행렬

수학에서 행렬(行列, )은 수 또는 다항식 등을 직사각형 모양으로 배열한 것이다. 예를 들어, 실수 1, 9, −13, 20, 5, −16을 2×3 직사각형 위에 배열한 행렬은 다음과 같다.
행렬에는 덧셈과 스칼라배, 곱셈 연산이 존재한다. 크기가 같은 두 행렬은 같은 위치의 성분별로 더할 수 있으며, 첫째 행렬의 열과 둘째 행렬의 행의 수가 같은 두 행렬은 첫째 행렬의 각 행벡터와 둘째 행렬의 각 열벡터의 스칼라곱을 통해 곱할 수 있다. 곱셈의 교환 법칙이나 소거 법칙 등 복소수의 일부 성질들은 행렬 연산에서 더 이상 성립하지 않는다. 가환환 위의 유한 차원 자유 가군(특히, 체 위의 유한 차원 벡터 공간)의 선형 변환을 행렬로 유일하게 표현할 수 있으며, 이는 행렬의 중요한 응용이다. 예를 들어, 3차원 유클리드 공간의 회전은 회전 행렬 formula_2을 각 열벡터 formula_3에 곱하여 새 열벡터 formula_4를 얻는 함수이다. 행렬의 덧셈과 스칼라배는 선형 변환의 점별 덧셈과 점별 스칼라배, 행렬의 곱셈은 선형 변환의 합성에 대응한다. 행렬은 가우스 소거법 등 연립 일차 방정식의 풀이에도 응용된다. 정사각 행렬과 그 선형 변환의 일부 성질들은 그 행렬식 또는 고윳값과 고유 벡터에서 반영된다. 예를 들어, 가환환의 원소를 성분으로 하는 행렬이 역행렬을 가질 필요 충분 조건은 행렬식이 가역원인 것이며, 특히 체의 경우 필요 충분 조건은 행렬식이 0이 아닌 것이다.
행렬은 과학과 수학의 수많은 분야에서 다양한 응용이 있다. 물리학의 전기 회로 이론, 고전역학, 광학, 전자기학, 양자역학, 양자 전기역학 등 분야에서 응용되며, 컴퓨터 그래픽스에서 3차원 이미지를 2차원 평면에 투영하거나 사실적인 움직임을 그려내기 위해 사용한다. 확률론과 통계학의 마르코프 행렬과 다변수 미적분학의 헤세 행렬 등 역시 행렬의 응용이다. 행렬 계산은 수치해석학의 중요한 문제 중 하나이다. 행렬 분해는 행렬 계산을 이론과 실제 응용에서 모두 단순화할 수 있다. 희소행렬, 띠행렬 등 널리 사용되는 특수한 구조의 행렬들의 경우 특화된 고속 알고리즘들이 존재한다. 천체물리학과 양자물리학 등 분야에서는 무한 행렬도 등장한다.
정의.
환 formula_2 위의 formula_6 행렬은 각 행 formula_7 및 열 formula_8의 순서쌍 formula_9에 환의 원소 formula_10를 대응시키는 함수 formula_11이다.
행렬 formula_12는 모든 성분을 직사각형으로 배열한 다음 소괄호 또는 대괄호를 추가하여
또는
와 같이 표기한다.
각 formula_15를 formula_12의 formula_17번째 행 formula_18번째 열의 성분(成分, ) 또는 원소(元素, ) 또는 계수(係數, )라고 한다. 행렬 formula_12의 각 성분은 행과 열의 번째수를 첨수로 사용하여 formula_15, formula_21, formula_22, formula_23, formula_24, formula_25 등과 같이 나타낸다. 행과 열의 번째수가 같은 성분 formula_26 (formula_27)을 formula_12의 대각 성분(對角成分, ) 또는 대각 원소(對角元素, ) 또는 대각 요소(對角要素) 또는 주대각선 성분이라고 한다.
환 formula_2 위의 formula_6 행렬의 집합은 formula_31 또는 formula_32로 표기한다.
크기.
행렬 formula_12의 크기()는 행과 열의 수의 순서쌍 formula_34 또는 formula_6을 뜻한다. 일부 특수한 크기의 행렬들은 특별한 이름으로 불린다.
