\[ \newcommand{\complexI}{\mathbf{i}} \newcommand{\imaginaryI}{\mathbf{i}} \newcommand{\cis}{\operatorname{cis}} \newcommand{\vecu}{\mathbf{u}} \newcommand{\vecv}{\mathbf{v}} \newcommand{\vecw}{\mathbf{w}} \newcommand{\vecx}{\mathbf{x}} \newcommand{\vecy}{\mathbf{y}} \newcommand{\vecz}{\mathbf{z}} \]

불변공간과 분해 정리

by Ariel Daley
207 views

제 1 분해 정리

선형연산자의 불변부분공간(invariant subspace) 개념을 바탕으로, 복잡한 선형변환이나 행렬을 더 단순한 구성요소들로 쪼개어 표현하는 방식이 여러 분해 정리에 의해 가능하다. 제 1 분해 정리는 이러한 아이디어를 실현하는 대표적 결과로, 선형변환이 만드는 불변부분공간을 차례로 찾아가는 기법을 제시한다. 이를 통해 행렬(선형연산자)의 작용이 여러 부분 공간에서 어떻게 분리되어 해석될 수 있는지를 알 수 있다.

불변부분공간의 개념

먼저, 불변부분공간(invariant subspace)의 정의를 복습하자. 벡터공간 \(V\) 위의 선형연산자 \(\mathcal{T}: V\to V\)에 대해, \(U\subset V\)가 하나의 부분공간이라고 할 때,

\[ \mathcal{T}(U) \subset U \]

를 만족하면 \(U\)를 \(\mathcal{T}\)-불변부분공간이라고 부른다. 즉, \(U\) 안의 벡터를 \(\mathcal{T}\)가 작용해도 여전히 \(U\) 안에서 머무르는(subset) 성질을 뜻한다. 이 불변부분공간들은 “연산자(행렬)에 의해 서로 독립적으로 보존되는 구조”를 찾아내는 핵심 도구이며, 여러 분해 정리가 이러한 불변부분공간들의 적절한 조합을 통해 행렬을 단순 형태로 해석한다.

제 1 분해 정리 소개

제 1 분해 정리는, 선형연산자의 작용이 차례대로 분해될 수 있음을 보장하는 결과로서, 고윳값·최소다항식 분석 이전 단계에서도 임의의 불변부분공간을 찾아가며 연산자를 “층층이 차원 1씩” 줄여나가는 기법을 제공한다. 일반적으로 다음과 같은 형태로 진술된다.

정리 1. (제 1 분해 정리)

유한차원 벡터공간 \(V\) 위의 선형변환(또는 행렬) \(\mathcal{T}: V\to V\)에 대하여, 임의의 벡터 \(\mathbf{v}\in V\)를 잡으면, \(\mathbf{v}\)가 생성하는 불변부분공간을 순차적으로 확장하여, \(\mathcal{T}\)가 (1차씩 증분되는) 일련의 부분공간들 위에서 작용하는 형태로 분해할 수 있다. 결과적으로 \(V\)가 이 불변부분공간들의 직합(직선형)으로 표현되는 분해를 얻는다.

보다 구체적으로, 어떤 \(\mathbf{v}\neq 0\)에 대해,

\[ U_1 = \mathrm{span}\{\mathbf{v}\},\quad U_2 = U_1 \oplus \mathrm{span}\{\mathbf{v}_2\},\quad \dots \]

와 같이 \(\mathcal{T}\)-불변성을 보존하며, \(\dim(U_i)=i\)가 되도록(보통 \(\mathbf{v}_2,\mathbf{v}_3,\dots\) 등 추가 벡터를 적당히 선택) 하면, 결국 \(\dim(V)=n\)까지 가는 과정에서, 행렬(또는 연산자) \(\mathcal{T}\)가 “차원 1씩 불변공간을 늘려나가며 차례대로 표현”될 수 있다는 구성을 말한다. 이러한 구조는 Jordan 표준형 등 더욱 정교한 분해의 전(前)단계로 해석할 수도 있다.

