 내적이 0이어야 합니다. 0이 아니면 어딘가 틀린 것입니다.
왜 되나? (증명 스케치)
에르미트($A^\dagger=A$)이면 성립합니다. 실대칭은 그 특수한 경우입니다.
고유값이 실수: $A\mathbf v=\lambda\mathbf v$의 왼쪽에 $\mathbf v^\dagger$를 곱하면 $\mathbf v^\dagger A\mathbf v=\lambda\,\mathbf v^\dagger\mathbf v$. 왼쪽 수의 켤레를 취하면 $(\mathbf v^\dagger A\mathbf v)^*=\mathbf v^\dagger A^\dagger\mathbf v=\mathbf v^\dagger A\mathbf v$로 자기 자신이므로 실수입니다. $\mathbf v^\dagger\mathbf v>0$도 실수이므로 $\lambda$는 실수입니다.
고유벡터가 직교: $A\mathbf u=\lambda\mathbf u$, $A\mathbf v=\mu\mathbf v$, $\lambda\ne\mu$라 합니다. $\mathbf u^\dagger A\mathbf v$를 두 방법으로 계산합니다.
$$\begin{aligned}\mathbf u^\dagger(A\mathbf v)&=\mu\,\mathbf u^\dagger\mathbf v,\\ (A\mathbf u)^\dagger\mathbf v&=\lambda^*\mathbf u^\dagger\mathbf v=\lambda\,\mathbf u^\dagger\mathbf v.\end{aligned}$$
($A^\dagger=A$라서 두 식의 왼쪽은 같습니다.) 빼면 $(\lambda-\mu)\,\mathbf u^\dagger\mathbf v=0$이므로 $\mathbf u^\dagger\mathbf v=0$.
예제 2-1 $A=\begin{pmatrix}2&-1&0\\-1&3&-1\\0&-1&2\end{pmatrix}$의 고유값, 고유벡터, 대각화 행렬
계수 세 개를 구합니다. 먼저 $\operatorname{tr}A=2+3+2=7$.
$$\begin{aligned}S_2&=\begin{vmatrix}2&-1\\-1&3\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}2&0\\0&2\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}3&-1\\-1&2\end{vmatrix}\\&=5+4+5=14\end{aligned}$$
$\det A$는 1행으로 전개합니다. 소행렬식이 $M_{11}=3\cdot2-(-1)(-1)=5$, $M_{12}=(-1)\cdot2-(-1)\cdot0=-2$이므로
$$\det A=2\cdot5-(-1)\cdot(-2)+0=10-2=8.$$
특성다항식 $p(\lambda)=\lambda^3-7\lambda^2+14\lambda-8$. 8의 약수를 넣어 보면 $p(1)=1-7+14-8=0$. 조립제법으로 $(\lambda-1)$을 나누면 계수 $1,-6,8$이 남습니다.
$$\begin{aligned}p(\lambda)&=(\lambda-1)(\lambda^2-6\lambda+8)\\&=(\lambda-1)(\lambda-2)(\lambda-4)\end{aligned}$$
따라서 $\lambda=1,\ 2,\ 4$.
검산: $1+2+4=7$, $1\cdot2\cdot4=8$.
고유벡터는 $A-\lambda I$의 1행과 2행의 외적으로 구합니다.
- $\lambda=1$: $(1,-1,0)\times(-1,2,-1)=\big((-1)(-1)-0,\ 0-1\cdot(-1),\ 1\cdot2-(-1)(-1)\big)=(1,1,1)$
- $\lambda=2$: $(0,-1,0)\times(-1,1,-1)=\big((-1)(-1)-0,\ 0-0,\ 0-(-1)(-1)\big)=(1,0,-1)$
- $\lambda=4$: $(-2,-1,0)\times(-1,-1,-1)=\big((-1)(-1)-0,\ 0-(-2)(-1),\ (-2)(-1)-(-1)(-1)\big)=(1,-2,1)$
직교 확인: $(1,1,1)\cdot(1,0,-1)=0$, $(1,1,1)\cdot(1,-2,1)=0$, $(1,0,-1)\cdot(1,-2,1)=0$. 정규화해서 열로 놓습니다.
$$U=\begin{pmatrix}\frac1{\sqrt3}&\frac1{\sqrt2}&\frac1{\sqrt6}\\[2pt]\frac1{\sqrt3}&0&-\frac2{\sqrt6}\\[2pt]\frac1{\sqrt3}&-\frac1{\sqrt2}&\frac1{\sqrt6}\end{pmatrix}$$
$$U^TAU=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&2&0\\0&0&4\end{pmatrix}.$$
그림 표기로 보기: G4 5절 — $S_2=\frac12[(\operatorname{tr}A)^2-\operatorname{tr}A^2]$ — 대칭 행렬이면 성분 제곱합으로 검산(예제 5-1에서 이 예제를 다시 풂)
3. 중근(축퇴)
레시피
- 중근(축퇴, degeneracy) $\lambda$에서는 $(A-\lambda I)\mathbf v=\mathbf 0$의 독립인 식이 줄어듭니다. 3×3 실대칭 행렬에서 이중근이면 식이 하나만 남고, 해는 평면(2차원 고유공간)입니다.
- 그 평면에서 0이 많은 벡터 두 개 $\mathbf v_1,\mathbf v_2$를 고릅니다.
- 그람-슈미트(Gram–Schmidt) 한 단계:
$$\mathbf v_2'=\mathbf v_2-\frac{\mathbf v_1\cdot\mathbf v_2}{\mathbf v_1\cdot\mathbf v_1}\,\mathbf v_1.$$
그러면 $\mathbf v_1\perp\mathbf v_2'$이고, 둘 다 여전히 같은 고유값의 고유벡터입니다.
- 정규화합니다. 실대칭이면 단근의 고유벡터와는 자동으로 직교합니다.
- 3×3 지름길: 단근 고유벡터 $\mathbf w$와 $\mathbf v_1$의 외적 $\mathbf w\times\mathbf v_1$을 둘째 벡터로 써도 됩니다.
예제 3-1 $A=\begin{pmatrix}2&1&1\\1&2&1\\1&1&2\end{pmatrix}$를 대각화하는 직교 행렬
$\operatorname{tr}A=6$, $S_2=3+3+3=9$, $\det A=2(4-1)-1(2-1)+1(1-2)=4$. 특성다항식은 $\lambda^3-6\lambda^2+9\lambda-4$이고 $p(1)=0$입니다. 조립제법으로 나누면 $\lambda^2-5\lambda+4=(\lambda-1)(\lambda-4)$가 남으므로
$$\begin{aligned}&p(\lambda)=(\lambda-1)^2(\lambda-4)\\&\Rightarrow\ \lambda=1\ (\text{이중근}),\ 4.\end{aligned}$$
- $\lambda=4$: $A-4I$의 1·2행 외적 $(-2,1,1)\times(1,-2,1)=(3,3,3)\propto(1,1,1)$.
- $\lambda=1$: $A-I$는 성분이 모두 1이라 세 식이 모두 $x+y+z=0$입니다. 이 평면에서 $\mathbf v_1=(1,-1,0)$, $\mathbf v_2=(1,0,-1)$을 고릅니다. 둘은 직교하지 않습니다($\mathbf v_1\cdot\mathbf v_2=1$).