특히, 행렬 formula_12의 formula_17번째 행벡터와 formula_18번째 열벡터는 각각
와
이며, 이를 통해 행렬을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
연산.
행렬들에 대하여 덧셈, 스칼라배, 곱셈, 전치 행렬 등의 연산을 정의할 수 있으며, 정사각 행렬은 역행렬, 대각합, 행렬식 등 연산이 추가로 정의된다. 덧셈은 같은 크기의 두 행렬에 대해서만 정의되며, 곱셈은 오직 첫 번째 행렬의 열의 수와 두 번째 행렬의 행의 수가 같은 경우에만 정의된다. 역행렬은 가역 정사각 행렬에 대하여 정의되며, 행렬식은 가환환 위의 정사각 행렬에 대하여 정의된다.
덧셈과 스칼라배.
환 formula_2 위의 두 formula_6의 행렬 formula_56의 합 formula_57은 두 행렬을 성분별로 합한 formula_6 행렬이다. 즉, 각 행과 열 formula_17, formula_18에 대하여,
이다.
실수 행렬의 예는 다음과 같다.
환 formula_2 위의 formula_6의 행렬 formula_65 및 환의 원소 formula_66에 대하여, 왼쪽·오른쪽 스칼라배 formula_67는 각각 행렬의 각 성분의 왼쪽·오른쪽에 스칼라를 곱한 formula_6 행렬이다.
만약 formula_2가 가환환일 경우, 이 두 연산은 일치하며, 이를 스칼라배라고 부른다.
실수 행렬의 예는 다음과 같다.
환 formula_2 위의 formula_6 행렬의 집합 formula_31은 위 덧셈과 왼쪽·오른쪽 스칼라배에 따라 formula_76-쌍가군을 이룬다. 만약 formula_2가 가환환일 경우, 이는 (덧셈과 스칼라배에 따른) formula_2-가군이 되며, 특히 만약 formula_2가 체일 경우 formula_2-벡터 공간이다. 이 쌍가군의 덧셈 항등원은 영행렬(즉, 모든 성분이 0인 행렬)
이며, 각 행렬 formula_65의 덧셈 역원은 성분별 덧셈 역원
이다.
특히, 두 행렬 formula_56의 차를 다음과 같이 정의할 수 있다.
환 formula_2 위의 formula_6 행렬의 formula_76-쌍가군 formula_56는 왼쪽 가군으로서 formula_91차원 왼쪽 자유 가군을 이루며, 오른쪽 가군으로서 formula_91차원 오른쪽 자유 가군을 이룬다. formula_2가 가환환일 경우 formula_91차원 자유 formula_2-가군이다. 그 한 기저는 다음과 같다.
곱셈.
환 formula_2 위의 formula_6 행렬 formula_65와 formula_103 행렬 formula_104의 곱 formula_105는 formula_106 행렬이며, 그 formula_17번째 행 formula_18번째 열 성분은 formula_12의 formula_17번째 행벡터와 formula_111의 formula_18번째 열벡터의 ‘스칼라곱’이다 (둘 모두 formula_113차원 벡터이므로 ‘스칼라곱’이 정의된다).
다음은 실수 행렬의 예다.
행벡터와 열벡터
를 통해 행렬 곱셈을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
행렬 곱셈은 결합 법칙을 만족시킨다. 즉, 환 formula_2 위의 임의의 formula_6 행렬 formula_65 및 formula_103 행렬 formula_104 및 formula_124 행렬 formula_125에 대하여,
가 성립한다.
행렬 곱셈은 함수
로서 formula_76-쌍선형 함수를 이룬다.
특히, 환 formula_2 위의 정사각 행렬들의 formula_76-쌍가군 formula_40는 그 위의 행렬 곱셈에 따라 formula_2-결합 대수를 이룬다. 특히 환을 이루며, 행렬환(行列環, )이라고 한다. 행렬환의 곱셈 항등원은 단위 행렬(즉, 모든 대각 성분이 1, 그 밖의 성분이 0인 행렬)
이다.
교환 법칙과 소거 법칙의 실패.
행렬환은 일반적으로 가환환이 아니다. 즉, 행렬 곱셈의 교환 법칙은 (체의 경우에도) 일반적으로 성립하지 않는다. 예를 들어, 실수 2×2 행렬의 경우
이지만
이다.
