2021년 3월 31일 수요일

행렬(4) 케일리-해밀턴 정리




케일리-해밀턴 정리
Cayley-Hamilton theorem


"행렬의 거듭제곱을 아주 쉽게 구할 수 있어요"
" the easiest way
to find powers of a matrix "








케일리-해밀턴 정리가 표준 교과의 범위를 벗어난다는 이유로, 최근 들어서는 행렬의 거듭제곱유형 문제들은 행렬을 n = 부터 하나씩 계산해  규칙성을 찾아내는 방식으로  많이 출제되고 있습니다.


그럼에도 불구하고, 아직도 많은 기출문제 유형에서 행렬의 거듭제곱 계산을 편리하게   있도록 방법으로 케일리-해밀턴 정리가 활용되고 있습니다.              


 원리를 이용한 유형은 대부분 곱셈공식이나 인수분해가 가능한 문제들로혼합 연계된 형태로 자주 출제되고 있고, 앞으로 배우게  역행렬의 연계형 문제에서도 자주 활용되니까확실하게 이해하고 외워 두는 것이 유리합니다.


현재 고 1부터는 이 [행렬단원을 개정된 표준교과에 따라배우지 않습니다만심화유형의 수열이나 벡터에서는 행렬의 기본개념이 필요하다는 점도 알아 두기 바랍니다.

 [행렬단원은 구 고등과정 교과표준에 따라 (2×2) 행렬을 기준으로 설명합니다.

  




               






행렬 A = [ a b ]  일 때아래의 식 값을 한 번 계산해 볼까요?
               c d ]


A2 – (a + d) A + (ad – bc) E


a b ] * a b ] – (a + d) a b ] + (ad – bc) [ 1 0 ]
c d ]   c d ]               c d ]                   [ 0 1 ]


= [ a2+bc  ab+bd ] – (a + d) a b ]  + (ad – bc) [ 1 0 ]
   [ ca+dc   cb+d2 ]              c d ]                    [ 0 1 ]


= [ a2+bc  ab+bd ] – a2+da  ab+db ] + [ adbc       0 ]
   [ ca+dc   cb+d2 ]   ac+dc   ad+d]    [ 0       adbc ]


= [ a2+bca2da+adbc      ab+bdabdb+0 ]
   [ ca+dcacdc+0       cb+d2add2+adbc ]


= [ 0  0 ]
   [ 0  0 ]

 = O




위의 결과인 A2 – (a + d) A + (ad – bc) E = O 을 '케일리-해밀턴 정리라고 하고행렬의 거듭제곱 계산에서 매우 편리하게 활용됩니다.


참고로우리나라에서는 (2 x 2) 의 단위행렬을 ‘E’ 라고 표현하지만영미권 국가에서는 ‘I2‘ 라고 표현합니다.





예를 들어행렬 A = [ 1  2 ] 일 때, A4 의 값을 한번 계산해 볼까요?
                                [ 3  4 ]



케일리-해밀턴의 식, A2 – 5A – 2E = O 을 이용해서 아래와 같이 한 단계씩 차수를 낮추어 나가면 됩니다.


A4

= (A2)2

= (5A + 2E)2

= 25A2 + 20A + 4E

= 25(5A + 2E) + 20A + 4E

= 145A + 54E


= 145 * [ 1  2 ] + 54 * [ 1  0 ] 
           [ 3  4 ]           [ 0  1 ]

= [ 199   290 ]
   [ 435   634 ]





비슷한 연습 문제를 하나 더 풀어 볼까요?



A = [ 1  0 ] 라고 할 때, A4 – 2A3 + 3A2 + A 를 와 만으로 간단하게 표현하여라.
      [ 3  2 ]





(1) 우선케일리-해밀턴 정리를 이용하면, A2 = 3A – 2E 이니까, 이를 이용하면 차수를 하나씩 낮추어 나갈 수 있겠지요?


A4 – 2A3 + 3A2 + A

= (3A – 2E) 2 – 2A(3A – 2E) + 3(3A – 2E) + A

= 3A2 + 2A – 2E

= 3(3A – 2E) + 2A – 2E

= 11A – 8E





               




이번에는삼차방정식 x3 = 1 의 성질과 매우 유사한행렬 방정식의 유형을 살펴 보도록 합니다.



여기서 잠깐가장 간단한 삼차방정식 x3 – 1 = 0  복습해 보도록 할까요?


(1) 우선삼차방정식의 좌변을 인수분해하는 것이 좋겠지요아래의 인수분해 공식에서 a  b 대신에 x  1  각각 대입하면,

a3 – b3 = (a – b)(a2 + ab + b2)

x3 – 1 = (x – 1)(x2 + x + 1)



이제삼차방정식의 좌변이 인수분해 되니까근의 공식을 이용해서 쉽게 해를 구할 수 있습니다.

x3 = 1

x3 – 1 = (x – 1)(x2 + x + 1) = 0

∴   (a)  x – 1 = 0    or    (b)  x2 + x + 1 = 0



(2) 따라서(a) x – 1 = 0 식에서 실근인 x = 1 이 구해지고(b) x2 + x + 1 = 0 에서 개의 허근 합하여모두  개의 해를 구해낼  있습니다.


= {–1+(1– 4)}/2 = (–1+√3i )/2 ω

or

= {–1(1– 4)}/2 = (–1√3i )/2 ω* (ω bar)




(3) 이 때ω 와 ω* 는 x3 – 1 = 0 이라는 삼차 방정식의 해이기도 하니까,

ω3 = (ω*)3 = 1





바로 이러한 원리로x2 + x + 1 = 0 이라는 식이 주어졌다면x3 = 1 도 성립합니다.

마찬가지로x2 – x + 1 = 0 이라는 식이 주어졌다면x3 = – 1 도 만족해야 합니다.

워낙 고등수학 전반에서 자주 등장하는 중요한 성질이니까반드시 외워두기 바랍니다.




               




와 로만 이루어진 행렬식에서는실수에서 배운 곱셈공식과 인수분해 공식이 그대로 적용되니까위에서 복습했던 삼차방정식 x3 = 1 의 성질도 그대로 활용됩니다.


행렬에서는실수에서의 과 같은 곱셈의 항등원이 가 되니까위에서 복습했던 내용을 아래와 같이 행렬의 공식으로 바꿀 수 있습니다.





(1) if A2 + A + E = O,       then   A3 = E

(2) if A2 – A + E = O,     then   A3 = – E







자 그럼관련된 예제를 한 번 풀어 볼까요?




A = [  1    1 ] 라 할 때,
   [ –1   0 ]           

 A1000 + A999 + A998 + A997 를 구하여라.




(1) 우선케일리-해밀턴 정리를 적용하면, A2 – A + E = O 이니까,
 앞에서 공부하고 정리했던 대로 A3 = – E



(2) 대입해서 계산하면, A999 = (A3) 333 = – E 가 되니까준식에 대입하면,

A1000 + A999 + A998 + A997

= – A – E + A2 + A



(3) 그런데, A2 – A + E = O 라고 했으니까,

= – A – E + (A – E) + A

= A – 2E

   따라서답은  [ –1    1 ]
                        [ –1   –2 ]   





위의 공식들은 앞으로 배우게 될 역행렬에서도 자주 등장하는 매우 중요한 내용이니까확실하게 이해해 두고반드시 외워 두기 바랍니다.

케일리-해밀턴 정리의 역은 심화 개념이므로, 다음에 별도로 설명합니다.




               

영어번역을 함께 보시려면, 아래의 링크를 눌러주세요.

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