그람-슈미트: $\mathbf v_1\cdot\mathbf v_1=2$이므로
$$\begin{aligned}\mathbf v_2'&=(1,0,-1)-\frac12(1,-1,0)\\&=\Big(\frac12,\ \frac12,\ -1\Big)\propto(1,1,-2).\end{aligned}$$
확인: $(1,1,-2)\cdot(1,-1,0)=0$, $(1,1,-2)\cdot(1,1,1)=0$. 지름길로도 $(1,1,1)\times(1,-1,0)=(1,1,-2)$로 같습니다.
$$U=\begin{pmatrix}\frac1{\sqrt2}&\frac1{\sqrt6}&\frac1{\sqrt3}\\[2pt]-\frac1{\sqrt2}&\frac1{\sqrt6}&\frac1{\sqrt3}\\[2pt]0&-\frac2{\sqrt6}&\frac1{\sqrt3}\end{pmatrix}$$
$$U^TAU=\operatorname{diag}(1,1,4).$$
중근 쪽 두 열은 평면 안에서 얼마든지 돌려 고를 수 있습니다. 서로 직교하고 길이가 1이기만 하면 됩니다.
4. 에르미트 행렬과 대각화 $U^\dagger AU=D$
레시피
- 에르미트 행렬($A^\dagger=A$)의 고유값은 실수입니다. 2×2 에르미트 $\begin{pmatrix}a&c\\c^*&b\end{pmatrix}$의 특성방정식은 $\lambda^2-(a+b)\lambda+(ab-|c|^2)=0$.
- 고유벡터를 구하고 $\mathbf v^\dagger\mathbf v=\sum|v_i|^2$로 정규화합니다. 관례대로 첫 성분이 양의 실수가 되도록 복소수를 곱해 둡니다.
- 정규화된 고유벡터를 열로 늘어놓아 $U$를 만듭니다. $U$는 유니터리이고 $U^\dagger AU=D$입니다.
- 손으로 $U^\dagger AU$를 끝까지 곱하는 대신, (i) 각 열이 $A\mathbf u_i=\lambda_i\mathbf u_i$를 만족하는지, (ii) $U^\dagger U=I$인지 확인하면 충분합니다. $AU=UD$의 양변 왼쪽에 $U^\dagger$를 곱하면 $U^\dagger AU=D$이기 때문입니다.
- 실대칭 행렬은 에르미트의 특수한 경우입니다. 그때 $U$는 실직교 행렬이고 $U^\dagger=U^T$입니다(2·3절).
예제 4-1 $H=\begin{pmatrix}2&1-i\\1+i&3\end{pmatrix}$를 대각화하는 유니터리 행렬 $U$
에르미트 확인: 대각 $2,3$은 실수이고, $(1,2)$ 성분 $1-i$의 켤레가 $(2,1)$ 성분 $1+i$입니다.
$|1-i|^2=2$이므로 특성방정식은
$$\begin{aligned}&\lambda^2-5\lambda+(6-2)=(\lambda-1)(\lambda-4)=0\\&\Rightarrow\ \lambda=1,\ 4.\end{aligned}$$
- $\lambda=1$: $H-I=\begin{pmatrix}1&1-i\\1+i&2\end{pmatrix}$. 1행 $(1,\ 1-i)$ → $\mathbf v\propto(1-i,\ -1)$. 첫 성분을 양의 실수로 만들려고 $(1+i)$를 곱하면 $(2,\ -1-i)$. 길이 제곱 $4+2=6$ → $\mathbf u_1=\dfrac1{\sqrt6}(2,\ -1-i)$.
- $\lambda=4$: $H-4I=\begin{pmatrix}-2&1-i\\1+i&-1\end{pmatrix}$. 1행 $(-2,\ 1-i)$ → $\mathbf v\propto(1-i,\ 2)$. $\frac{1+i}{2}$를 곱하면 $(1,\ 1+i)$. 길이 제곱 $1+2=3$ → $\mathbf u_2=\dfrac1{\sqrt3}(1,\ 1+i)$.
검산 (i): $H(2,-1-i)^T$의 첫 성분은 $4+(1-i)(-1-i)=4-2=2$, 둘째 성분은 $2(1+i)+3(-1-i)=-1-i$. 즉 $1\cdot(2,-1-i)$. 같은 방법으로 $H(1,1+i)^T=(4,\ 4+4i)^T=4(1,1+i)^T$.
검산 (ii): $\mathbf u_1^\dagger\mathbf u_2=\dfrac{2\cdot1+(-1+i)(1+i)}{\sqrt{18}}=\dfrac{2-2}{\sqrt{18}}=0$. 앞 벡터 성분 $-1-i$에 켤레를 붙여 $-1+i$로 쓴 점에 주의합니다.
$$U=\begin{pmatrix}\frac{2}{\sqrt6}&\frac{1}{\sqrt3}\\[2pt]\frac{-1-i}{\sqrt6}&\frac{1+i}{\sqrt3}\end{pmatrix}$$
$$U^\dagger HU=\begin{pmatrix}1&0\\0&4\end{pmatrix}.$$
5. 행렬 함수
레시피
- $A$를 대각화합니다: $A=UDU^\dagger$.
- 대각행렬의 함수는 대각 성분에 함수를 씌운 것입니다: $f(D)=\operatorname{diag}\big(f(\lambda_1),f(\lambda_2),\ldots\big)$.
- $f(A)=Uf(D)U^\dagger$. 같은 것을 $f(A)=\sum_i f(\lambda_i)P_i$, $P_i=\mathbf u_i\mathbf u_i^\dagger$(사영 연산자, projector)로 써도 됩니다. 2×2에서는 이쪽이 빠릅니다.
- 지름길: $M^2=I$이면 지수함수 급수를 짝수·홀수 차수로 나눠서 $e^{i\theta M}=\cos\theta\,I+i\sin\theta\,M$, $e^{tM}=\cosh t\,I+\sinh t\,M$입니다. 파울리 행렬이 여기에 해당합니다.
- 검산: $\sqrt A$는 제곱해서 $A$가 나오는지, $e^A$는 $\det e^A=e^{\operatorname{tr}A}$인지 봅니다.
- 대칭이 아닌 일반 행렬은 $A=SDS^{-1}$로 두고 $f(A)=Sf(D)S^{-1}$입니다. 대각화가 안 되는 행렬은 급수를 직접 씁니다(연습문제 C2).
왜 되나? (증명 스케치)
거듭제곱부터 봅니다. $A=UDU^\dagger$이고 $U^\dagger U=I$이므로 가운데가 지워집니다.
$$\begin{aligned}A^2&=UD\underbrace{U^\dagger U}_{I}DU^\dagger=UD^2U^\dagger,\\ A^n&=UD^nU^\dagger.\end{aligned}$$
$f$가 거듭제곱 급수 $f(x)=\sum c_nx^n$이면 항마다 더해서 $f(A)=U\big(\sum c_nD^n\big)U^\dagger=Uf(D)U^\dagger$. 대각행렬의 거듭제곱은 대각 성분의 거듭제곱이라서 $f(D)=\operatorname{diag}\big(f(\lambda_i)\big)$입니다.
- 사영 연산자 꼴: $UDU^\dagger$를 열 단위로 풀면 $\sum_i\lambda_i\mathbf u_i\mathbf u_i^\dagger$ (스펙트럼 분해, spectral decomposition). $D$ 대신 $f(D)$를 넣으면 $\sum f(\lambda_i)P_i$.
- 검산식 $\det e^A=e^{\operatorname{tr}A}$: $\det e^A=\prod e^{\lambda_i}=e^{\sum\lambda_i}$.
- $\sqrt A$처럼 급수로 안 쓰이는 함수는 "제곱하면 $A$"를 만족하도록 같은 식을 정의로 씁니다.
