5.2 대학 과정
Properties of Determinants
이 절은 5.1에서 정의한 2×2·3×3 행렬식(825번·828번)이 만족하는 대수적 성질을 다룹니다. 아래 정리들은 모두 이 두 경우(n=2,3)에 대해서만 완전히 증명합니다 — 일반적인 n×n 행렬식은 여인수전개(라플라스 전개, Laplace expansion)를 이용해 «M1j(1행 j열을 지운 (n−1)×(n−1) 소행렬식)로 귀납적으로 정의»할 수 있고, 이렇게 정의된 n×n 행렬식이 어느 행·열을 따라 전개하든 항상 같은 값을 준다는 사실(전개의 독립성, well-definedness)과 아래 성질들이 일반 n에서도 그대로 성립한다는 사실은 이 사이트에서 증명하지 않는 대학 선형대수학의 표준 결과로 인용만 합니다 — 3.38의 395번, 8.2의 640·641번과 같은 처리 방식입니다. 새로 도입하는 표기는 없으며, 824–830번의 행렬·행렬식 표기(대괄호·세로선)를 그대로 사용합니다.
824번의 표기를 따라, (i,j) 성분이 i=j일 때 1이고 i≠j일 때 0인 n×n 정사각행렬을 n차 단위행렬(identity matrix)이라 하고 I 또는 In으로 씁니다. 이 절에서 다루는 2×2, 3×3 단위행렬은 각각
I2 = 1001, I3 = 100010001
입니다. 825번(2×2 행렬식)을 I2에 대입하면 det I2 = 1·1−0·0 = 1이고, 828번(3×3 행렬식, 사뤼스 법칙)을 I3에 대입하면 여섯 항 중 대각선의 곱 1·1·1 = 1을 제외한 나머지 다섯 항이 전부 0을 인수로 가지므로
det I2 = 1001 = 1, det I3 = 100010001 = 1
입니다. 일반적인 n×n 단위행렬에 대해서도 여인수전개를 반복하면 같은 방식으로 det In = 1임이 알려져 있습니다(대학 선형대수학의 표준 결과). 이 값은 840번(det(kA)=kndet A)의 기준값이자, 5.5(연립일차방정식)에서 항등변환의 행렬식으로 다시 쓰입니다.
824번의 n×n 정사각행렬 A=(aij)에 대해, A의 (i,j) 성분을 A의 (j,i) 성분으로 바꾸어 얻는(즉 행과 열을 맞바꾸는) n×n 정사각행렬을 A의 전치행렬(transpose)이라 하고 AT로 씁니다. 이 절에서 다루는 2×2, 3×3의 경우, A=abcd, A=a11a12a13a21a22a23a31a32a33이면 각각
AT = acbd, AT = a11a21a31a12a22a32a13a23a33
입니다 — 3×3의 경우 A의 제1행(a11,a12,a13)이 AT의 제1열이 되고, 마찬가지로 A의 제2행·제3행이 각각 AT의 제2열·제3열이 됩니다(주대각선 성분 a11,a22,a33은 자기 자신과 위치가 같으므로 그대로 남습니다). 대칭행렬(AT=A)과 같은 개념은 5.3–5.4의 행렬 연산에서 필요할 때 다시 다룹니다.
사용 : 5.1의 824번
증명법 : 직접증명법(양변을 전개해 같은 값임을 확인)
(1) 2×2. 825번을 A=abcd와 AT=acbd에 각각 대입하면
det A = abcd = ad−bc, det AT = acbd = ad−cb
이고 곱셈의 교환법칙(bc=cb)에 의해 두 값은 정확히 같습니다.
(2) 3×3. A=a11a12a13a21a22a23a31a32a33이면 AT=a11a21a31a12a22a32a13a23a33이고(832번), 828번을 AT에 대입하면
| det AT | |
| = a11a22a33+a21a32a13+a31a12a23−a31a22a13−a11a32a23−a21a12a33 | 828번을 AT=(aji)에 대입(각 성분에서 i,j를 바꿈) |
| = a11a22a33+a12a23a31+a13a21a32−a13a22a31−a11a23a32−a12a21a33 | 곱셈의 교환·결합법칙으로 인수 순서만 재배열(항의 값은 불변) |
인데, 마지막 줄은 828번의 det A 정의식(6항의 합, 부호 포함)과 항 하나하나가 정확히 일치합니다. 따라서 det AT = det A입니다.
