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[선형대수학] 4강. 선형사상

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<목차>

* 참고

1. 선형사상
 1-1 선형사상
 1-2 여러 선형사상
 
2. 선형대수학의 기본정리 

3. 차원정리
 3-1 차원정리
 3-2 비둘기집 원리
  (1) 따름정리
  (2) 비둘기집 원리
   *만약 비둘기집에 선형대수학 논리를 적용시키려면?
 
 4. 예제 (3)
  4-1 선형사상 증명
  4-2 동형사상 증명
  4-3 선형사상 



*참고

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------------------- ∈ vs ⊂ ------------------------------

∈ Element
A={1,2,3} 이면
2 ∈ A
2는 A의 원소이다.

⊂ 부분집합
A={1,2,3}   B={1,3}일 때
B ⊂ A 이면  집합 B는 A의 부분집합이다.

1. 선형사상

1-1 선형사상

잠깐!     사상은 간단하게 얘기하자면, 대수구조를 다루는 함수

선형사상(L):

가산성 + 동차 라는 2개 공리(조건)를 동시에 만족하는 사상 Desktop View

\(\text{가산성(Additivity):}\quad\quad L(u+v) = L(u) + L(v)\quad (u,\quad v \in V)\) \(\text{동차성(Homogeneity):}\quad\quad L(kv) = kL(v)\quad (k \in F,\quad v \in V)\)


u, v는 정의역에 해당하는 대수구조인 V(벡터공간)의 원소들입니다.
가산성에 대해 먼저 봅시다.
즉 L(u+v)는 내부에서 두 원소를 덧셈한 선형사상을 뜻하며 이는 결과인 L(u) + L(v)와 같습니다.

동차성에 대해 봅시다.
k라는 스칼라가 v에 곱해졌는데, 그걸 괄호 밖에 내도 똑같습니다.



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>설명

  1. 핵(kerL)
    선형사상의 결과가 0벡터가 되며, V(벡터공간)에 속한 v들을 모은 집합으로 커널L이라고도 합니다.


  2. 치역처럼 생각하면 되고, 선형사상의 결과들을 모두 모은 집합으로 이미지L(imL)이라 합니다

  3. 자기사상
    V라는 벡터공간과 W라는 벡터공간은 기본적으로 틀린데, 같을 때가 있습니다!
    즉 정의역에 해당하는 V와 공역에 해당하는 W의 벡터들 같을 때입니다.
    그럴 때, 선형사상을 자기사상이라고 합니다.

  4. 단사사상
    V -> W 이걸 참고하여
    V에서 서로 다른 2개의 벡터 v1, v2를 잡아줬을 때, 그에 대응되는 W의 벡터들도 서로 달라야 합니다
    근데! L(u) = L(v)라면 벡터들인 u=v도 만족하는데 그걸 단사사상이라 합니다!

  5. 전사사상
    V에 있는 벡터들이 전부다 W벡터들에 대응된 것
    쉽게 표현하면 공역 = 치역
    맨 위에 *참고 볼 것

  6. 동형사상
    단사사상도 되고 전사사상도 됨 aka 전단사
    즉 동일한 대수구조를 판별함에 있어서 핵심이 됩니다

  7. 자기동형사상
    정의역과 공역이 같고, 동시에 1:1 대응인 사상

  8. 사상의 합성
    합성함수를 생각하면 편합니다
    예시:  g(x) = \(x^2\),    f(x) = 2x \(h(x)=g(f(x))=(2x)^2 =4x^2\)

  9. 역사상
    역원이랑 비슷한 개념입니다
    L2 * L1 = Iv 로 항등사상 나왔을 때,
    L2와 L1 위치 바꿨을 때도 항등사상이면 그때 비로소 역사상이 됩니다



2. 선형대수학의 기본 정리

F-벡터공간 V, W에 대해 V → W로의 선형사상들의 집합을 L(V, W)라 하고,
다음과 같이 L(V, W) 위의 스칼라배를 정의한다

조건 = \((v \in V, \quad k \in F) \\\)
1) = \((L_1 + L_2)(v)\) = \(L_1(v) + L_2(v)\)
2) 스칼라배 = \((kL)(v)\) = \(kL(v)\)

F에 속한 m x n 행렬들의 집합을 아래와 같이 나타냅니다 \(M_{m*n}(F)\)

두 사상 \(f\), \(g\)는 다음과 같이 정의합니다
\(f: \quad L(V, W) \rightarrow M_{m*n}(F) \\ 정의방법: \quad f(L) = [L]_{Bw}^{Bv} = M \\[5ex] g: \quad M_{m*n}(F) \rightarrow L(V, W) \\ 정의방법: \quad g(M) = L_M([L_M(v)]_{Bw} = M[v]_{Bv}\)