예제 5-1 $A=\begin{pmatrix}5&4\\4&5\end{pmatrix}$의 $\sqrt A$와 $e^A$
$\operatorname{tr}A=10$, $\det A=9$ → $\lambda^2-10\lambda+9=0$ → $\lambda=1,\ 9$. 고유벡터 $\lambda=1$: $\frac1{\sqrt2}(1,-1)$, $\lambda=9$: $\frac1{\sqrt2}(1,1)$. 사영 연산자는
$$P_1=\frac12\begin{pmatrix}1&-1\\-1&1\end{pmatrix},\qquad P_9=\frac12\begin{pmatrix}1&1\\1&1\end{pmatrix}$$
확인용: $P_1+P_9=I$, $P_1+9P_9=A$.
$$\begin{aligned}f(A)&=f(1)P_1+f(9)P_9\\&=\frac12\begin{pmatrix}f(1)+f(9)&f(9)-f(1)\\f(9)-f(1)&f(1)+f(9)\end{pmatrix}\end{aligned}$$
$\sqrt A$: $f(1)=1$, $f(9)=3$을 넣으면
$$\sqrt A=\frac12\begin{pmatrix}4&2\\2&4\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}.$$
확인: $\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}^2=\begin{pmatrix}4+1&2+2\\2+2&1+4\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}5&4\\4&5\end{pmatrix}$.
(고유값의 양의 제곱근을 골랐습니다. 부호를 다르게 고른 제곱근도 있습니다.)
$e^A$: $f(1)=e$, $f(9)=e^9$을 넣으면
$$e^A=\frac12\begin{pmatrix}e^9+e&e^9-e\\e^9-e&e^9+e\end{pmatrix}.$$
검산: $\det e^A=\frac14\big[(e^9+e)^2-(e^9-e)^2\big]=\frac14\cdot4e^{10}=e^{10}=e^{\operatorname{tr}A}$.
그림 표기로 보기: G4 7·8절 — 고유벡터 없이: 사영자 $P_i=\prod_{j\ne i}\frac{A-\lambda_j}{\lambda_i-\lambda_j}$와 2×2 닫힌 꼴 $e^{tA}=e^{t\operatorname{tr}A/2}[\cosh(t\sqrt\Delta)I+\frac{\sinh(t\sqrt\Delta)}{\sqrt\Delta}A_0]$
예제 5-2 $e^{i\theta\sigma_y}$가 회전 행렬임을 두 가지 방법으로 보이기
방법 1 (급수). $\sigma_y^2=I$이므로 짝수 거듭제곱은 $I$, 홀수 거듭제곱은 $\sigma_y$입니다.
$$\begin{aligned}e^{i\theta\sigma_y}&=\Big(1-\frac{\theta^2}{2!}+\cdots\Big)I+i\Big(\theta-\frac{\theta^3}{3!}+\cdots\Big)\sigma_y\\&=\cos\theta\,I+i\sin\theta\,\sigma_y.\end{aligned}$$
$i\sigma_y=i\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&1\\-1&0\end{pmatrix}$이므로
$$e^{i\theta\sigma_y}=\begin{pmatrix}\cos\theta&\sin\theta\\-\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}.$$
방법 2 (대각화). $\sigma_y$의 고유값 $+1$: $\frac1{\sqrt2}(1,i)$, $-1$: $\frac1{\sqrt2}(1,-i)$. 사영 연산자 $P_\pm=\mathbf u_\pm\mathbf u_\pm^\dagger$는
$$P_+=\frac12\begin{pmatrix}1&-i\\i&1\end{pmatrix},\qquad P_-=\frac12\begin{pmatrix}1&i\\-i&1\end{pmatrix}.$$
$e^{i\theta\sigma_y}=e^{i\theta}P_++e^{-i\theta}P_-$를 성분별로 계산합니다. $e^{i\theta}+e^{-i\theta}=2\cos\theta$, $e^{i\theta}-e^{-i\theta}=2i\sin\theta$를 씁니다.
- 대각 성분: $\frac12(e^{i\theta}+e^{-i\theta})=\cos\theta$
- $(1,2)$ 성분: $\frac12\big(-ie^{i\theta}+ie^{-i\theta}\big)=-\frac i2\cdot2i\sin\theta=\sin\theta$
- $(2,1)$ 성분: $\frac12\big(ie^{i\theta}-ie^{-i\theta}\big)=\frac i2\cdot2i\sin\theta=-\sin\theta$
$$e^{i\theta\sigma_y}=\begin{pmatrix}\cos\theta&\sin\theta\\-\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}.$$
방법 1과 같습니다. 결과는 실직교 행렬이고 $\det=\cos^2\theta+\sin^2\theta=1$입니다. 회전 방향의 해석은 관례 상자를 보세요.
6. 케일리-해밀턴 정리
레시피
- 특성다항식 $p(\lambda)$를 구합니다. 2×2는 $\lambda^2-(\operatorname{tr}A)\lambda+\det A$.
- $\lambda$ 자리에 $A$를, 상수항에는 $I$를 붙여 넣으면 $p(A)=0$입니다.
- $A^n$: $p(A)=0$으로 $A^2$을 $A$와 $I$로 바꾸는 것을 반복합니다. 2×2에서는 모든 $A^n$이 $\alpha A+\beta I$ 꼴이 됩니다.
- $A^{-1}$: $p(A)=0$을 "$A\times(\cdots)=$ 상수$\times I$" 꼴로 정리하면 $(\cdots)/$상수가 $A^{-1}$입니다. 상수항이 $\pm\det A$라서 $\det A\ne0$일 때만 됩니다.
왜 되나? (증명 스케치)
대각화되는 경우만 봅니다. $A=SDS^{-1}$이면 5절과 같은 이유로 다항식 $p$에 대해 $p(A)=S\,p(D)\,S^{-1}$입니다.
$$p(D)=\operatorname{diag}\big(p(\lambda_1),\dots,p(\lambda_n)\big)=0.$$
$\lambda_i$가 모두 특성다항식의 근이기 때문입니다. 따라서 $p(A)=0$. (대각화가 안 되는 행렬에서도 정리는 성립합니다. 연속성 등으로 보이는데 생략합니다. 예: $N=\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix}$은 $p(\lambda)=\lambda^2$이고 실제로 $N^2=0$.)
2×2에서 $A^n=\alpha A+\beta I$가 되는 이유도 같습니다: $\lambda^n$을 $p(\lambda)$로 나눈 나머지가 $\alpha\lambda+\beta$이고, 몫 부분은 $p(A)=0$ 때문에 사라집니다. 그래서 $\alpha\lambda_i+\beta=\lambda_i^n$ ($i=1,2$)를 풀어도 $\alpha$, $\beta$가 나옵니다.
예제 6-1 $A=\begin{pmatrix}1&2\\3&4\end{pmatrix}$의 $A^3$, $A^4$, $A^{-1}$
$\operatorname{tr}A=5$, $\det A=-2$ → $p(\lambda)=\lambda^2-5\lambda-2$ → $A^2=5A+2I$.
확인: $A^2=\begin{pmatrix}7&10\\15&22\end{pmatrix}$, $5A+2I=\begin{pmatrix}7&10\\15&22\end{pmatrix}$.
$$\begin{aligned}A^3&=A\cdot A^2=5A^2+2A\\&=5(5A+2I)+2A=27A+10I\\&=\begin{pmatrix}37&54\\81&118\end{pmatrix}\\[6pt]
A^4&=A\cdot A^3=27A^2+10A\\&=27(5A+2I)+10A=145A+54I\\&=\begin{pmatrix}199&290\\435&634\end{pmatrix}\end{aligned}$$
역행렬: $A^2-5A=2I$ → $A(A-5I)=2I$ →
$$\begin{aligned}A^{-1}&=\frac{A-5I}{2}=\frac12\begin{pmatrix}-4&2\\3&-1\end{pmatrix}\\&=\begin{pmatrix}-2&1\\ \frac32&-\frac12\end{pmatrix}.\end{aligned}$$
L04의 2×2 역행렬 공식 $\frac{1}{-2}\begin{pmatrix}4&-2\\-3&1\end{pmatrix}$과 같습니다.
