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행렬(Matrix) 2. 행렬의 연산

■ 행렬의 덧셈 : 두 행렬 AB가 같은 크기인 경우 그들의 대응 원소를 더함

    ABm×n 행렬이면, A+B=(aij)+(bij)m×n

        A=[463012],    B=[510310] 일때

        A+B=[4+56+(1)3+00+31+12+0]=[153332]

 

■ 행렬의 스칼라 배(스칼라 곱) : 행렬 A에 실수 배(곱)

    k가 실수이면, 행렬 A의 스칼라 배는

        A=[a11a12a1na21a22a2nam1am2amn],    kA=[ka11ka12ka1nka21ka22ka2nkam1kam2kamn]

        행렬 A의 각 원소에 k를 곱한 것 = (kaij)m×n

        kA=Ak

        두 행렬의 차

        AB=A+(B), 여기서 B=(1)B

 

행렬의 덧셈과 스칼라 곱의 특징

A, BCm×n 행렬, k1k2는 스칼라

    (1) A+B=B+A    (덧셈의 교환 법칙)

    (2) A+(B+C)=(A+B)+C    (덧셈의 교환 법칙)

    (3) (k1k2)A=k1(k2A)

    (4) 1A=A

    (5) k1(A+B)=k1A+k2B    (분배 법칙)

    (6) (k1=k2)A=k1A+k2B    (분배 법칙)

 

■ 행렬의 곱

Am×p 행렬, Bp×n 행렬이면 ABm×n 행렬

        Am×pBp×n=Cm×n

        A=[a11a12a1pa21a22a2pam1am2amp],    B=[a11a12a1na21a22a2nap1ap2apn]

        C=AB=[a11b11+a12b21++a1pbp1a11b1n+a12b2n++a1pbpna21b11+a22b21++a2pbp1a21b1n+a22b2n++a2pbpnam1b11+am2b21++ampbp1am1b1n+am2b2n++ampbpn]

        Cij=[pk=1aikbkj]m×n, 행에 열을 곱하는 것

        i=1,,m, j=1,,n

        A=[351402632],     B=[223150789411]

        A3×3B3×4=C3×4

        C3×4=[C11C12C13C14C21C22C23C24C31C32C33C34]=[222434226C22C23C249C32C3328]

        C11=32+55+19=22

        C12=32+50+14=2

        C13=33+57+11=43

        C14=31+58+11=42

 

        C21=42+05+29=26

        C31=62+35+29=9

        C34=61+38+21=28

 

○ 행렬 곱셈의 원리(1)

        y1=a11x1+a12x2        (1)

        y2=a21x1+a22x2

        y=Ax=[y1y2]=[a11a12a21a22][x1x2]=[a11x1+a12x2a21x1+a22x2]        (2)

        여기서, xBw 연관

        x=Bw=[x1x2]=[b11b12b21b22][w1w2]=[b11w1+b12w2b21w1+b22w2]

        (2)를 (1)에 대입

        y=ABw, ABC행렬로 보면, y=Cw  ∴C=AB

        y=Cw=[c11c12c21c22][w1w2]=[c11w1+c12w2c21w1+c22w2]        (3)

        [y1y2]=[a11a12a21a22][b11w1+b12w2b21w1+b22w2]

        y1=a11(b11w1+b12w2)+a12(b21w1+b22w2)=(a11b11+a12b21w1+(a11b12+a12b22)w2

        y2=a21(b11w1+b12w2)+a22(b21w1+b22w2)=(a21b11+a12b21w1+(a21b12+a22b22)w2

        식(3)과 비교하면

        c11=a11b11+a12b21,        c12=a11b12+a12b22

        c21=a21b11+a22b21,        c22=a21b12+a22bbb

 

○ 행렬 곱셈의 원리(2)

        연립방정식

        ax+by=xcx+dy=y      [abcd][xy]=[xy]        (1)

        x+2y=x3x+4y=y  →    [1234][xy]=[xy]        (2)