제 1 분해 정리의 증명 스케치
  1. 임의의 벡터 선택하기
    \(V\)에서 임의의 \(\mathbf{v}\neq 0\)를 잡는다. 이 벡터가 생성하는 1차원 부분공간 \(U_1=\mathrm{span}\{\mathbf{v}\}\)를 고려하면, 이것이 \(\mathcal{T}\)-불변이 아니더라도, \(\mathcal{T}(\mathbf{v})\)가 \(U_1\oplus \text{(추가 벡터)}\)로 표현될 수 있도록 벡터를 확장하여 더 큰 불변공간을 만든다.
  2. 차원 1씩 확장하기
    즉, \(\dim(U_i)=i\)인 단계에서 \(\mathcal{T}\)의 작용이 \(U_i\) 외부로 벡터를 내보내면, 그 외부 벡터를 새로 하나 추가하여 \(U_{i+1}\)를 만든다. 이때 \(\mathbf{v}_{i+1}\)를 적절히 선택하면 \(\mathcal{T}(U_i)\subset U_i \oplus \mathrm{span}\{\mathbf{v}_{i+1}\}\)가 보장되고, 그렇게 \(\mathcal{T}\)-불변성을 유지하면서 차원을 1씩 늘릴 수 있다.
  3. 최종적으로 전체 공간에 도달하기
    이 과정을 반복하면, \(\dim(V)=n\)에 도달할 때까지 모든 하위 불변공간을 만들어나가고, 그 결과 \(U_n=V\)가 된다. 이 직합(또는 계단식 확장) 과정을 “제 1 분해 정리”라 부른다. 정리된 공간 분해를 행렬 표현으로 옮기면, \(\mathcal{T}\)가 블록형태(삼각 혹은 근사삼각)로 나타나는 식의 귀납적 구성이 가능해진다.

결국, 제 1 분해 정리는 “임의의 선형연산자 \(\mathcal{T}\)가, 차원 1씩 불변공간을 순차적으로 찾으면서 전체 공간을 (직접합) 분해하는 것”을 가능케 한다. 불변부분공간(invariant subspace) 이론은 Jordan 표준형, 스펙트럼 해석과 같은 보다 정교한 분해를 준비하는 기초적 틀을 제공한다.

불변부분공간 관점에서의 설명

이 정리를 다른 시각으로 보면, 어떤 \(\mathbf{v}\neq 0\)를 택했을 때 \(\mathrm{span}\{\mathbf{v}\}\)가 \(\mathcal{T}\)-불변이 아니더라도, \(\mathcal{T}(\mathbf{v})\)와 \(\mathbf{v}\)가 생성하는 2차원 공간 \(\mathrm{span}\{\mathbf{v}, \mathcal{T}(\mathbf{v})\}\)가 또 불변이 아닐 수 있지만, 이를 적절히 고쳐 잡으면 2차원 불변공간을 만들 수 있다는 발상이다. 이렇게 1차, 2차, \(\dots\)단계별로 불변공간을 형성하면서 결국 전체 공간을 \(\dim(V)\)단계까지 분해한다. 이러한 반복적 기법은 “차원 1씩 쌓아 올리며, \(\mathcal{T}\)가 보존되는 부분공간을 만든다”는 생각을 구체화하며, 복잡한 선형변환을 여러 작은 블록으로 쪼개어 볼 수 있는 토대를 마련한다.

보기 1.

예를 들어, \(\mathbb{R}^3\)에서 행렬 \[A=\begin{pmatrix}1 & 1 & 0\\ 0 & 1 & 2\\ 0 & 0 & 3\end{pmatrix}\] 을 생각하자. 우선 \(\mathbf{v}_1=(1,0,0)\)를 택하여 1차원 공간 \(U_1 = \mathrm{span}\{\mathbf{v}_1\}\)을 얻는다. 그런데 \(A(\mathbf{v}_1)=(1,0,0)\)이 다시 \(\mathbf{v}_1\)에 속하므로, 사실 이 경우 이미 \(\mathrm{span}\{\mathbf{v}_1\}\)가 불변공간이다.

