■ 행렬의 덧셈 : 두 행렬 $A$와 $B$가 같은 크기인 경우 그들의 대응 원소를 더함
$A$와 $B$가 $m \times n$ 행렬이면, $A+B = (a_{ij}) + (b_{ij})_{m \times n}$
$A = \begin{bmatrix} -4 & 6 & 3 \\ 0 & 1 & 2 \end{bmatrix}$, $B = \begin{bmatrix} 5 & -1 & 0 \\ 3 & 1 & 0 \end{bmatrix}$ 일때
$A+B = \begin{bmatrix} -4+5 & 6+(-1) & 3+0 \\ 0+3 & 1+1 & 2+0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 5 & 3 \\ 3 & 3 & 2 \end{bmatrix}$
■ 행렬의 스칼라 배(스칼라 곱) : 행렬 $A$에 실수 배(곱)
$k$가 실수이면, 행렬 $A$의 스칼라 배는
$A = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & & & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn} \end{bmatrix}$, $kA = \begin{bmatrix}k a_{11} &k a_{12} & \cdots &k a_{1n} \\k a_{21} &k a_{22} & \cdots &k a_{2n} \\ \vdots & & & \vdots \\k a_{m1} &k a_{m2} & \cdots &k a_{mn} \end{bmatrix}$
행렬 $A$의 각 원소에 $k$를 곱한 것 = $(k a_{ij})_{m \times n}$
$k A = A k$
두 행렬의 차
$A-B = A+(-B)$, 여기서 $-B = (-1)B$
행렬의 덧셈과 스칼라 곱의 특징
$A$, $B$와 $C$가 $m \times n$ 행렬, $k_{1}$과 $k_{2}$는 스칼라
(1) $A+B = B+A$ (덧셈의 교환 법칙)
(2) $A+(B+C) = (A+B)+C$ (덧셈의 교환 법칙)
(3) $(k_{1} k_{2})A = k_{1} (k_{2} A)$
(4) $1A = A$
(5) $k_{1}(A+B) = k_{1}A + k_{2}B$ (분배 법칙)
(6) $(k_{1} = k_{2} ) A = k_{1} A + k_{2} B$ (분배 법칙)
■ 행렬의 곱
$A$가 $m \times p$ 행렬, $B$가 $p \times n$ 행렬이면 $AB$는 $m \times n$ 행렬
$A_{m \times p}\; B_{p \times n} = C_{m \times n}$
$A = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1p} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2p} \\ \vdots & & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mp} \end{bmatrix}$, $B = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & & \vdots \\ a_{p1} & a_{p2} & \cdots & a_{pn} \end{bmatrix}$
$C = AB = \begin{bmatrix} a_{11} b_{11} + a_{12} b_{21} + \cdots + a_{1p} b_{p1} & \cdots & a_{11} b_{1n} + a_{12} b_{2n} + \cdots + a_{1p} b_{pn} \\ a_{21} b_{11} + a_{22} b_{21} + \cdots + a_{2p} b_{p1} & \cdots & a_{21} b_{1n} + a_{22} b_{2n} + \cdots + a_{2p} b_{pn} \\ \vdots & & \vdots \\ a_{m1} b_{11} + a_{m2} b_{21} + \cdots + a_{mp} b_{p1} & \cdots & a_{m1} b_{1n} + a_{m2} b_{2n} + \cdots + a_{mp} b_{pn} \end{bmatrix}$
$C_{ij} = \left [ \sum_{k=1}^{p} a_{ik} b_{kj} \right ]_{m \times n} $, 행에 열을 곱하는 것
$i = 1, \cdots , m$, $j = 1, \cdots , n$
$A = \begin{bmatrix} 3 & 5 & -1 \\ 4 & 0 & 2 \\ -6 & -3 & 2\end{bmatrix}$, $B = \begin{bmatrix} 2 & -2 & 3 & 1 \\ 5 & 0 & 7 & 8 \\ 9 & -4 & 1 & 1 \end{bmatrix}$
$A_{3 \times 3} \; B_{3 \times 4} = C_{3 \times 4}$
$C_{3\times4} = \begin{bmatrix} C_{11} & C_{12} & C_{13} & C_{14} \\ C_{21} & C_{22} & C_{23} & C_{24} \\ C_{31} & C_{32} & C_{33} & C_{34}\end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 22 & -2 & 43 & 42 \\ 26 & C_{22} & C_{23} & C_{24} \\ -9 & C_{32} & C_{33} & -28\end{bmatrix} $
$C_{11} = 3 \cdot 2 + 5 \cdot 5 + -1 \cdot 9 = 22$
$C_{12} = 3 \cdot 2 + 5 \cdot 0 + -1 \cdot -4 = -2$
$C_{13} = 3 \cdot 3 + 5 \cdot 7 + -1 \cdot 1 = 43$
