복소벡터공간
1. 복소 벡터공간
(1) 정의
복소수체 C에 대한 가군, 즉, 적당한 집합 V에 대해 벡터공간 (V, C, +, ·)을 복소벡터공간이라 한다.
또한 모든 복소 n-튜플 $(v_{1},v_{2},v_{3},…,v_{n})$ 의 집합을 복소 n-공간이라 하고
$C^{n}$으로 표시한다.
(2) 복소켤레
$C^{n}$의 임의의 벡터 $v = (v_{1},v_{2},…,v_{n})$
$= (a_{1}+b_{1}i+b_{2}i,…,a_{n}+b_{n}i)$
$= (a_{1},…,a_{n} + i(b_{1},…,b_{n})$
$= Re(v)+iIm(v)$
에 대하여 v의 복소켤레
$\overline{v} = ( \overline{v_{1}},\overline{v_{2}},…,\overline{v_{n}}) = Re(v)-iIm(v)$
ex 1) $v=(1+i, -i, 3,3i)$에 대하여 $Re(v), Im(v), \overline{v}$를 각각 구하시오.
Re(v) = (1,0,3,0)
Im(v) = (1,-1,0,3)
$\overline{v} = $ Re(v) - iIm(v) = (1-i,i,3,-3i)
ex 2) \(A = \begin{pmatrix} 1-i & 2i \\ -1 & 3+2i \\ \end{pmatrix}\)에 대하여 $\overline{A}, det(\overline{A})$를 각각 구하시오
\(\overline{A} = \begin{pmatrix} 1+i & -2i \\ -1 & 3-2i \\ \end{pmatrix}\)
$det(\overline{A})=(3-2i+3i+2)-(2i)=5-i$
(3) 대수적 성질
① $\mathbb{C}^{n}$의 벡터 u, v와 스칼라 k에 대해
1) $\overline{\overline{u}} = u$
2) $\overline{ku}=\overline{k}\overline{u}$
3) $\overline{u\pm v}=\overline{u}\pm\overline{v}$
② $m \times k$ 행렬 A와 $k \times n$행렬 B에 대해
1) $\overline{\overline{A}} = A$
2) $(\overline{A^{T}}) = (\overline{A})^{T}$
3) $\overline{AB}=\overline{A}\overline{B}$
2. 복소내적공간
(1) 정의
복소벡터공간 $(V, \mathbb{C}, +, \cdot )$의 두 벡터
$u = (u_{1},u_{2},…,u_{n}), v=(v_{1},v_{2},…,v_{n})$의 내적
\(\left< u,v \right> : V \times V \to \mathbb{C}\)은 \(\left< u,v \right> = u \cdot v = u_{1}\overline{v_{1}} + u_{2}\overline{v_{2}} + ... + u_{n}\overline{v_{n}}\) 로 정의한다.
또한 내적이 정의되어 있는 복소벡터공간을 복소내적공간이라 한다.
ex1)
v = (1,i)
\(\left\| v \right\| = \sqrt{(i,i)\cdot (i,-1)} = \sqrt{1+1} = \sqrt{2}\) ex2)
u=(i+i,2), v=(3-i,i)
\(\left< u,v \right> = u\cdot v = (1+i,2)\cdot (3+i-i) = 3+i+3i-1-2i = 2+2i\)
(2) 성질
복소내적공간의 세 벡터 u, v, w와 스칼라 k에 대해 다음 성질이 만족한다.
1) \(\left< u,v \right> = \overline{\left< v,u \right>}\)
2) \(\left< u+v, w \right> = \left< u,w \right> + \left< v,w \right>\)
\(\left< u, v+w \right> = \left< u,v \right> + \left< u,w \right>\)
3) \(\left< ku, v \right> = k\left< u,v \right>\)
\(\left< u, kv \right> = \overline{k}\left< u,v \right>\)
4) $v\neq \overrightarrow{0}$일 때 \(\left< v,v \right> > 0\)
3. 고윳값과 벡터
① 정의
복소정사각행렬 A에 대하여 고유방정식 $det(\lambda I-A) = 0$의 복소해 $\lambda$를 A의 복소고윳값이라 한다.
또한 $Av = \lambda v$를 만족시키는 모든 벡터 v의 집합을 A의 고유공간,
고유공간의 영벡터가 아닌 벡터를 A의 복소고유벡터라고 한다.
② 정리
$\lambda$가 실 정사각행렬 A의 고윳값이고 v는 이에 대응하는 고유벡터이면 $\overline{\lambda}$또한 A의
고윳값이며 $\overline{v}$는 이에 대응하는 고유벡터이다.
ex)
\(A=\begin{pmatrix} 2 & 1 \\ -5 & -2 \\ \end{pmatrix}\)
\(\Rightarrow det(\lambda I_{2}-A) = det\begin{pmatrix} \lambda-2 & -1 \\ 5 & \lambda+2 \\ \end{pmatrix} = \lambda^{2}-4+5=\lambda^{2}+1=0\)
$\therefore \lambda = -i, i$
if, $\lambda = i$일때 첨가행렬을 다음과 같이 둘 경우
\(\begin{pmatrix} i-2 & -1 & 0 \\ 5 & i+2 & 0 \\ \end{pmatrix}\)
위 아래에 (i+2)를 곱해 기약사다리꼴 행렬로 만들고 소거해주면
\(\begin{pmatrix} 1 & \frac{i+2}{5} & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ \end{pmatrix}\)
\(\therefore v = t\begin{pmatrix} -\frac{i+2}{5} \\ 1 \end{pmatrix}\)
따라서 고유공간은 \(\left\{ \left ( -\frac{i+2}{5},1 \right ) \right\}\)
고유벡터는 \(\left ( -\frac{i+2}{5}t,t \right )\)이고
t가 5일때 (-i-2,5)가 된다.
