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
- 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. - 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. - 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
- 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. - 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. - 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.
