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[수학(Math)] 11. 행렬의 정의 및 연산(Matrix)

 

행렬에 대해서 가볍게 소개한다.

 

참고하면 도움이 되는 주제: 선형대수학(Linear Algebra)
-> 컴퓨터공학: 컴퓨터 그래픽스, OpenGL.
-> 경영학/산업공학: Operation Research(OR)
-> 회로 최적화
-> 물리(벡터)

-> 등.

 

(정의1)

임의의 자연수 에 대하여 개의 실수  를 다음과 같이 직사각형 모양으로 나열해 놓은 것을 실수를 성분으로 갖고 크기가 인 행렬(matrix)이라고 한다.

 

 

 

이때, 각각의 를 행렬 -성분 이라고 한다.

또한 실수를 성분으로 갖는 모든 행렬들의 집합을 로 표시한다.


즉,

 

(정의2)

행렬 개의 수평성분과 개의 수직 성분들로 이루어지는데 특히 번째 수평성분을 행렬

이라고 하고 로 표시한다. 또한 행렬 번째 수직성분을 행렬 번째 열이라고 하고 로 표시한다. 즉, 행렬 번째 행과 번째 열은 각각 다음과 같다.

 

 

예) 행렬 는 다음과 같은 두 개의 행과 두 개의 열로 이루어진 크기가 인 행렬이다.

 

,

 

 

다음은 행렬의 덧셈에 대한 항등원의 역할을 하는 영행렬의 정의에 대해 살펴보자.

 

(정의3)

 

행렬 의 모든 -성분이 0이면 즉, 이면 행렬 를 영행렬(zero matrix)이라고 하고

(또는 )으로 표시한다.

 

(정의4)

행렬 의 행의 수 과 열의 수 이 서로 같으면, 행렬 차의 정사각행렬(square matrix)이라고 한다.

차의 정사각행렬 에서 를 행렬 의 주 대각성분이라고 한다.

 

 

(정의5)

정사각행렬 의 주 대각성분이 모두 1이고 나머지 성분이 모두 0이면 행렬 를 항등행렬(단위행렬, identity matrix)이라고 하고,

으로 표시한다. 즉, 항등행렬 은 다음과 같다.


 

 

[참고] 실수

 

로 정의하면 차의 항등행렬은 으로 나타낼 수 있다.

 

 

(정의6)

정사각행렬 가 다음 조건을 만족하면 상삼각행렬(upper triangular matrix)이라고 한다.

 

 

[참고] 정의에 의하여 정사각행렬 가 상삼각행렬이면 주 대각성분 아래에 놓여있는 성분들은 모두 0이다.

 

예) 행렬 

는 상삼각행렬이다.

 

(정의7)

정사각행렬 가 다음 조건을 만족하면 하삼각행렬(lower triangular matrix)이라고 한다.

 

 

[참고] 정의에 의하여 정사각행렬 가 하삼각행렬이면 주 대각성분 위에 놓여있는 성분들은 모두 0이다.

 

예) 행렬

는 하삼각행렬이다.

 

 

(정의8)

 정사각행렬 가 다음 조건을 만족하면 대각행렬(diagonal matrix)이라고 한다.

 

 

 

그리고 이때 으로 표시한다.

 

 

[참고] 정의에 의하여 정사각행렬 가 대각행렬이면 주 대각성분 이외의 성분들이 0이다. 또한 대각행렬은 상삼각행렬이고 동시에 하삼각행렬이다.

 

예) 행렬

는 대각행렬이다.

 

 

두 행렬의 상등관계에 대해서 소개한다.

 

(정의9)
두 행렬 의 대응되는 모든 성분이 같으면, 즉,

이면 행렬 는 같은 행렬이라고 하고 로 나타낸다.

 

예) 두 행렬

에 대하여 상등관계 가 성립하기 위한 실수 의 값은 다음과 같이 구할 수 있다.

 

 

 

집합 에 속하는 행렬들 사이에서 정의되는 연산에 대하여 살펴보자.

 

(정의10)

두 행렬 에 대하여 덧셈과 실수 에 대한 스칼라곱을 다음과 같이 정의한다.

 

 

(예제)

 

두 행렬

에 대하여 는 각각 다음과 같다.

 

 

 

 

 

(정의11)

두 행렬 의 곱을 다음과 같이 정의한다.

 

 

 

[참고]

정의에 의하여 두 개의 행렬 의 곱 의 열의 갯수와 의 행의 갯수가 같을 때에만 정의됨을 알 수 있다.

 

 

(예제) 두 행렬

에 대하여 는 다음과 같다.

 

 

 

(예제)

 

두 행렬

에 대하여 의 열의 갯수는 2이고 의 행의 갯수는 1이므로 곱 를 정의할 수 없다.

 

(예제)

 

두 행렬 에 대하여 다음이 성립함을 보여라.

 

 

=> (풀이)

 

두 행렬

에 대하여 이지만 이고 이다.

 

 


(연습 문제)

 

1. 두 행렬 에 대하여 다음을 구하여라.

 

                                              

 

 

 

 

 

 

2. 두 행렬 에 대하여 다음을 구하여라.

 

 

                                           

 

 

 

 

3. 두 행렬

에 대하여 다음을 구하여라.

 

                              

 

 

 

 

4. 다음 식을 만족하는 실수 를 구하여라.

 

 

 

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