그러나 만약 다른 벡터로 시작해서 불변공간이 되지 않는다면, \(\mathbf{v}_2\)를 추가해 2차원 공간을 만들고, 그 범위에서 \(A\)를 적용해 다시 불변공간을 보존하는 식으로 차원을 확장한다. 결국 \(\dim(V)=3\)에 이르면 전체 공간을 덮는 구조가 확보되어, 이 분해에 따라 \(A\)를 블록 또는 삼각형태로 서술할 수 있다.

이처럼 제 1 분해 정리는 Jordan 표준형이나 고윳값 분해 등 더 정교한 구조를 논하기 전에도, “어떤 연산자가 스스로를 보존하는 작은 공간을 만들고, 이를 단계적으로 이어붙이면 전체를 모두 표현 가능하다”는 사실을 알려 준다.

제 2 분해 정리

제 2 분해 정리는 제 1 분해 정리에서 한 발짝 더 나아가, 선형연산자에 대한 보다 구체적이고 강력한 구조적 분해를 가능케 하는 결과이다. 이를 통해 \(\mathcal{T}\)가 만드는 불변부분공간을 “순환(cyclic) 구조”로 해석하고, 선형연산자의 작용을 더욱 효율적으로 기술할 수 있다. 예컨대 순환분해(cyclic decomposition)라 불리는 형태가 그 대표적 예이다.

순환부분공간과 순환분해

선형연산자 \(\mathcal{T}: V\to V\)가 주어졌을 때, 어떤 벡터 \(\mathbf{v}\neq0\)를 취하자. 이 벡터가 생성하는 “순환부분공간(cyclic subspace)”이란 다음과 같이 정의한다.

\[ Z(\mathbf{v}) = \mathrm{span}\{\mathbf{v}, \,\mathcal{T}(\mathbf{v}), \,\mathcal{T}^2(\mathbf{v}), \,\dots\}. \]

이는 \(\mathbf{v}\)를 반복해서 \(\mathcal{T}\)에 작용시킨 결과물로 생성되는 부분공간으로, \(\mathbf{v}\)가 “한 번의 적용으로 다음 벡터를, 그 다음 번으로 또 다른 벡터를…” 식으로 이어지는 사슬(chain)을 형성한다고 볼 수 있다. 이 과정을 “순환(cyclic) 방식으로 작동”한다고 하여 순환부분공간이라 부른다. 이런 관점은 Jordan 표준형에서도 \(\mathbf{v}, \mathcal{T}(\mathbf{v}), \dots\)가 Jordan 사슬을 이루는 것과 비슷한 아이디어를 제공한다.

제 2 분해 정리는 이러한 순환부분공간들이 직접합(direct sum) 형태로 \(V\)를 분해해 내는 강력한 결과를 말한다.

정리 1. (제 2 분해 정리)

유한차원 벡터공간 \(V\) 위의 선형연산자 \(\mathcal{T}\)에 대하여, 적절한 벡터들을 선택하면 \(V\)가 여러 개의 순환부분공간들의 직접합으로 분해될 수 있다. 즉, 어떤 \(\{\mathbf{v}_1, \ldots, \mathbf{v}_k\}\)을 택하면, 각 \(\mathbf{v}_i\)가 생성하는 순환부분공간 \(Z(\mathbf{v}_i)\)이 서로 교차하지 않고,

\[ V = Z(\mathbf{v}_1)\,\oplus\,Z(\mathbf{v}_2)\,\oplus \cdots \oplus\,Z(\mathbf{v}_k). \]

이로써 \(\mathcal{T}\)는 순환분해(cyclic decomposition)를 갖게 되며, 각 부분공간 안에서는 \(\mathbf{v}_i\) 하나만으로 \(\mathcal{T}\)의 작동이 충분히 생성됨을 알 수 있다.