        5x+6y=x  →    \begin{bmatrix} 5 & 6 \\ 7 & 8 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x' \\ y' \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} x'' \\ y'' \end{bmatrix}        (3)

        \begin{matrix} 5x' + 6y' = x'' \\ 7x' + 8y' = y'' \end{matrix}  ←    \begin{matrix} x + 2y = x' \\ 3x + 4y = y' \end{matrix}

        5(x + 2y) + 6(3x + 4y) = (5 \times 1 + 6 \times 3) x + (5 \times 2 + 6 \times 4)y = x''

        7(x + 2y) + 8(3x + 4y) = (7 \times 1 + 8 \times 3) x + (7 \times 2 + 68 \times 4)y = y''

        \begin{bmatrix} 5 \times 1 + 6 \times 3 & 5 \times 2 +  6 \times 4 \\ 7 \times 1 + 8 \times 3 & 7 \times 2 + 8 \times 4 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} x'' \\ y'' \end{bmatrix}

        (3)에 (2)를 대입

        \begin{bmatrix} 5 & 6 \\ 7 & 8 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} x'' \\ y'' \end{bmatrix}

 

행렬의 곱은 덧셈과 달리 교환적이지 않다. 교환 법칙이 성립하지 않는다.

        AB \neq BA

        A = \begin{bmatrix} 4 & 7 \\ 3 & 5 \end{bmatrix},   B = \begin{bmatrix} 5 & 6 \\ 7 & 8 \end{bmatrix}

        AB = \begin{bmatrix} 4 \times 9 + 7 \times 6 & 4 \times (-2) + 7 \times  \\ 3 \times 9 + 5 \times 6 & 3 \times (-2) + 5 \times 8 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 78 & 48 \\ 57 & 34 \end{bmatrix}

        BA = \begin{bmatrix} 9 & -2  \\ 6 & 8 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 4 & 7  \\ 3 & 5 \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 9 \times 4 + (-2) \times 3 & 9 \times 7 + (-2) \times 5 \\ 6 \times 4 + 8 \times 3 & 6 \times 7 + 8 \times 5 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 30 & 53 \\ 48 & 82 \end{bmatrix}

 

행렬 곱셈의 특징

        AB \neq BA, 교환법칙 적용 안됨

        A_{n \times p}, B_{p \times r}, C_{r \times n} 행렬이면 A(BC) = (AB)C,  결합법칙

        B_{r \times n}, C_{r \times n}, A_{m \times r} 행렬이면 A(B+C) = AB+AC,  분배법칙

                                                      (B+C)A = BA+CA

 

■ 전치 행렬

        A = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & & & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn} \end{bmatrix},         A^{T} = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{21} & \cdots & a_{m1} \\ a_{12} & a_{22} & \cdots & a_{m2} \\ \vdots & & & \vdots \\ a_{1n} & a_{2n} & \cdots & a_{mn} \end{bmatrix}

        예를 들어

        A = \begin{bmatrix} 3 & 2 & -1 \\ 6 & 5 & 2 \\ 2 & 1 & 4 \end{bmatrix} 이면,        A^{T} = \begin{bmatrix} 3 & 6 & 2 \\ 2 & 5 & 2 \\ -1 & 2 & 4 \end{bmatrix}

        B = \begin{bmatrix}5 & 3 \end{bmatrix},         B^{T} = \begin{bmatrix}5 \\ 3 \end{bmatrix}

 

전치 행렬의 성질

        A, B 행렬, k 스칼라

        (1) (A{T}){T} = A         전치의 전치

        (2) (A+B)^{T} = A^{T} + B^{T}        합의 전치

        (3) (AB)^{T} = B^{T} A{T}        곱의 전치

        (4) (kA){T} = kA^{T}        스칼라 배의 전치

 

        (A+B+C)^{T} = A^{T} + B^{T} + C^{T}

        (ABC)^{T} = C^{T} B^{T} A^{T}