$C_{14} = 3 \cdot 1 + 5 \cdot 8 + -1 \cdot 1 = 42$
$C_{21} = 4 \cdot 2 + 0 \cdot 5 + 2 \cdot 9 = 26$
$C_{31} = -6 \cdot 2 + -3 \cdot 5 + 2 \cdot 9 = -9$
$C_{34} = -6 \cdot 1 + -3 \cdot 8 + 2 \cdot 1 = -28$
○ 행렬 곱셈의 원리(1)
$y_{1} = a_{11} x_{1} + a_{12} x_{2}$ (1)
$y_{2} = a_{21} x_{1} + a_{22} x_{2}$
$y = Ax = \begin{bmatrix} y_{1} \\ y_{2}\end{bmatrix} = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2}\end{bmatrix} = \begin{bmatrix} a_{11} x_{1} + a_{12} x_{2} \\ a_{21} x_{1} + a_{22} x_{2} \end{bmatrix}$ (2)
여기서, $x$가 $Bw$ 연관
$x = Bw = \begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2}\end{bmatrix} = \begin{bmatrix} b_{11} & b_{12} \\ b_{21} & b_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix} w_{1} \\ w_{2}\end{bmatrix} = \begin{bmatrix} b_{11} w_{1} + b_{12} w_{2} \\ b_{21} w_{1} + b_{22} w_{2} \end{bmatrix}$
(2)를 (1)에 대입
$y = ABw$, $AB$를 $C$행렬로 보면, $y = Cw$ ∴$C = AB$
$y = Cw = \begin{bmatrix} c_{11} & c_{12} \\ c_{21} & c_{22} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} w_{1} \\ w_{2}\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}c_{11} w_{1} + c_{12} w_{2} \\ c_{21} w_{1} + c_{22} w_{2} \end{bmatrix}$ (3)
$\begin{bmatrix} y_{1} \\ y_{2} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22}\end{bmatrix} \begin{bmatrix} b_{11} w_{1} + b_{12} w_{2} \\ b_{21} w_{1} + b_{22} w_{2} \end{bmatrix}$
$y_{1} = a_{11} (b_{11} w_{1} + b_{12} w_{2} ) + a_{12} (b_{21} w_{1} + b_{22} w_{2} ) = (a_{11} b_{11} + a_{12} b_{21} w_{1} + (a_{11} b_{12} + a_{12} b_{22}) w_{2}$
$y_{2} = a_{21} (b_{11} w_{1} + b_{12} w_{2} ) + a_{22} (b_{21} w_{1} + b_{22} w_{2} ) = (a_{21} b_{11} + a_{12} b_{21} w_{1} + (a_{21} b_{12} + a_{22} b_{22}) w_{2}$
식(3)과 비교하면
$c_{11} = a_{11} b_{11} + a_{12} b_{21}$, $c_{12} = a_{11} b_{12} + a_{12} b_{22}$
$c_{21} = a_{21} b_{11} + a_{22} b_{21}$, $c_{22} = a_{21} b_{12} + a_{22} b_{bb}$
○ 행렬 곱셈의 원리(2)
연립방정식
$\begin{matrix} ax + by = x' \\ cx + dy = y' \end{matrix}$ $\begin{bmatrix} a & b \\ c & d \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} x' \\ y' \end{bmatrix}$ (1)
$\begin{matrix} x + 2y = x' \\ 3x + 4y = y' \end{matrix}$ → $\begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} x' \\ y' \end{bmatrix}$ (2)
$\begin{matrix} 5x' + 6y' = x'' \\ 7x' + 8y' = y'' \end{matrix}$ → $\begin{bmatrix} 5 & 6 \\ 7 & 8 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x' \\ y' \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} x'' \\ y'' \end{bmatrix}$ (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
$(A+B+C)^{T} = A^{T} + B^{T} + C^{T}$
$(ABC)^{T} = C^{T} B^{T} A^{T}$
'Study materials > Mathematics' 카테고리의 다른 글
행렬(Matrix) 3. 선형 연립방정식(2) (0) | 2021.03.24 |
---|---|
행렬(Matrix) 3. 선형 연립방정식(1) (0) | 2021.03.23 |
행렬(Matrix) 1. 정의 (0) | 2021.03.03 |
합계(sigma) 및 라디안(radian) (0) | 2021.01.18 |
삼각함수 및 파동 (0) | 2021.01.14 |