증명 스케치

  1. 제 1 분해 정리와 유사한 귀납적 아이디어
    먼저 \(\mathbf{v}_1\neq 0\)를 택해, \(\mathbf{v}_1\)에서 시작하는 순환부분공간 \(Z(\mathbf{v}_1)\)을 정의한다. 만약 이 부분공간이 전체 \(V\)를 덮지 못한다면, 그 보충부분공간을 택해(직접합이 되도록) 새로운 벡터 \(\mathbf{v}_2\)를 해당 보충공간에서 골라, 다시 \(Z(\mathbf{v}_2 )\)를 생성한다. 이 과정을 귀납적으로 반복한다.
  2. 직접합 형성
    단계별로, 이미 생성된 순환부분공간들의 합에 들어있지 않은 벡터 \(\mathbf{v}_j\)를 추가로 골라서 \(Z(\mathbf{v}_j\)를 정의하면, 각 순환공간이 \(\mathcal{T}\)-불변성을 지니므로 상호독립한 구조를 유지한다. 그 결과, 교집합이 \(\{\mathbf{0}\}\)인 여러 순환부분공간이 점차 늘어나 \(V\) 전체를 메우게 된다.
  3. 유한차원 성질에 의한 과정 종료
    \(\dim(V)=n\)이므로, 유한번의 단계(최대 \(n\) 단계 이내)에 모든 벡터가 이미 존재하는 순환부분공간의 합 안에 포함됨을 알 수 있다. 이로써 \[ V = Z(\mathbf{v}_1)\,\oplus \cdots \oplus Z(\mathbf{v}_k) \] 같은 분해가 완성된다.

이 분해를 순환분해(cyclic decomposition)라고 부른다. 각 순환부분공간에서는 \(\mathbf{v}_i\) 하나로부터 \(\mathcal{T}^k(\mathbf{v}_i)\)들이 생성되는 구조가 행렬 블록으로 나타나면, 동반행렬 형태나 Jordan 사슬과 유사한 블록형 표현이 얻어진다. 이 관점은 최소다항식, Jordan 표준형, Frobenius 표준형 등 고급 선형대수 이론과 맞물려서, \(\mathcal{T}\)의 작용을 “순환하는 부분공간들의 모임”으로 완전히 해석하게 해 준다.

순환분해 정리와 순환부분공간 예시
  • 2차원에서의 예 \(\mathbb{R}^2\)에서 임의의 선형연산자 \(\mathcal{T}\)가 만약 1차원 순환공간만 생성한다면, 전체를 덮지 못한다. 그러나 \(\dim(V)=2\)라, 보충공간에서 새 벡터를 골라 2차원 순환공간을 만들 수도 있다. 결국 제 2 분해 정리는 “\(\mathcal{T}\)에 대한 순환 부분공간이 전공간을 커버하도록 두 개 이하(또는 하나)의 순환공간의 직접합으로 나타낼 수 있다”는 식의 설명을 가능케 한다.
  • 높은 차원에서의 예 정규행렬과 같은 특정 조건에서는 순환부분공간들이 서로 직교하거나, Jordan 사슬이 겹치지 않는 형태로 나타나며, 더욱 단순화된 분해를 가질 수 있다. 이는 Jordan 표준형, 유니터리 대각화 등과 관련된 이야기가 된다.

요컨대 제 2 분해 정리는 임의의 선형연산자가 여러 순환부분공간들의 직접합으로 분해될 수 있음을 보장하여, “벡터공간을 순환적으로 생성하는 구조”를 명시적으로 드러낸다. 이는 고차원 선형연산자에 대한 구체적 분석을 단순화해 주는 중요한 도구로서, Jordan 표준형이나 Frobenius 표준형, 최소다항식 등과 긴밀히 연결되어 다양한 선형대수학 문제에 응용된다.

Focus Mode