그림 표기로 보기: G4 6절 — 케일리-해밀턴을 "$n+1$가닥 반대칭화 막대 = 0"으로 — 대각화 가정 없는 증명, 계수는 대각합으로
7. 2차형식의 주축 변환
레시피
- $Q=ax^2+2bxy+cy^2$를 $Q=\mathbf x^TA\mathbf x$, $A=\begin{pmatrix}a&b\\b&c\end{pmatrix}$로 씁니다. 비대각 성분은 $xy$ 계수의 절반입니다. 변수가 셋이어도 같습니다($x_ix_j$ 계수의 절반).
- $A$의 고유값 $\lambda_1,\lambda_2$와 정규화된 고유벡터 $\mathbf u_1,\mathbf u_2$를 구합니다.
- 새 좌표 $u=\mathbf u_1\cdot\mathbf x$, $v=\mathbf u_2\cdot\mathbf x$를 쓰면 $Q=\lambda_1u^2+\lambda_2v^2$로 교차항이 사라집니다. 고유벡터 방향이 주축(principal axis)입니다.
- $Q=C$ (상수) 곡선: 고유값이 둘 다 양수면 타원이고 주축 방향 반지름은 $\sqrt{C/\lambda_i}$. 부호가 다르면 쌍곡선입니다.
- 검산: $u,v$를 $x,y$ 식으로 되돌려 넣고 전개해서 원래 $Q$가 나오는지 봅니다.
왜 되나? (증명 스케치)
- 비대각이 절반인 이유: $\mathbf x^TA\mathbf x=a x^2+(b+b)xy+cy^2$. $xy$ 항은 $(1,2)$ 자리와 $(2,1)$ 자리에서 한 번씩, 두 번 나옵니다.
- 교차항이 사라지는 이유: 새 좌표 $\mathbf y=(u,v)^T=U^T\mathbf x$, 즉 $\mathbf x=U\mathbf y$를 넣습니다. $U$의 열은 정규화된 고유벡터입니다.
$$Q=\mathbf y^T\big(U^TAU\big)\mathbf y=\mathbf y^TD\mathbf y=\lambda_1u^2+\lambda_2v^2.$$
- $U$가 직교 행렬이라 이 변환은 회전(또는 반사)이고 길이를 바꾸지 않습니다. 그래서 반지름을 $u,v$ 좌표에서 읽어도 됩니다. L03 헤시안 판정에서 "고유값의 부호로 판정"하는 것도 같은 이유입니다.
예제 7-1 $Q=7x^2-4xy+4y^2$의 주축 변환과 곡선 $Q=24$
$xy$ 계수 $-4$의 절반 $-2$를 비대각에 넣습니다: $A=\begin{pmatrix}7&-2\\-2&4\end{pmatrix}$.
$\operatorname{tr}A=11$, $\det A=28-4=24$ → $\lambda^2-11\lambda+24=(\lambda-3)(\lambda-8)=0$.
- $\lambda=3$: $A-3I=\begin{pmatrix}4&-2\\-2&1\end{pmatrix}$. 1행 $(4,-2)$ → $(-2,-4)\propto(1,2)$. $\mathbf u_1=\frac1{\sqrt5}(1,2)$.
- $\lambda=8$: $A-8I=\begin{pmatrix}-1&-2\\-2&-4\end{pmatrix}$. 1행 $(-1,-2)$ → $(-2,1)\propto(2,-1)$. $\mathbf u_2=\frac1{\sqrt5}(2,-1)$.
$$\begin{aligned}&u=\frac{x+2y}{\sqrt5},\quad v=\frac{2x-y}{\sqrt5}\\&\Rightarrow\ Q=3u^2+8v^2.\end{aligned}$$
검산: $\frac{3(x+2y)^2+8(2x-y)^2}{5}=\frac{(3x^2+12xy+12y^2)+(32x^2-32xy+8y^2)}{5}=\frac{35x^2-20xy+20y^2}{5}=7x^2-4xy+4y^2$.
곡선 $Q=24$: $\dfrac{u^2}{8}+\dfrac{v^2}{3}=1$. 타원이고, $(1,2)$ 방향 반지름 $2\sqrt2$, $(2,-1)$ 방향 반지름 $\sqrt3$입니다.
8. 결합 진동자의 정규모드
레시피
- 각 질량의 평형 위치로부터의 변위 $x_i$로 운동방정식을 씁니다. 용수철 힘은 $-k\times$(늘어난 길이)이고, 두 질량 사이 용수철이 늘어난 길이는 $x_2-x_1$입니다.
- $M\ddot{\mathbf x}=-K\mathbf x$ 꼴로 정리합니다. $K$는 대칭이어야 합니다. 대칭이 아니면 식을 잘못 세운 것입니다.
- $\mathbf x=\mathbf a\cos\omega t$를 넣으면 $K\mathbf a=\omega^2M\mathbf a$, 따라서 $\det(K-\omega^2M)=0$.
- 질량이 모두 $m$이면 $K/m$의 고유값이 $\omega^2$, 고유벡터가 모드 벡터입니다. $\lambda=m\omega^2/k$로 놓으면 숫자만 남아 계산이 편합니다.
- 모드 벡터의 두 성분 부호가 같으면 같은 위상(in-phase), 다르면 반대 위상으로 움직입니다. 일반 운동은 정규모드들의 겹침입니다.
- 질량이 다르면 일반화 고유값 문제(generalized eigenvalue problem) $K\mathbf a=\omega^2M\mathbf a$를 그대로 풉니다. $\det(K-\omega^2M)=0$에서 $\omega^2$를 구하고, $(K-\omega^2M)$의 한 행으로 모드 벡터를 구합니다. $M^{-1}K$의 고유값 문제와 같지만, $M^{-1}K$는 대칭이 아니므로 직교 판정을 보통 내적으로 하면 안 됩니다.
- 질량이 다를 때의 검산: 모드끼리 $\mathbf a_i^TM\mathbf a_j=0$ ($M$-직교)입니다. 또 $\omega=0$ 모드가 있으면 전체 평행이동이고, 나머지 모드는 운동량 $\sum m_ia_i=0$을 만족합니다(질량중심이 가만히 있음).
왜 되나? (증명 스케치)
$\det(K-\omega^2M)=0$: $\mathbf x=\mathbf a\cos\omega t$를 $M\ddot{\mathbf x}=-K\mathbf x$에 넣으면 $\ddot{\mathbf x}=-\omega^2\mathbf x$이므로 $(K-\omega^2M)\mathbf a=\mathbf 0$. $\mathbf a\ne\mathbf 0$이려면 L04 5절에 따라 행렬식이 0이어야 합니다.
$M$-직교: $K$, $M$이 둘 다 대칭이면 $\mathbf a_i^TK\mathbf a_j$를 두 방법으로 계산합니다.
$$\mathbf a_i^TK\mathbf a_j=\omega_j^2\,\mathbf a_i^TM\mathbf a_j=\omega_i^2\,\mathbf a_i^TM\mathbf a_j.$$
빼면 $(\omega_i^2-\omega_j^2)\,\mathbf a_i^TM\mathbf a_j=0$. 2절의 에르미트 증명과 같은 구조이고, 보통 내적 자리에 $M$이 끼어 있을 뿐입니다. $M=mI$이면 보통 직교가 됩니다.
(다른 방법: $\mathbf b=M^{1/2}\mathbf a$로 바꾸면 $M^{-1/2}KM^{-1/2}\mathbf b=\omega^2\mathbf b$라는 대칭 행렬의 보통 고유값 문제가 됩니다. $M$이 대각이면 $M^{1/2}$은 대각 성분의 제곱근입니다.)