4. 유니터리 대각화
(1) 용어의 정의
① 켤레전치행렬
복소행렬 A의 전치행령을 구한 다음 각 성분을 켤레인 복소수로 바꾼 행렬 $A^{H}$를
A의 켤레전치행렬 또흔 에르미트 전치행렬이라 한다.
※ 스칼라 k와 $m \times r$ 행렬 A, $r \times n$행렬 B에 대하여
다음이 성립한다.
1) \(\left ( A^{H} \right )^{H} = A\)
2) \(\left ( A \pm B \right )^{H} = A^{H} \pm B^{H}\)
3) \(\left ( kA \right )^{H} = \overline{k} A^{H}\)
4) \(\left ( AB \right )^{H} = B^{H}A^{H}\)
② 에르미트행렬
$A = A^{H}$가 성립하는 복소정사각행렬 A를 에르미트 행렬이라 한다.
③ 유니터리행렬
복소정사각행렬 A의 역행렬 $A^{-1}$에 대하여 $A^{-1}=A^{H}$가 성립하는 행렬 A를
유니터리행렬이라 한다.
④ 정규행렬
$AA^{H} = A^{H}A$가 성립하는 복소정사각행렬 A를 정규행렬이라 한다.
에르미트행렬, 유니터리행렬등이 이에 해당한다.
(2) 유니터리 대각화
① 정의
$P^{H}AP=D$가 복소대각행렬이 되는 유니터리행렬 P가 존재하면 복소정사각행렬 A는 유니터리대각화 가능하다고 한다.
또한 이러한 임의의 행렬 P는 A를 유니터리 대각화한다고 한다.
② 정리
유니터리 대각화 가능한 행렬은 정규행렬이며, 그 역도 성립한다.
즉 정규행렬은 유니터리 대각화 가능하다.
③ 에르미트행렬 A의 유니터리 대각화 과정
Step 1.
A의 모든 고유공간의 기저를 구한다.
Step 2.
고유공간의 정규직교기저를 구한다.
Step 3.
기저벡터를 열벡터로 하는 행렬 P는 유니터리행렬이고, A를 대각화한다.
ex) 다음 행렬을 유니터리 대각화
\(A = \begin{pmatrix} 1 & 1+i \\ 1-i & 0 \\ \end{pmatrix}\)를 유니터리 대각화
1) 고윳값
\(det(\lambda I_{2}-A)=det\begin{pmatrix} \lambda-1 & -1-i \\ -1+i & \lambda \\ \end{pmatrix} = \lambda^{2}-\lambda-2=(\lambda+1)(\lambda-2)=0,\)
$\therefore \lambda = -1,2$
2) $\lambda = -1$일때 고유벡터 구하기 및 정규화하기
\(\begin{pmatrix} -2 & -1-i & 0 \\ -1+i & -1 & 0 \\ \end{pmatrix} \Rightarrow \begin{pmatrix} 1 & \frac{1+i}{2}& 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ \end{pmatrix}\)
$v=(-\frac{1+i}{2}t,t)$
if t=-2면, (1+t,-2)
$\left| v_{1} \right| = \sqrt{(1+i,-2)\cdot (1-i,-2)} = \sqrt{6}$
$\therefore (\frac{1+i}{\sqrt{6}},-\frac{2}{\sqrt{6}})$
3) $\lambda = 2$일때 고유벡터 구하기 및 정규화하기
\(\begin{pmatrix} -2 & -1-i & 0 \\ -1+i & 2 & 0 \\ \end{pmatrix} \Rightarrow \begin{pmatrix} 1 & -1-i& 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ \end{pmatrix},\)
$\therefore v=((1+i)t,t)$
if t=1이면, (1+i,1)
$\left| v_{2} \right| = \sqrt{(1+i,1)\cdot (1-i,1)} = \sqrt{3}$
$\therefore (\frac{1+i}{\sqrt{3}},\frac{1}{\sqrt{3}})$
4) P를 구하고 $D=P^{H}AP$식으로 D 구하기
\(P = \begin{pmatrix} \frac{1+i}{\sqrt{6}} & \frac{1+i}{\sqrt{3}} \\ -\frac{2}{\sqrt{6}} & \frac{1}{\sqrt{3}} \\ \end{pmatrix}\)
\(P^{H}= \begin{pmatrix} \frac{1-i}{\sqrt{6}} & -\frac{2}{\sqrt{6}} \\ \frac{1-i}{\sqrt{3}} & \frac{1}{\sqrt{3}} \\ \end{pmatrix}\)
\(D = P^{H}AP= \begin{pmatrix} -1 & 0 \\ 0 & 2 \\ \end{pmatrix}\)