사용 : 5.1의 825번 · 5.1의 828번 · 832번
증명 끝
증명법 : 직접증명법(맞바꾼 행렬의 행렬식을 전개해 부호만 반대임을 확인)
(1) 2×2. A=abcd의 두 행을 맞바꾼 A'=cdab에 825번을 대입하면
det A' = cdab = cb−da = −(ad−bc) = −det A
(2) 3×3, 1·2행 교환. A=a11a12a13a21a22a23a31a32a33의 1·2행을 맞바꾼 A'=a21a22a23a11a12a13a31a32a33에 828번을 대입하면
| det A' | |
| = a21a12a33+a22a13a31+a23a11a32−a23a12a31−a21a13a32−a22a11a33 | 828번을 A'(1·2행이 맞바뀐 행렬)에 대입 |
| = −(a11a22a33+a12a23a31+a13a21a32−a13a22a31−a11a23a32−a12a21a33) | 여섯 항을 부호 바꿔 재배열(교환법칙) — 828번의 det A 여섯 항과 부호만 반대로 정확히 대응 |
| = −det A | 828번 |
(3) 3×3, 다른 행의 교환. 2·3행 교환(A'의 행이 (a11,a12,a13), (a31,a32,a33),(a21,a22,a23))과 1·3행 교환의 경우도 828번을 그대로 대입해 여섯 항을 전개하면 (2)와 완전히 같은 방식(여섯 항이 부호만 반대로 정확히 대응)으로 det A' = −det A를 얻습니다 — 어느 두 행을 바꾸든 828번의 여섯 항이 세 첨자(1,2,3)의 치환에 대해 항상 부호만 반대인 짝을 이루기 때문입니다.
u=(4,1), v=(1,3)로 만든 같은 평행사변형(826번). 두 행의 순서를 (u,v)로 읽으면 원점에서 u→v로 도는 방향(반시계, +)이 나오고, 순서를 (v,u)로 바꾸면 같은 평행사변형에서 v→u로 도는 방향(시계, −)이 나옵니다 — 넓이(도형 자체)는 그대로지만 «어느 행이 먼저인가»에 따라 행렬식의 부호가 반대로 매겨짐을 보여줍니다.
사용 : 5.1의 825번 · 5.1의 826번 · 5.1의 828번
증명 끝
증명법 : 직접증명법(834번을 자기 자신에 적용)
A의 두 행(예를 들어 i번째 행과 j번째 행, i≠j)이 서로 같다고 합시다. 이 두 행을 맞바꾼 행렬을 A'라 하면, 두 행이 원래 같았으므로 A'는 A와 완전히 같은 행렬입니다(A'=A). 그런데 834번에 의해 det A' = −det A이므로
det A = det A' = −det A
즉 det A = −det A이고, 양변에 det A를 더하면 2·det A = 0, 따라서 det A = 0입니다. 이 논증은 2×2, 3×3 어느 경우든 834번 하나만 사용하므로 그대로 성립합니다.
사용 : 834번
증명 끝
증명법 : 직접증명법(제1행에 대한 선형성은 829번의 여인수전개식에서 즉시 확인 — 다른 행에 대한 선형성은 834번으로 옮겨 얻음)
1단계 : 제1행에 대한 선형성. 829번(3×3 제1행 여인수전개)은
det A = a11C11+a12C12+a13C13
인데, 827번의 정의에 의해 C11,C12,C13은 오직 2·3행의 성분으로만 결정되고 제1행(a11,a12,a13)과는 무관합니다. 즉 2·3행을 고정하면 det A는 (a11,a12,a13)의 일차식 C11a11+C12a12+C13a13일 뿐입니다. 일차식은 당연히 다음 두 성질을 만족합니다 : 제1행을 k배(ka11,ka12,ka13) 하면 그 값도 k배가 되고, 제1행이 두 벡터의 합(p1+q1,p2+q2,p3+q3)이면 그 값은 각각 대입한 값의 합입니다. 즉
det ka11ka12ka13a21a22a23a31a32a33 = k·det A, det p1+q1p2+q2p3+q3a21a22a23a31a32a33 = det p1p2p3a21a22a23a31a32a33 + det q1q2q3a21a22a23a31a32a33
입니다(2×2도 825번의 det=abcd=ad−bc가 (a,b)의 일차식이므로 완전히 같은 논증이 적용됩니다).
2단계 : 다른 행으로 확장(834번의 재사용). 이제 이 성질이 제2행(또는 제3행)에서도 성립함을 보입니다. 제2행을 k배 한 행렬을 B라 합시다. A와 B에서 각각 1·2행을 맞바꾼 행렬을 A', B'라 하면, A'와 B'는 서로 «제1행을 k배 한» 관계에 있으므로(맞바꾸고 나면 문제의 k배 된 행이 제1행이 되므로) 1단계에 의해 det B' = k·det A'입니다. 그런데 834번에 의해 det A'=−det A, det B'=−det B이므로
−det B = k·(−det A) ↠ det B = k·det A
를 얻습니다 — 즉 부호가 두 번(A'에서 한 번, B'에서 한 번) 반대로 바뀌어 서로 상쇄되므로, 제1행에서 성립한 배율 관계가 제2행에도 그대로 옮겨집니다. 합에 대한 선형성도 똑같은 방식(맞바꾸기→1단계 적용→다시 맞바꾸기, 부호가 두 번 상쇄)으로 제2행·제3행으로 확장됩니다. 3×3의 경우 제3행으로의 확장은 1·3행을 맞바꾸는 것으로 동일하게 처리됩니다.