예제 8-1 벽–$k$–$m$–$k$–$m$ (오른쪽 질량 바깥은 자유)의 정규모드
운동방정식: 왼쪽 질량은 벽 쪽 용수철과 가운데 용수철을, 오른쪽 질량은 가운데 용수철만 느낍니다.
$$\begin{aligned}m\ddot x_1&=-kx_1+k(x_2-x_1)=-2kx_1+kx_2\\ m\ddot x_2&=-k(x_2-x_1)=kx_1-kx_2\end{aligned}$$
$$\Rightarrow\quad K=k\begin{pmatrix}2&-1\\-1&1\end{pmatrix}.$$
$\lambda=m\omega^2/k$로 놓고 특성방정식을 풉니다.
$$\begin{aligned}\begin{vmatrix}2-\lambda&-1\\-1&1-\lambda\end{vmatrix}&=(2-\lambda)(1-\lambda)-1\\&=\lambda^2-3\lambda+1=0\end{aligned}$$
$$\Rightarrow\quad\lambda_1=\frac{3-\sqrt5}{2},\qquad\lambda_2=\frac{3+\sqrt5}{2}.$$
$\big(\frac{\sqrt5\mp1}{2}\big)^2=\frac{6\mp2\sqrt5}{4}=\frac{3\mp\sqrt5}{2}$이므로 제곱근이 깔끔합니다.
$$\begin{aligned}\omega_1&=\frac{\sqrt5-1}{2}\sqrt{\frac km}\approx0.618\sqrt{\frac km}\\ \omega_2&=\frac{\sqrt5+1}{2}\sqrt{\frac km}\approx1.618\sqrt{\frac km}\end{aligned}$$
모드 벡터: 1행 $(2-\lambda)a_1-a_2=0$에서 $a_2=(2-\lambda)a_1$.
- $\omega_1$: $2-\lambda_1=\frac{1+\sqrt5}{2}\approx1.618$ → $\mathbf a_1=\big(1,\ \frac{1+\sqrt5}{2}\big)$. 같은 위상, 바깥 질량이 더 크게 움직입니다.
- $\omega_2$: $2-\lambda_2=\frac{1-\sqrt5}{2}\approx-0.618$ → $\mathbf a_2=\big(1,\ \frac{1-\sqrt5}{2}\big)$. 반대 위상입니다.
검산: $\lambda_1+\lambda_2=3=\operatorname{tr}$, $\lambda_1\lambda_2=\frac{9-5}{4}=1=\det$. 두 모드의 내적 $1+\frac{(1+\sqrt5)(1-\sqrt5)}{4}=1-1=0$ ($K$가 대칭이므로 직교).
예제 8-2 벽–$2k$–$2m$–$k$–$m$ (오른쪽 질량 바깥은 자유)의 정규모드 (질량이 다름)
운동방정식: 왼쪽 질량 $2m$은 벽 쪽 용수철 $2k$와 가운데 용수철 $k$를, 오른쪽 질량 $m$은 가운데 용수철만 느낍니다.
$$\begin{aligned}2m\ddot x_1&=-2kx_1+k(x_2-x_1)=-3kx_1+kx_2\\ m\ddot x_2&=-k(x_2-x_1)=kx_1-kx_2\end{aligned}$$
$$K=k\begin{pmatrix}3&-1\\-1&1\end{pmatrix},\qquad M=m\begin{pmatrix}2&0\\0&1\end{pmatrix}.$$
$\lambda=m\omega^2/k$로 놓으면 $K-\omega^2M=k\begin{pmatrix}3-2\lambda&-1\\-1&1-\lambda\end{pmatrix}$입니다. $\lambda$가 $M$의 대각 성분과 곱해져 들어가는 것에 주의합니다.
$$\begin{aligned}(3-2\lambda)(1-\lambda)-1&=2\lambda^2-5\lambda+2\\&=(2\lambda-1)(\lambda-2)=0.\end{aligned}$$
$$\Rightarrow\quad\omega_1^2=\frac{k}{2m},\qquad\omega_2^2=\frac{2k}{m}.$$
모드 벡터: 1행 $(3-2\lambda)a_1-a_2=0$에서 $a_2=(3-2\lambda)a_1$.
- $\lambda=\frac12$: $a_2=2a_1$ → $\mathbf a_1=(1,2)$. 같은 위상, 가벼운 바깥 질량이 2배로 움직입니다.
- $\lambda=2$: $a_2=-a_1$ → $\mathbf a_2=(1,-1)$. 반대 위상입니다.
검산: 2행 $-a_1+(1-\lambda)a_2=0$에도 맞습니다($\lambda=\frac12$: $-1+\frac12\cdot2=0$, $\lambda=2$: $-1+(-1)(-1)=0$). 보통 내적은 $1\cdot1+2\cdot(-1)=-1\ne0$이지만, $M$-내적은 $2\cdot1\cdot1+1\cdot2\cdot(-1)=0$입니다.
9. 정규 행렬과 복소 고유값
레시피
- 정규(normal) 판별: $AA^\dagger$와 $A^\dagger A$를 둘 다 계산해 비교합니다. 에르미트, 반에르미트($A^\dagger=-A$), 유니터리, 실직교 행렬은 모두 정규입니다.
- 정규이면 고유벡터를 서로 직교하게 고를 수 있고, 유니터리 $U$로 대각화됩니다. 고유값은 복소수일 수 있습니다.
- 정규가 아니면 고유벡터가 직교하지 않거나, 개수가 모자라 대각화가 안 될 수도 있습니다.
- 실행렬의 복소 고유값은 켤레쌍 $\lambda,\lambda^*$로 나오고, 고유벡터도 서로 켤레입니다. 하나만 구하고 다른 하나는 켤레를 취합니다.
- 고유값의 모양: 에르미트는 실수, 반에르미트는 순허수, 유니터리는 $|\lambda|=1$.
왜 되나? (증명 스케치)
- 유니터리로 대각화되면 정규: $A=UDU^\dagger$이면 $A^\dagger=UD^*U^\dagger$이고, 대각행렬끼리는 교환하므로 $AA^\dagger=UDD^*U^\dagger=UD^*DU^\dagger=A^\dagger A$. 반대 방향(정규이면 대각화됨)은 생략합니다.
- 유니터리의 $|\lambda|=1$: $U\mathbf v=\lambda\mathbf v$이면 $|U\mathbf v|^2=\mathbf v^\dagger U^\dagger U\mathbf v=|\mathbf v|^2$이고, 한편 $|\lambda\mathbf v|^2=|\lambda|^2|\mathbf v|^2$입니다.
- 반에르미트의 순허수: $A^\dagger=-A$이면 $iA$가 에르미트이므로 $i\lambda$가 실수입니다.
- 실행렬의 켤레쌍: $A\mathbf v=\lambda\mathbf v$의 켤레를 취하면 $A^*=A$이므로 $A\mathbf v^*=\lambda^*\mathbf v^*$.
예제 9-1 (a) $R(\theta)=\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}$ ($0<\theta<\pi$)의 정규성, 고유값, 고유벡터 (b) $N=\begin{pmatrix}1&1\\0&1\end{pmatrix}$과 비교
(a) 실직교라서 $RR^T=R^TR=I$, 정규입니다. $\operatorname{tr}R=2\cos\theta$, $\det R=1$이므로
$$\begin{aligned}&\lambda^2-2\cos\theta\,\lambda+1=0\\ \Rightarrow\ \lambda&=\cos\theta\pm\sqrt{\cos^2\theta-1}\\&=\cos\theta\pm i\sin\theta=e^{\pm i\theta}.\end{aligned}$$
$\lambda=e^{i\theta}$: $R-\lambda I=\begin{pmatrix}-i\sin\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&-i\sin\theta\end{pmatrix}$. 1행 $(-i\sin\theta,\ -\sin\theta)$ → $(-\sin\theta,\ i\sin\theta)\propto(1,-i)$. 따라서 $\mathbf u=\frac1{\sqrt2}(1,-i)$.
