직교행렬(Orthogonal Matrix) 내적공간에서 벡터의 길이와 각도를 보존하는 선형변환은 정규직교 기저를 이용하여 표현할 수 있다. 이러한 선형변환을 나타내는 행렬 중, 특히 내적을 보존하는 행렬을 직교행렬이라 한다. 직교행렬은 기저 변환 시 내적과 노름, 거리 등의 기하학적 성질을 그대로 유지하는 중요한 역할을 한다. 정의 1. (직교행렬) 실수체 \(\mathbb{R}\) 위의 \(n\times n\) 행렬 \(Q\)가 …

알고리즘의 단계적 설명 그람–슈미트(Gram–Schmidt) 과정은 내적공간에서 주어진 일차독립 벡터 집합으로부터, 동일한 부분공간을 생성하면서 서로 직교하는 벡터 집합(또는 정규직교 기저)을 구성하는 알고리즘이다. 이 과정은 각 단계마다 이전에 구한 직교 벡터들에 대한 정사영(projection)을 빼어 새로운 벡터가 기존 벡터들과 직교하도록 만드는 방식으로 진행된다. 주어진 일차독립 벡터 집합을 \(B = \{\mathbf{v}_1, \mathbf{v}_2, \dots, \mathbf{v}_n\}\)이라 …

직교기저와 직교정규기저 내적공간에서 벡터들 사이에 내적이 0인 경우, 두 벡터는 서로 직교한다고 한다. 이러한 성질을 활용하여 내적공간의 기저를 구성하면, 각 기저 벡터들이 서로 직교하는 성질을 지니게 되어 계산이 단순해지고, 기하학적 해석이 용이해진다. 만약 각 기저 벡터의 노름이 1로 정규화되어 있다면, 이를 정규직교(orthonormal) 기저라고 하며, 이는 특히 선형변환의 행렬 표현이나 함수 …

노름의 정의 내적공간이나 더 일반적인 벡터공간에서, 벡터의 ‘길이’를 정의하기 위해 노름(norm)이라는 연산을 사용한다. 노름은 공간에 기하학적 구조(거리, 각도 등)를 부여하는 핵심적인 개념이다. 이 절에서는 노름의 공리적 정의와, 그로부터 유도되는 가장 중요한 성질인 삼각부등식을 살펴본다. 정의 1. (노름, Norm) 체 \(\mathbf{F}=\mathbb{R}\) (또는 \(\mathbb{C}\)) 위의 벡터공간 \(V\)에서 함수 \(\|\cdot\|: V \to \mathbb{R}\)가 …

내적공간의 정의 벡터공간에서 길이(length)와 각도(angle)에 대한 개념을 더 풍부하게 다루기 위해서는, 벡터들 사이에 내적(inner product)이라는 연산을 정의할 수 있어야 한다. 내적을 통해 벡터공간의 원소들이 서로 얼마나 “가깝거나 멀리” 위치하는지, 혹은 서로 “직교(orthogonal)하는지”를 수량화할 수 있다. 이 절에서는 내적이 만족해야 하는 기본 공리들을 살펴보고, 이를 바탕으로 한 내적공간의 정의를 제시한다. 정의 …

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 …

복소 고윳값을 갖는 행렬 지금까지는 실수 범위에서 고윳값(eigenvalue)이 잘 나오거나, 복소수를 언급하더라도 그 해석이 크게 다르지 않은 상황을 주로 살펴보았다. 그러나 실제로는 실수 행렬이 복소수 범위로 확장했을 때만 고윳값을 전부 갖는 경우가 많으며, 그 고윳값들이 실수가 아니더라도 Jordan 표준형을 정의할 수 있다. 이 섹션에서는 “복소 고윳값을 갖는 실수 행렬”을 예로 …

Jordan 형태로의 구체적 알고리즘 이전까지 살펴본 Jordan 표준형의 존재 정리와 이론적 배경은, “임의의 복소행렬을 유사변환을 통해 Jordan 블록들의 대각 형태(상삼각)로 만들 수 있다”는 것을 알려준다. 이번 섹션에서는 실제 계산 관점에서, “어떻게 Jordan 표준형을 찾아가는가?”를 단계적으로 정리해 본다. 이는 Jordan 형태로의 변환 과정 혹은 Jordan 정규형 알고리즘이라 부를 수 있다. Jordan …

Jordan 블록 행렬이 대각화 가능하지 않을 때, 그 대안으로 Jordan 표준형(Jordan normal form)이 등장한다. 이는 행렬을 대각행렬에 ‘가장 근접한’ 형태로 만들어 주는 일반적 방법이다. 그 핵심 구성요소가 Jordan 블록(Jordan block)이다. Jordan 블록은 “중복도가 2 이상인 고윳값을 갖지만, 고유벡터가 생성하는 공간이 충분히 크지 않은” 상황을 처리하기 위한 특별한 상삼각행렬로 이해할 수 …

인공지능과 신체 교체 시대의 교육철학 요약 서론 2024년까지의 전통 교육철학 AI 등장기(2024~2030) – ‘예비역량기’ 기술 통합기(2031~2040) – ‘AI-신체 융합기’ 인간 재정의기(2041~2051) – ‘인간 정체성 재구축기’ 미래 교육철학 방향과 학교 역할 사회적 준비와 제언 결론 인공지능과 신체 교체 시대의 교육철학: 2024년부터 2051년까지의 변화와 과제 류유나(교신저자), 김명주, 장혜령 요약 본 연구는 2024년부터 …

케일리-해밀턴 정리 케일리-해밀턴 정리는 행렬의 고윳값과 특성다항식이 밀접하게 연관되어 있음을 강력하게 보여 주는 결과로, “어떤 행렬의 특성다항식이 행렬 자체에 대해서도 성립한다”는 내용을 담고 있다. 이를 통해 행렬에 대한 고차 다항식 분석, 최소다항식(minimal polynomial) 연구, Jordan 표준형 등의 이론이 깔끔하게 전개될 수 있다. 행렬다항식의 개념 행렬다항식(matrix polynomial)이란, 스칼라 변수 \(\lambda\) 대신 …

선형시스템 해석 고윳값(eigenvalue)과 고유벡터(eigenvector)의 개념은 다양한 선형시스템을 해석하는 데 핵심적인 도구가 된다. 예를 들어, 연립일차방정식, 선형미분방정식, 선형동역학 등에서 ‘행렬과 그 고윳값’을 분석하여 시스템의 거동(steady state, 안정성, 주기성 등)을 손쉽게 파악할 수 있다. 이 섹션에서는 그러한 선형시스템 해석에서 고윳값이 어떻게 쓰이는지 대표적으로 살펴본다. 1. 연립일차방정식의 해석 가장 간단한 예로, 연립방정식 \(A\mathbf{x}=\mathbf{b}\)가 …