물론 가환하는 두 행렬도 존재한다. 예를 들어, 가환환 위의 스칼라 행렬은 (같은 크기의) 모든 행렬과 가환한다. 또한, 가환환 formula_2 및 정사각 행렬 formula_137에 대하여,
는 가환환이다.
행렬환은 일반적으로 0이 아닌 왼쪽·오른쪽 영인자를 갖는다. 즉, 0이 아닌 두 행렬의 곱은 0일 수 있으며, 소거 법칙이 일반적으로 성립하지 않는다. 예를 들어, 실수 행렬에서
이다.
역행렬.
행렬환 formula_40의 가역원은 가역 행렬이라고 하며, 그 곱셈 역원은 역행렬이라고 한다. 일반적으로 행렬환은 (체 위에서도) 0이 아닌 비가역 행렬을 갖는다. 예를 들어, 실수 2×2 정사각 행렬
은 가역 행렬이 아니다.
만약 formula_2가 가환환일 경우, 가역 행렬은 행렬식이 환의 가역원인 것과 동치이며, 특히 체의 경우 행렬식이 0이 아닌 것과 동치이다. 또한, 가역 행렬 formula_143의 역행렬은 행렬식과 수반 행렬을 통하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
전치 행렬.
환 formula_2 위의 formula_6 행렬 formula_65의 전치 행렬 formula_148는 행과 열을 교환한 formula_149 행렬이다. 즉, 각 formula_150 및 formula_151에 대하여,
이다.
다음은 실수 행렬의 예다.
이다.
전치 행렬은 함수
로서 formula_76-쌍가군 동형을 이루며, 그 역함수 또한 (정의역과 공역이 뒤바뀐) 전치 행렬이다.
또한, 임의의 formula_6 행렬 formula_65 및 formula_103 행렬 formula_104에 대하여,
이다.
특히, 환 formula_2 위의 정사각 행렬의 formula_2-결합 대수 formula_40 위에서, 전치 행렬은 formula_40와 그 반대환 formula_165 사이의 대합 formula_2-결합 대수 동형이며, 만약 formula_2가 가환환일 경우 formula_40는 전치 행렬에 따라 formula_2-대합 대수를 이룬다.
대각합.
환 formula_2 위의 formula_39 정사각 행렬 formula_137의 대각합은 모든 대각 성분들의 합이다.
대각합
는 formula_76-선형 변환을 이룬다. 또한, 임의의 formula_137에 대하여, 그 대각합은 그 전치 행렬의 대각합과 같다.
만약 formula_2가 가환환일 경우, 임의의 두 행렬 formula_179에 대하여, 두 행렬의 곱의 대각합은 곱하는 순서와 무관하게 같다.
행렬식.
가환환 formula_2 위의 formula_39 정사각 행렬 formula_137의 행렬식은 다음과 같다.
여기서 formula_185은 대칭군이며, formula_186는 순열의 부호이다. 행렬 formula_12의 행렬식은 formula_188, formula_189, formula_190 등으로 표기한다. 특히, 2×2 행렬 formula_191의 행렬식은 다음과 같다.
행렬식은 formula_113개의 행벡터(또는 열벡터)의 함수
로서, 단위 행렬의 상이 1인 유일한 formula_2-교대 다중 선형 형식이다. 또한, 행렬식은 두 환의 곱셈 모노이드 사이의 준동형이며, 전치 행렬에 대하여 불변이다. 즉, 임의의 formula_179에 대하여,
이다.
행렬식은 크라메르 공식에서 사용된다.
부분 행렬과 소행렬식.
환 formula_2 위의 formula_6 행렬 formula_65의, 행과 열의 집합
에 속하는 행과 열을 취한 부분 행렬은 다음과 같다.
특히,
가환환 위의 행렬의 부분 정사각 행렬의 행렬식을 소행렬식이라고 한다.
예.
몇몇 특수한 행렬들은 다음이 있다.
역사와 어원.
1848년 수학에 처음으로 실베스터가 사용한 행렬(matrix)이라는 단어의 어원은 해부학에서 자궁(子宮,모체母體)을 뜻한다. 행렬식에 대해서 행렬의 의미를 표현한 것으로 전해진다.