$\lambda=e^{-i\theta}$: 실행렬이므로 켤레를 취해 $\frac1{\sqrt2}(1,i)$.
직교 확인: $(1,-i)^\dagger(1,i)=1\cdot1+(i)(i)=1-1=0$. 검산: $e^{i\theta}+e^{-i\theta}=2\cos\theta=\operatorname{tr}R$, $e^{i\theta}e^{-i\theta}=1=\det R$.
(b) $NN^T=\begin{pmatrix}2&1\\1&1\end{pmatrix}$, $N^TN=\begin{pmatrix}1&1\\1&2\end{pmatrix}$로 서로 달라 정규가 아닙니다. 고유값은 $1$(이중근)인데, $N-I=\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix}$에서 $y=0$만 나오므로 고유벡터가 $(1,0)$ 하나뿐입니다. 대각화가 안 됩니다.
10. 동시 대각화
레시피 (Arfken 6장에서 다루는 내용으로 기억합니다 — 기억 기반, 미검증)
- 먼저 $[A,B]=AB-BA$를 계산합니다. 에르미트 행렬 $A$, $B$가 교환하면($[A,B]=0$) 둘의 고유벡터를 공통으로 고를 수 있습니다. 하나의 $U$로 $U^\dagger AU$와 $U^\dagger BU$가 동시에 대각이 됩니다.
- $A$의 단근 고유벡터는 그대로 $B$의 고유벡터이기도 합니다. $B$를 곱해 고유값만 읽습니다.
- $A$의 중근 고유공간(3절에서 "평면 안에서 아무렇게나 골라도 되던" 곳)에서는 $B$의 고유벡터를 찾아서 고릅니다. 그러면 고유벡터가 $(a,b)$ 고유값 쌍으로 하나씩 정해집니다.
- 일반 방법: 중근 공간의 정규직교 기저 $\mathbf e_1,\mathbf e_2$로 작은 행렬 $b_{ij}=\mathbf e_i^\dagger B\mathbf e_j$를 만들고 그 고유벡터 $(c_1,c_2)$로 $c_1\mathbf e_1+c_2\mathbf e_2$를 만듭니다. 3×3에서는 보통 평면의 식과 $B\mathbf v=b\mathbf v$를 연립하는 편이 빠릅니다.
- 쓰는 곳: 양자역학에서 에너지 축퇴를 다른 보존량(각운동량, 패리티)으로 갈라 상태에 이름을 붙일 때.
왜 되나? (증명 스케치)
$A\mathbf v=a\mathbf v$이고 $AB=BA$이면
$$A(B\mathbf v)=B(A\mathbf v)=a\,(B\mathbf v).$$
즉 $B\mathbf v$도 $A$의 같은 고유값 $a$의 고유벡터입니다. $B$는 $A$의 각 고유공간을 그 안으로 보냅니다.
- $a$가 단근이면 고유공간이 1차원이라 $B\mathbf v\propto\mathbf v$: $\mathbf v$가 $B$의 고유벡터.
- $a$가 중근이면 $B$를 그 공간 안의 작은 에르미트 행렬로 보고 대각화하면 됩니다(2절의 결과가 그 안에서도 성립).
거꾸로, 공통 고유벡터 기저가 있으면 $U^\dagger AU$, $U^\dagger BU$가 둘 다 대각이고 대각행렬끼리는 교환하므로 $[A,B]=0$입니다.
예제 10-1 예제 3-1의 $A=\begin{pmatrix}2&1&1\\1&2&1\\1&1&2\end{pmatrix}$와 $B=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&0&1\\0&1&0\end{pmatrix}$ ($y$와 $z$를 맞바꿈)의 공통 고유벡터
교환 확인: $A=I+J$ ($J$는 성분이 모두 1인 행렬)입니다. $B$는 각 행과 각 열에 1이 하나씩이라 $BJ=J$, $JB=J$이므로 $AB=B+J=BA$. 따라서 $[A,B]=0$.
- $A$의 단근 $\lambda=4$: $(1,1,1)$. $B(1,1,1)^T=(1,1,1)^T$이므로 $B$의 고유값은 $1$.
- $A$의 이중근 $\lambda=1$: 평면 $x+y+z=0$. 여기서 $B$의 고유벡터를 찾습니다. $B(x,y,z)^T=(x,z,y)^T$입니다.
- $B$의 고유값 $+1$: $(x,z,y)=(x,y,z)$이면 $y=z$. 평면 식에 넣으면 $x=-2y$ → $(-2,1,1)$. 관례대로 부호를 바꿔 $(2,-1,-1)$.
- $B$의 고유값 $-1$: $(x,z,y)=(-x,-y,-z)$이면 $x=0$, $z=-y$ → $(0,1,-1)$.
세 벡터는 서로 직교합니다: $(1,1,1)\cdot(2,-1,-1)=0$, $(1,1,1)\cdot(0,1,-1)=0$, $(2,-1,-1)\cdot(0,1,-1)=0$.
$$U=\begin{pmatrix}\frac2{\sqrt6}&0&\frac1{\sqrt3}\\[2pt]-\frac1{\sqrt6}&\frac1{\sqrt2}&\frac1{\sqrt3}\\[2pt]-\frac1{\sqrt6}&-\frac1{\sqrt2}&\frac1{\sqrt3}\end{pmatrix}$$
$$\begin{aligned}U^TAU&=\operatorname{diag}(1,1,4),\\ U^TBU&=\operatorname{diag}(1,-1,1).\end{aligned}$$
예제 3-1에서 $A$만 보고 고른 $(1,-1,0)$, $(1,1,-2)$는 $B$의 고유벡터가 아닙니다($B(1,-1,0)^T=(1,0,-1)^T$). $B$가 이중근 평면 안의 방향을 하나로 정해 준 것입니다.
11. 자주 하는 실수
- $A-\lambda I$를 쓸 때 비대각 성분에서도 $\lambda$를 빼기.
- 고유벡터로 $\mathbf 0$을 답하기. $(A-\lambda I)\mathbf v=\mathbf 0$의 두 식이 독립으로 보이면 고유값이 틀린 것입니다.
- 복소 벡터를 $v_1^2+v_2^2$로 정규화하기. $|v_1|^2+|v_2|^2$입니다.
- 2차형식 행렬의 비대각에 $xy$ 계수를 그대로 넣기. 절반입니다.
- 중근의 고유공간에서 고른 두 벡터를 직교화하지 않고 $U$에 넣기.
- $f(A)$를 성분마다 $f$를 씌워 계산하기. $e^A\ne(e^{a_{ij}})$입니다. 성분별 계산은 대각행렬일 때만 됩니다.
- $e^{A+B}=e^Ae^B$라고 쓰기. $[A,B]=0$일 때만 성립합니다.
- 대칭이 아닌 행렬에 $S^{-1}=S^T$를 쓰기. 일반 행렬은 $S^{-1}$을 따로 구해야 합니다.
- 결합 진동자에서 $\omega$와 $\omega^2$를 혼동하기. 고유값은 $\omega^2$(또는 $\lambda=m\omega^2/k$)입니다.
- 질량이 다른데 $K-\omega^2I$로 풀거나, $\lambda$를 모든 대각에서 똑같이 빼기. $\lambda$는 $M$의 대각 성분을 곱해서 뺍니다. 모드의 직교 판정도 $M$-내적으로 합니다.