[기호 참고]

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-->: 가는 방향

사상f:   선형사상 --> 행렬집합의 대수구조
사상g:   행렬집합의 대수구조 --> 선형사상



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1번 설명

ex-1):    V = \(|R^3\)$ \color{red}{\Rightarrow} $\(B_v\)= {(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)}

위는 예를 든 수식입니다
이는 벡터공간 V가 3개의 기저벡터로 구성된 것을 나타냅니다
v1, v2, v3을 각각 (1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 1)로 임의 설정했을 때 그 배치순서는 고정합니다.
이것으로 Bv = V의 순서기저가 됩니다.




Desktop View V에 속한 v를 갖고와서 \(v_1\) ~ \(v_n\)까지 벡터들이 Linear combination(선형결합)을 했을 때,
\(k_1\) ~ \(k_n\)까지 모은 튜플을 행에서 열로 전치시켰네요
\(B_v\)는 꼭 표준기저일 필요는 없는데 여기서 \(B_v\)는 \(v_1\) ~ \(v_n\)까지를 나타냅니다


2번 설명

1번 v1, v2, v3에 이어서 합니다
ex-2):    \(v \in V, \quad v = 3V_1 + V_2 + 2V_3 \\[3ex]\) $ \color{red}{\Rightarrow} $ m\((3, 1,2)^T\) $ \color{red}{\Rightarrow} $\(즉\begin{bmatrix} 3\\ 1 \\ 2 \end{bmatrix} 이는 \quad [v]_{Bv}다\)
기저는 아까 언급했듯이 어떤 것이든 상관없는데, 어떤 기저를 잡으면 그 기저에 대해 v라는 벡터를 \(3V_1 + V_2 + 2V_3\) 처럼 표현하겠다는 뜻입니다.


왜 \(3v_1,v_2,2v_3\)이 아니고 대문자인 \(3V_1, V_2, 2V_3\)이냐?

$ \color{blue}{\Rightarrow} $ 기저벡터는 보통 대문자,     특정벡터는 소문자입니다



Desktop View \(B_v \Rightarrow B_w\)

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v1:  V의 원소
L(v1):  선형변환을 거친v1  L(v1) w의 원소 
-->  L(v1) 분리시키려면 w기저를 따라야 한다.


3번 설명

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3. 차원정리

잠깐! 커널의 개념 다시 한번 짚고 들어가겠습니다.
선형사상 \(L: IR^n \rightarrow IR^m, \quad L(x) = \vec{0}\) 를 만족하는 모든 x들의 집합

3-1 차원정리

L:     V -> W 에 대하여 다음이 성립한다
dim($ \color{red}V$) = dim(ker $\color{lightblue}L $) + dim(im $\color{lightblue}L $)

요약본과 A to Z 방식으로 총 2개 작성합니다.

요약본

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A to Z

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3-2 비둘기집 정리

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—> n+1개의 물건을 n개의 상자에 넣을 때 적어도 어느 한 상자에는 두 개 이상의 물건이 들어 있다는 원리




*만약 비둘기집에 선형대수학 논리를 적용시키려면?

조건 임의설정: L이 V에서 W로 가는 선형사상
-> 그러면 L(v)에서 가능한 v의 선택지는 1차원이라도 무한개

L(v), L(2v)이런식으로 모든 v에 대해서 다 함수값을 정해줘야 하는데,
귀찮기에 유한개로 정의하고 끝내자
(우선 L(v)를 f(x)로 생각하면 편하다)

기저 { \(v_1\) , \(...\) , \(v_n\) } 에서 L의 함수값을 정하면
\(L(v)\) = \(L(a_1v_1 + ... + a_nv_n)\) = \(a_1L(v_1) + ... + a_nL(v_n)\) 이라서
모든 함수의 벡터값이 다 정의된다



4. 예제 (3개)

4-1 선형사상 증명

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* 문제를 풀기 위해서는 가산성, 동차성을 증명해야한다

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4-2 동형사상 증명

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* 3 다항식  --> 4차원 
L1과 L2가 동형사상이 되기위한 산식을 증명해봐라
,  대수구조에서 다른 대수구조로 가는 사상의 구체적인 산식을 알맞게 정의하라는  

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4-3 선형사상

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참고

[선형대수학] 4강. 선형사상

선형대수학 53강: 핵과 치역(kernal and range) [쑤튜브]

This post is licensed under CC BY 4.0 by the author.
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