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부분공간의 기저로부터 확장된 기저에 대한 선형변환의 행렬표현 📂선형대수

부분공간의 기저로부터 확장된 기저에 대한 선형변환의 행렬표현

정리

WVW \le Vnn차원 벡터공간 VV의 부분공간이라고 하자. γ={v1,,vk}\gamma = \left\{ \mathbf{v}_{1}, \dots ,\mathbf{v}_{k} \right\}WW순서기저라고 하자. β={v1,,vk,vk+1,vn}\beta = \left\{ \mathbf{v}_{1}, \dots, \mathbf{v}_{k}, \mathbf{v}_{k+1}, \dots \mathbf{v}_{n} \right\}γ\gamma로부터 확장된 VV의 기저라고 하자. T:VVT : V \to V를 선형변환이라고 하자. 그러면 β\beta에 대한 TT행렬표현은 다음과 같은 블록행렬이다.

[T]β=[A1A2OA3] \begin{bmatrix} T \end{bmatrix}_{\beta} = \begin{bmatrix} A_{1} & A_{2} \\ O & A_{3} \end{bmatrix}

이때 A1=[TW]γA_{1} = \begin{bmatrix} T|_{W} \end{bmatrix}_{\gamma}이고, TW:WWT|_{W} : W \to W축소사상, A2A_{2}k×nkk \times n-k 행렬, A3A_{3}nk×nkn-k \times n-k행렬, OOnk×kn-k \times k 영행렬이다.

증명

TW:WWT|_{W} : W \to W축소사상이라고 하자. [T]β=[tij]\begin{bmatrix} T \end{bmatrix}_{\beta} = [t_{ij}]라고 하자.

[T]β=[t11t12t1nt21t22t2ntn1tn2tnn] \begin{align*} \begin{bmatrix} T \end{bmatrix}_{\beta} = \begin{bmatrix} t_{11} & t_{12} & \cdots & t_{1n} \\ t_{21} & t_{22} & \cdots & t_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ t_{n1} & t_{n2} & \cdots & t_{nn} \end{bmatrix} \end{align*}

행렬표현을 찾기 위해서는 기저의 원소가 어떻게 매핑되는지를 알면 된다. 다시말해 [T]β\begin{bmatrix} T \end{bmatrix}_{\beta}의 첫번째 열의 성분 ti1t_{i1}Tv1T\mathbf{v}_{1}β\beta의 선형결합으로 나타냈을 때 vi\mathbf{v}_{i}의 계수와 같다. 그런데 Tv1=TWv1T \mathbf{v}_{1} = T|_{W}\mathbf{v}_{1}이므로,

i=1nai1vi=Tv1=TWv1=i=1kai1vi \sum_{i=1}^{n} a_{i1} \mathbf{v}_{i} = T\mathbf{v}_{1} = T|_{W}\mathbf{v}_{1} = \sum_{i=1}^{k} a_{i1} \mathbf{v}_{i}

따라서 ak+1=ak+2==an=0a_{k+1} = a_{k+2} = \cdots = a_{n} = 0이다. 그러므로 1ik1\le i \le k일 때 ti1=ai1t_{i1} = a_{i1}이고, k>ik \gt i일 때 ti1=0t_{i1} = 0이다.

[T]β=[a11t12t1na21t22t2nak1tk2tkn0tk+1,2tk+1,n0tm2tmn] \begin{align*} \begin{bmatrix} T \end{bmatrix}_{\beta} = \begin{bmatrix} a_{11} & t_{12} & \cdots & t_{1n} \\ a_{21} & t_{22} & \cdots & t_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{k1} & t_{k2} & \cdots & t_{kn} \\ 0 & t_{k+1,2} & \cdots & t_{k+1,n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & t_{m2} & \cdots & t_{mn} \end{bmatrix} \end{align*}

같은 방법으로 kk번째 열까지의 성분을 모두 구하면 다음과 같다.

[T]β=[a11a12a1kt1,k+1t1na21a22a2kt2,k+1t2nak1ak2akktk,k+1tkn000tk+1,k+1tk+1,n000tm,k+1tmn] \begin{bmatrix} T \end{bmatrix}_{\beta} = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1k} & t_{1,k+1} & \cdots & t_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2k} & t_{2,k+1} & \cdots & t_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{k1} & a_{k2} & \cdots & a_{kk} & t_{k,k+1} & \cdots & t_{kn} \\ 0 & 0 & \cdots & 0 & t_{k+1,k+1} & \cdots & t_{k+1,n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 0 & t_{m,k+1} & \cdots & t_{mn} \end{bmatrix}

이때 A1=[aij]=[TW]γA_{1} = [a_{ij}] = \begin{bmatrix} T|_{W} \end{bmatrix}_{\gamma}이고, A2=[t1,k+1t1ntk,k+1tkn]A_{2} = \begin{bmatrix} t_{1,k+1} & \cdots & t_{1n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ t_{k,k+1} & \cdots & t_{kn} \\ \end{bmatrix}, A3=[tk+11,k+1tk+1,ntm,k+1tmn]A_{3} = \begin{bmatrix} t_{k+11,k+1} & \cdots & t_{k+1,n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ t_{m,k+1} & \cdots & t_{mn} \\ \end{bmatrix}이라 두면,

[T]β=[A1A2OA3]=[[TW]γA2OA3] \begin{bmatrix} T \end{bmatrix}_{\beta} = \begin{bmatrix} A_{1} & A_{2} \\ O & A_{3} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \begin{bmatrix} T|_{W} \end{bmatrix}_{\gamma} & A_{2} \\ O & A_{3} \end{bmatrix}