- 동시 대각화에서 $[A,B]=0$을 확인하지 않고 공통 고유벡터를 찾으려 하기. 교환하지 않으면 공통 고유벡터 기저가 없습니다.
12. 연습문제
종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 모든 답은 SymPy로 검산했습니다. 고유벡터는 관례 상자대로 정규화했습니다.
A. 고유값과 고유벡터
A1. $\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}$
답
$\lambda=1$: $\frac1{\sqrt2}(1,-1)$, $\ \lambda=3$: $\frac1{\sqrt2}(1,1)$ — $\lambda^2-4\lambda+3=0$.
A2. $\begin{pmatrix}1&4\\2&3\end{pmatrix}$
답
$\lambda=-1$: $\frac1{\sqrt5}(2,-1)$, $\ \lambda=5$: $\frac1{\sqrt2}(1,1)$ — $\operatorname{tr}=4$, $\det=-5$ → $\lambda^2-4\lambda-5=0$. 대칭이 아니라 두 벡터는 직교하지 않습니다.
A3. $\begin{pmatrix}3&5&1\\0&-1&2\\0&0&2\end{pmatrix}$의 고유값과 $\lambda=3$의 고유벡터
답
$\lambda=3,\ -1,\ 2$, $\ \lambda=3$: $(1,0,0)$ — 삼각행렬의 고유값은 대각 성분입니다. $A-3I$의 3행에서 $z=0$, 2행에서 $y=0$. 검산 $\operatorname{tr}=4$, $\det=-6$.
A4. $\begin{pmatrix}3&-1&0\\-1&2&-1\\0&-1&3\end{pmatrix}$
답
$\lambda=1$: $\frac1{\sqrt6}(1,2,1)$, $\ \lambda=3$: $\frac1{\sqrt2}(1,0,-1)$, $\ \lambda=4$: $\frac1{\sqrt3}(1,-1,1)$ — $\operatorname{tr}=8$, $S_2=5+9+5=19$, $\det=12$ → $\lambda^3-8\lambda^2+19\lambda-12=(\lambda-1)(\lambda-3)(\lambda-4)$.
A5. $\begin{pmatrix}4&1&-1\\2&5&-2\\1&1&2\end{pmatrix}$의 고유값 중 두 개가 $3$과 $5$입니다. 나머지 하나는?
답
$3$ — $\operatorname{tr}=11$이므로 $11-3-5=3$. 검산: $\det=45=3\cdot3\cdot5$.
B. 중근·에르미트·대각화
B1. $\begin{pmatrix}2&2&2\\2&5&4\\2&4&5\end{pmatrix}$를 대각화하는 직교 행렬 (힌트: $A-I$를 보세요)
답
$\lambda=1$ (이중): $\frac1{\sqrt5}(2,-1,0)$, $\frac1{3\sqrt5}(2,4,-5)$, $\ \lambda=10$: $\frac13(1,2,2)$ — $A-I$의 행은 모두 $(1,2,2)$의 배수라 이중근 평면은 $x+2y+2z=0$. $\mathbf v_1=(2,-1,0)$, $\mathbf v_2=(2,0,-1)$에서 그람-슈미트: $(2,0,-1)-\frac45(2,-1,0)=\frac15(2,4,-5)$. 나머지는 $\operatorname{tr}=12$에서 $12-1-1=10$.
B2. $\begin{pmatrix}1&0&2\\0&3&0\\2&0&1\end{pmatrix}$
답
$\lambda=-1$: $\frac1{\sqrt2}(1,0,-1)$, $\ \lambda=3$ (이중): $(0,1,0)$, $\frac1{\sqrt2}(1,0,1)$ — $y$축은 따로 떨어져 있고, $x,z$ 부분은 $\begin{pmatrix}1&2\\2&1\end{pmatrix}$입니다. 이중근 쪽 두 벡터는 처음부터 직교합니다.
B3. $\begin{pmatrix}1&i\\-i&1\end{pmatrix}$
답
$\lambda=0$: $\frac1{\sqrt2}(1,i)$, $\ \lambda=2$: $\frac1{\sqrt2}(1,-i)$ — $\lambda^2-2\lambda+(1-|i|^2)=0$. 직교 확인: $(1,i)^\dagger(1,-i)=1+(-i)(-i)=0$.
B4. $A=\begin{pmatrix}3&2i\\-2i&0\end{pmatrix}$를 대각화하는 $U$와 $U^\dagger AU$
답
$U=\dfrac1{\sqrt5}\begin{pmatrix}1&2\\2i&-i\end{pmatrix}$, $U^\dagger AU=\operatorname{diag}(-1,4)$ — $\lambda^2-3\lambda-4=0$. $\lambda=-1$: 1행 $(4,2i)$ → $(2i,-4)\propto(1,2i)$. $\lambda=4$: 1행 $(-1,2i)$ → $(2i,1)$에 $-i$를 곱해 $(2,-i)$. 각각 길이 제곱이 5입니다.
C. 행렬 함수와 케일리-해밀턴
C1. $e^{\sigma_x}$
답
$\cosh1\,I+\sinh1\,\sigma_x=\begin{pmatrix}\cosh1&\sinh1\\\sinh1&\cosh1\end{pmatrix}$ — $\sigma_x^2=I$이라 급수의 짝수항은 $\cosh$, 홀수항은 $\sinh$.
C2. $N=\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix}$일 때 $e^{tN}$
답
$\begin{pmatrix}1&t\\0&1\end{pmatrix}$ — $N^2=0$이라 급수가 $I+tN$에서 끝납니다. $N$은 대각화가 안 되므로 $Uf(D)U^\dagger$를 쓸 수 없습니다.
C3. $\sqrt{\begin{pmatrix}10&6\\6&10\end{pmatrix}}$ (고유값이 양수인 제곱근)
답
$\begin{pmatrix}3&1\\1&3\end{pmatrix}$ — 고유값 $4,16$, 제곱근 $2,4$. $\frac12\begin{pmatrix}2+4&4-2\\4-2&2+4\end{pmatrix}$. 제곱해서 확인.
C4. $e^{i\theta\sigma_x}$와 $e^{i\theta\sigma_z}$
답
$\begin{pmatrix}\cos\theta&i\sin\theta\\i\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}$, $\ \begin{pmatrix}e^{i\theta}&0\\0&e^{-i\theta}\end{pmatrix}$ — 둘 다 $\cos\theta\,I+i\sin\theta\,\sigma$. $\sigma_z$는 이미 대각이라 성분별로 됩니다. 둘 다 유니터리입니다.
C5. $A=\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}$에 케일리-해밀턴을 써서 $A^{-1}$과 $A^4$
답
$A^{-1}=\frac13\begin{pmatrix}2&-1\\-1&2\end{pmatrix}$, $\ A^4=40A-39I=\begin{pmatrix}41&40\\40&41\end{pmatrix}$ — $A^2=4A-3I$이므로 $A^{-1}=\frac{4I-A}{3}$. $A^3=13A-12I$, $A^4=13A^2-12A$. 검산: 고유값 $1,3$에서 $\frac{1+81}{2}=41$, $\frac{81-1}{2}=40$.
C6. 예제 2-1의 $A$에 케일리-해밀턴을 써서 $A^{-1}$
답
$A^{-1}=\dfrac{A^2-7A+14I}{8}=\dfrac18\begin{pmatrix}5&2&1\\2&4&2\\1&2&5\end{pmatrix}$ — $A^3-7A^2+14A-8I=0$을 $A(A^2-7A+14I)=8I$로 정리. $A^2=\begin{pmatrix}5&-5&1\\-5&11&-5\\1&-5&5\end{pmatrix}$.