사용 : 5.1의 825번 · 5.1의 827번 · 5.1의 829번 · 834번
증명 끝
증명법 : 직접증명법(836번의 배율 성질과 835번을 조합)
(1) 영행. 제1행이 전부 0인 행렬 000a21a22a23a31a32a33은 «원래 행렬의 제1행을 0배 한 것»과 같으므로(즉 k=0인 경우), 836번(배율 성질)에 의해
det 000a21a22a23a31a32a33 = 0·det A = 0
입니다(어느 행이 0이든, 834번으로 그 행을 제1행 자리로 옮긴 뒤 같은 논증을 적용하면 됩니다 — 834번은 부호만 바꾸므로 0이라는 결론 자체는 바뀌지 않습니다). 2×2의 경우도 825번의 det00cd=0·d−0·c=0으로 즉시 확인됩니다.
(2) 비례하는 두 행. 제1행이 제2행의 k배, 즉 A=ka21ka22ka23a21a22a23a31a32a33이라 합시다. 836번(배율 성질)에 의해
det ka21ka22ka23a21a22a23a31a32a33 = k·det a21a22a23a21a22a23a31a32a33
인데, 우변의 행렬은 제1행과 제2행이 똑같이 (a21,a22,a23)이므로 835번에 의해 그 행렬식은 0입니다. 따라서 det A = k·0 = 0입니다. 2×2의 경우도 같은 논증(836번+835번)이 그대로 적용됩니다.
증명 끝
증명법 : 직접증명법(836번의 합 성질과 837번을 조합)
A=a11a12a13a21a22a23a31a32a33의 제1행을 (a11+ka21,a12+ka22,a13+ka23)로 바꾼 행렬을 A'=a11+ka21a12+ka22a13+ka23a21a22a23a31a32a33라 합시다. A'의 제1행은 (a11,a12,a13)과 (ka21,ka22,ka23)의 합이므로, 836번(합 성질)에 의해
det A' = det A + det a21a22a23a21a22a23a31a32a33
인데(둘째 항은 제1행을 (ka21,ka22,ka23)로 바꾼 행렬식), 다시 836번(배율 성질)으로 k를 앞으로 빼내면 둘째 항은 k·deta21a22a23a21a22a23a31a32a33이고, 이 행렬은 제1행과 제2행이 똑같으므로 835번에 의해 그 행렬식은 0입니다. 따라서
det A' = det A + k·0 = det A
즉 제1행에 제2행의 배수를 더해도 행렬식은 변하지 않습니다. 다른 행에 다른 행의 배수를 더하는 경우도 같은 논증이 그대로 적용되며, 2×2의 경우 역시 836번·835번이 이미 n=2에서 증명되어 있으므로 동일하게 성립합니다.
증명 끝
증명법 : 직접증명법(828번의 6항 중 0이 아닌 항이 대각성분의 곱 하나만 남음을 확인, 아래삼각형은 833번의 전치 성질로 환원)
주대각선(왼쪽 위→오른쪽 아래) 아래쪽 성분이 전부 0인 정사각행렬을 위삼각행렬 (upper triangular matrix), 주대각선 위쪽 성분이 전부 0인 정사각행렬을 아래삼각행렬(lower triangular matrix)이라 합니다.
(1) 2×2 위삼각행렬. 825번을 ab0d에 대입하면
det ab0d = ab0d = ad−b·0 = ad
로, 대각성분의 곱과 일치합니다.
(2) 3×3 위삼각행렬. a21=a31=a32=0인 a11a12a130a22a2300a33에 828번을 대입하면
| det a11a12a130a22a2300a33 | |
| = a11a22a33+a12a23·0+a13·0·0−a13a22·0−a11a23·0−a12·0·a33 | 828번(a21=a31=a32=0 대입) |
| = a11a22a33 | 0을 인수로 갖는 다섯 항 소거 |
828번의 여섯 항 중 a21,a31,a32 가운데 적어도 하나를 인수로 갖지 않는 항은 첫째 항 a11a22a33뿐이므로, 나머지 다섯 항은 모두 0이 되어 소거됩니다.
(3) 아래삼각행렬. 아래삼각행렬 A=a1100a21a220a31a32a33의 전치행렬 AT=a11a21a310a22a3200a33는 (대각성분은 그대로 두고 위·아래만 바뀌므로) 위삼각행렬이고 대각성분도 A와 같습니다. 833번(det AT=det A)과 (2)의 결과를 결합하면
det A = det AT = a11a22a33
이므로 아래삼각행렬도 같은 공식을 만족합니다(2×2도 동일한 방식).
