벡터와 행렬의 도함수 표
📂다변수벡터해석벡터와 행렬의 도함수 표
스칼라 함수의 그래디언트
스칼라 함수 f:Rn→R의 그래디언트는 다음과 같다.
∂x∂f(x):=∇f(x)=[∂x1∂f(x)∂x2∂f(x)⋯∂xn∂f(x)]T
여기서 ∂xi∂f(x)는 f의 xi에 대한 편도함수이다.
내적
고정된 w∈Rn에 대해서, f(x)=⟨w,x⟩=wTx라고 하면,
∂x∂f(x)=∂x∂(wTx)=∂x∂(xTw)=w
놈
f(x)=∥x∥2=xTx이라 하면,
∇f(x)=∂x∂∥x∥2=2x
n×n 행렬 R에 대해서, f(x)=xTRx라 하면,
∂x∂f(x)=∂x∂(xRx)=(R+RT)x
증명
내적
∂x∂f(x)=∂x∂(wTx)=[∂x1∂(∑i=1nwixi)∂x2∂(∑i=1nwixi)⋯∂xn∂(∑i=1nwixi)]T=[w1w2⋯wn]T=w
또한 wTx=xTw이므로,
∂x∂xTw=w
■
놈
내적에 대한 증명과 마찬가지로,
∂x∂f(x)=∂x∂(xTx)=[∂x1∂(∑i=1nxixi)∂x2∂(∑i=1nxixi)⋯∂xn∂(∑i=1nxixi)]T=[∂x1∂(∑i=1nxi2)∂x2∂(∑i=1nxi2)⋯∂xn∂(∑i=1nxi2)]T=[2x12x2⋯2xn]T=2x
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이차형식
미분 계산이 쉽도록 먼저 계산을 다음과 같이 해준다. 임의의 k∈{1,…,n}에 대해서 다음의 식을 얻는다.
f(x)=xTRx=j=1∑nxji=1∑nrjixi=xki=1∑nrkixi+j=k∑xji=1∑nrjixi=xkrkkxk+i=k∑rkixi+j=k∑xjrjkxk+i=k∑rjixi=xk2rkk+xki=k∑rkixi+j=k∑xjrjkxk+j=k∑i=k∑xjrjixi
∂xk∂f(x)를 계산하면 다음과 같다.
∂xk∂f(x)=∂xk∂xk2rkk+xki=k∑rkixi+j=k∑xjrjkxk+j=k∑i=k∑xjrjixi=2wkrkk+i=k∑rkixi+j=k∑xjrjk=i=1∑nrkixi+j=1∑nrjkxj
따라서 f의 그래디언트를 계산하면 다음과 같다.
∂x∂f(x)=∂x∂(xTRx)=[∂x1∂f(x)∂x2∂f(x)…∂xn∂f(x)]T=∑i=1nr1ixi+∑j=1nrj1xj∑i=1nr2ixi+∑j=1nrj2xj⋮∑i=1nrnixi+∑j=1nrjnxj=∑i=1nr1ixi∑i=1nr2ixi⋮∑i=1nrnixi+∑j=1nrj1xj∑j=1nrj2xj⋮∑j=1nrjnxj=Rx+RTx=(R+RT)x
행렬-벡터 곱
X∈Mn×n, y∈Mn×1에 대해서,
Xy=∑i=1nx1iyi∑i=1nx2iyi⋮∑i=1nxniyi,XTy=∑i=1nxi1yi∑i=1nxi2yi⋮∑i=1nxinyi
만약 R이 대칭행렬이면,
∂x∂(xTRx)=2Rx