D. 2차형식과 진동
D1. $Q=5x^2+4xy+2y^2$의 주축 변환
답
$Q=u^2+6v^2$, $u=\frac{x-2y}{\sqrt5}$, $v=\frac{2x+y}{\sqrt5}$ — $A=\begin{pmatrix}5&2\\2&2\end{pmatrix}$, 고유값 $1$: $(1,-2)$, $6$: $(2,1)$. $Q=$ 상수는 타원.
D2. $x^2+4xy+y^2=3$은 어떤 곡선인가?
답
쌍곡선 $3v^2-u^2=3$ ($u=\frac{x-y}{\sqrt2}$, $v=\frac{x+y}{\sqrt2}$) — $A=\begin{pmatrix}1&2\\2&1\end{pmatrix}$의 고유값이 $-1,\ 3$으로 부호가 다릅니다.
D3. 벽–$k$–$m$–$k$–$m$–$k$–벽의 정규모드
답
$\omega^2=\frac km$: $(1,1)$, $\ \omega^2=\frac{3k}m$: $(1,-1)$ — $K=k\begin{pmatrix}2&-1\\-1&2\end{pmatrix}$. 같은 위상일 때 가운데 용수철이 늘어나지 않습니다.
D4. 벽이 없는 $m$–$k$–$m$의 정규모드
답
$\omega=0$: $(1,1)$, $\ \omega^2=\frac{2k}m$: $(1,-1)$ — $K=k\begin{pmatrix}1&-1\\-1&1\end{pmatrix}$, $\det K=0$. 진동수 0인 모드는 전체가 함께 미끄러지는 평행이동입니다.
D5. 벽–$k$–$m$–$k$–$2m$–$k$–벽의 정규모드 (질량이 다름)
답
$\lambda=\frac{m\omega^2}{k}=\frac{3\mp\sqrt3}{2}$, 모드 $\big(1,\ \frac{1\pm\sqrt3}{2}\big)$ (복부호 같은 순서) — $M=m\begin{pmatrix}1&0\\0&2\end{pmatrix}$, $\det(K-\omega^2M)=0$ → $(2-\lambda)(2-2\lambda)-1=2\lambda^2-6\lambda+3=0$. 1행에서 $a_2=(2-\lambda)a_1$. 두 모드는 $\mathbf a_1^TM\mathbf a_2=0$을 만족합니다(보통 내적이 아님).
D6. 벽이 없는 $m$–$k$–$2m$의 정규모드
답
$\omega=0$: $(1,1)$, $\ \omega^2=\frac{3k}{2m}$: $(2,-1)$ — $M=m\,\operatorname{diag}(1,2)$, $\det=\lambda(2\lambda-3)$. 둘째 모드는 운동량 $m\cdot2+2m\cdot(-1)=0$으로 질량중심이 정지합니다.
D7. 일직선 3원자 분자 $m$–$k$–$M$–$k$–$m$ (벽 없음)의 정규모드
답
$\omega^2=0$: $(1,1,1)$, $\ \omega^2=\frac km$: $(1,0,-1)$, $\ \omega^2=\frac km+\frac{2k}M$: $\big(1,-\frac{2m}M,1\big)$ — $K=k\begin{pmatrix}1&-1&0\\-1&2&-1\\0&-1&1\end{pmatrix}$, $M=\operatorname{diag}(m,M,m)$. 가운데가 정지한 대칭 모드와, 바깥 둘이 같이 가고 가운데가 반대로 가는 모드입니다.
E. 정규 행렬과 복소 고유값
E1. $\begin{pmatrix}1&2\\-2&1\end{pmatrix}$은 정규인가? 고유값과 고유벡터는?
답
정규($AA^T=A^TA=5I$). $\lambda=1+2i$: $\frac1{\sqrt2}(1,i)$, $\ \lambda=1-2i$: $\frac1{\sqrt2}(1,-i)$ — $\lambda^2-2\lambda+5=0$. 두 고유벡터는 (복소 내적으로) 직교합니다.
E2. $\begin{pmatrix}1&1\\0&2\end{pmatrix}$은 정규인가? 고유벡터는 직교하는가?
답
정규 아님($AA^T=\begin{pmatrix}2&2\\2&4\end{pmatrix}\ne A^TA=\begin{pmatrix}1&1\\1&5\end{pmatrix}$). $\lambda=1$: $(1,0)$, $\lambda=2$: $\frac1{\sqrt2}(1,1)$. 내적 $\frac1{\sqrt2}\ne0$, 직교하지 않습니다.
E3. $\begin{pmatrix}1&-2\\1&3\end{pmatrix}$의 고유값과 고유벡터
답
$\lambda=2+i$: $\frac1{\sqrt6}(2,\ -1-i)$, $\ \lambda=2-i$: $\frac1{\sqrt6}(2,\ -1+i)$ — $\lambda^2-4\lambda+5=0$. 2행 $(1,\ 1-i)$ → $(1-i,\ -1)$에 $(1+i)$를 곱함. 실행렬이라 둘째는 켤레. 정규가 아닙니다.
E4. 유니터리 $U=\frac1{\sqrt2}\begin{pmatrix}1&i\\i&1\end{pmatrix}$의 고유값과 고유벡터
답
$\lambda=\frac{1+i}{\sqrt2}=e^{i\pi/4}$: $\frac1{\sqrt2}(1,1)$, $\ \lambda=\frac{1-i}{\sqrt2}=e^{-i\pi/4}$: $\frac1{\sqrt2}(1,-1)$ — 둘 다 $|\lambda|=1$. 직접 곱해 $U(1,1)^T=\frac{1+i}{\sqrt2}(1,1)^T$ 확인.
F. 동시 대각화
F1. $A=\operatorname{diag}(1,1,2)$, $B=\begin{pmatrix}0&1&0\\1&0&0\\0&0&3\end{pmatrix}$이 교환함을 보이고 공통 고유벡터와 고유값 쌍 $(a,b)$
답
$\frac1{\sqrt2}(1,-1,0)$: $(1,-1)$, $\ \frac1{\sqrt2}(1,1,0)$: $(1,1)$, $\ (0,0,1)$: $(2,3)$ — $A$는 $xy$ 평면에서 $I$의 배수라 어떤 행렬과도 그 블록에서 교환합니다. $xy$ 평면에서 $B$는 $\sigma_x$입니다.
F2. 예제 3-1의 $A$와 순환 이동 $P=\begin{pmatrix}0&1&0\\0&0&1\\1&0&0\end{pmatrix}$ ($P(x,y,z)^T=(y,z,x)^T$)는 교환합니다. $A$의 이중근 평면에서 $P$의 고유벡터를 고르기
답
$\frac1{\sqrt3}(1,\omega,\omega^2)$ ($P$의 고유값 $\omega$), $\ \frac1{\sqrt3}(1,\omega^2,\omega)$ (고유값 $\omega^2$), $\ \omega=e^{2\pi i/3}$ — $P\mathbf v=\mu\mathbf v$이면 $y=\mu x$, $z=\mu y$, $x=\mu z$이므로 $\mu^3=1$. $1+\omega+\omega^2=0$이라 두 벡터는 평면 $x+y+z=0$ 안에 있습니다. $P$는 에르미트가 아니지만 유니터리(정규)라서 같은 방법이 통합니다.
13. 다음
- 틀린 문제는 풀이를 사진이나 텍스트로 보내 주세요. 어디서 틀렸는지 짚어 드립니다.
- 여기까지 끝냈다면 Arfken 6.1–6.5절 연습문제 중 계산형 문제를 몇 개 풀어 보세요.
- 다음 레슨은 L06 함수공간·그람-슈미트·연산자입니다. ★ 레슨만 먼저 돈다면 L06을 건너뛰고 L07 벡터 대수·미분 연산자(grad·div·curl, $\varepsilon_{ijk}$·$\delta_{ij}$ 지표 계산)로 가세요.
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