사용 : 5.1의 825번 · 5.1의 828번 · 833번
증명 끝
증명법 : 직접증명법(836번의 배율 성질을 행마다 한 번씩 반복 적용)
kA는 A의 모든 행을 k배 한 행렬입니다(n×n 행렬의 모든 성분을 k배 하는 것은, 각 행을 차례로 k배 하는 것과 같습니다). 836번(배율 성질)을 제1행에 한 번 적용해 계수 k를 하나 빼내고, 그 결과에 다시 제2행에 적용해 k를 하나 더 빼내는 과정을 n번(모든 행에 대해 한 번씩) 반복하면 계수 k가 총 n번 곱해집니다. 구체적으로 :
(1) 2×2. kakbkckd는 제1행·제2행을 각각 k배 한 것이므로, 836번을 두 번(각 행에 한 번씩) 적용하면
det kakbkckd = k·det abkckd = k·k·det A = k2·det A
(2) 3×3. 마찬가지로 ka11ka12ka13ka21ka22ka23ka31ka32ka33에 836번을 세 번(각 행에 한 번씩) 적용하면
det ka11ka12ka13ka21ka22ka23ka31ka32ka33 = k·k·k·det A = k3·det A
를 얻습니다. 일반적인 n×n의 경우도 n개의 행 각각에 836번을 한 번씩(총 n번) 적용하면 det(kA)=kndet A입니다 — 이 논증 자체는 유한 번의 반복이므로 임의의 n에 대해 그대로 성립합니다(836번이 일반 n에서 성립한다는 university-note를 전제로 합니다).
사용 : 836번
증명 끝
증명법 : 직접증명법(2×2의 경우 행렬곱을 직접 전개해 양변이 같음을 확인)
2×2의 경우. A=abcd, B=efgh라 하면, 행렬의 곱 AB는(행렬 연산의 formal한 정의는 5.4에서 다루지만, 여기서는 5.4를 앞당겨 쓰지 않고 그 결과인 성분별 공식만 그대로 인용합니다 — (i,j) 성분은 A의 i행과 B의 j열을 각각 짝지어 곱한 뒤 더한 것입니다)
AB = ae+bgaf+bhce+dgcf+dh
이고, 825번을 이 성분들에 대입한 뒤 전개하면
| det(AB) | |
| = ae+bgaf+bhce+dgcf+dh | 824번(성분 표기) |
| = (ae+bg)(cf+dh)−(af+bh)(ce+dg) | 825번 |
| = adeh−adfg−bceh+bcfg | 전개 후 acef, bdgh 항이 서로 상쇄되어 소거 |
| = (ad−bc)(eh−fg) | 공통인수로 묶음 |
| = det A·det B | 825번(det A=ad−bc, det B=eh−fg) |
즉 det(AB) = det A·det B입니다.
증명 끝
증명법 : 직접증명법(하나의 구체적인 행렬에 828–841번의 각 성질을 차례로 적용해 계산)
M=201130412에서 시작합니다. 828번(사뤼스 법칙)을 대입하면
det M = 201130412 = (12+0+1)−(12+0+0) = 1
(1) 전치(833번). MT=214031102이고
det MT = 214031102 = (12+1+0)−(12+0+0) = 1 = det M
(2) 행 교환(834번). 1·2행을 맞바꾼 M'=130201412은
det M' = 130201412 = (0+12+0)−(0+1+12) = −1 = −det M
(3) 행 덧셈 불변(838번). 제2행을 (제2행+2·제1행)으로 바꾼 201532412는
det 201532412 = 201532412 = (12+0+5)−(12+4+0) = 1 = det M
— 838번이 말하는 대로 값이 전혀 바뀌지 않았습니다.
(4) 한 행의 스칼라배(836번). 제1행을 5배 한 1005130412는
det 1005130412 = 1005130412 = (60+0+5)−(60+0+0) = 5 = 5·det M
(5) 행렬 전체의 스칼라배(840번). 모든 행을 2배 한 2M=402260824은
det(2M) = 402260824 = (96+0+8)−(96+0+0) = 8 = 23·det M
(6) 곱셈정리(841번). N=120011301이라 하면 828번으로 det N = 120011301 = (1+6+0)−(0+0+0) = 7이고, 곱 MN=5411531093의 (i,j) 성분이 «M의 i행·N의 j열»의 성분별 곱의 합(841번에서 인용한 5.4의 행렬곱 공식)이므로 828번을 MN에 직접 대입하면
det(MN) = 5411531093 = (75+120+9)−(50+135+12) = 204−197 = 7 = det M·det N (= 1·7)
로, 곱셈정리와 정확히 일치합니다.
사용 : 5.1의 828번 · 833번 · 834번 · 836번 · 838번 · 840번 · 841번
증명 끝