요약
이 수업은 강좌의 네 번째 단원을 연다. 이 단원은 행렬과 대수 구조를 다룬다. 이 수업은 단원을 이루는 일곱 수업과 그것들을 잇는 실을 소개한다. 연립일차방정식의 계수의 표가 고유한 연산을 갖는 대상이 되고, 행렬식은 계수행렬이 정사각행렬인 연립방정식이 언제 해를 하나만 갖는지 판정하며, 역행렬은 그 연립방정식을 한 번에 풀고, 행렬은 평면의 변환으로 읽히며, 복소수는 행렬의 한 족으로 다시 나타나고, 이 모든 계산에 공통된 것은 대수적 의미의 군, 환, 체의 개념으로 응축된다. 이 수업은 이 생각들의 역사적 배경을 『구장산술』에서 케일리, 갈루아, 뇌터까지 되짚고, 그것들을 낳은 두 문제, 곧 연립일차방정식의 풀이와 다항방정식의 거듭제곱근에 의한 풀이를 정확히 정식화하며, 그것들이 어디에서 다시 쓰이는지 보여 준다. 곧 이 강좌에서, 특히 강좌를 마무리하는 공간 해석기하학에서, 사이트의 다른 강좌에서, 그리고 과학과 기술에서 쓰인다.
학습 목표
- 단원의 수업 순서를 기술하고, 각 수업이 연립일차방정식, 평면의 변환, 대수 구조의 학습에 무엇을 보태는지 설명한다.
- 행렬, 행렬식, 군의 개념을 역사적 맥락 속에 놓고, 각 개념이 풀려고 나타난 문제를 말한다.
- 미지수가 셋인 고전적인 문제를 행렬방정식으로 세우고, 소거법과 행렬식으로 푼다.
- 이차방정식을 예로 들어 방정식의 근의 순열에 대한 연구가 왜 군의 개념으로 이어졌는지 설명하고, 행렬과 대수 구조의 오늘날의 쓰임을 찾는다.
입문 평가
단원을 시작하기 전에 출발점을 재어 보는 것이 좋다. 처음 아홉 문항은 일곱 개의 내용 수업을 차례로 다루는데, 중심이 되는 두 수업, 곧 행렬식 수업과 역행렬 수업에는 두 문항씩 배정된다. 열 번째 문항은 모델링 문제로, 구체적인 상황을 행렬의 곱으로 나타내도록 요구한다. 같은 기능은 마지막 종합 수업에서 다시 측정된다. 마지막 세 문항은 단원이 강좌 I과 극형식의 복소수 단원에서 이미 알고 있다고 여기는 것을 확인한다. 점수는 매기지 않는다. 무엇을 익혔고 어디에서 멈추어 살펴야 하는지 알기 위한 것이다.
단원을 시작하기 전에 출발점을 확인해 보세요. 짧은 자기 평가입니다. 점수가 매겨지지 않으며 결과는 브라우저에만 저장됩니다.
문제 1행렬 , 에 대하여, 곱 의 결과는 무엇인가?
이것은 곱 의 결과로, 순서가 반대이다. 행렬의 곱은 교환법칙이 성립하지 않으며, 에서 행은 의 행이다.이것은 성분끼리의 곱으로, 일차 치환의 합성에 대응하지 않는다. 행렬의 곱은 행과 열을 결합한다.의 행과 의 행을 결합했으며, 이렇게 하면 가 된다. 성분 (의)에는 제 열(의)이 쓰인다.각 성분은 의 한 행과 의 한 열을 결합한다. 성분 의 값은 , 성분 의 값은 , 성분 의 값은 , 성분 의 값은 이다.복습: 행렬과 행렬의 연산
문제 2연립방정식 , , 에 대하여 생각하자. 가 어떤 값일 때 해가 있으며, 그때 해는 몇 개인가?
미지수가 세 개인 세 방정식이 언제나 해를 하나만 갖는 것은 아니다. 여기서 계수행렬의 랭크는 인데, 셋째 행이 다른 두 행의 합이기 때문이다.해가 있다는 것이 해의 유일성을 뜻하지는 않는다. 일 때 공통 랭크는 로, 미지수의 개수보다 작으며, 해는 무수히 많다.계수의 한 행이 다른 행들의 일차결합이라고 해서 연립방정식의 해가 없어지는 것은 아니다. 해가 없는 것은 상수항이 같은 관계를 만족하지 않을 때, 곧 일 때뿐이다.계수의 셋째 행은 처음 두 행의 합이며, 행사다리꼴로 만들면 행 만 남는다. 이면 첨가행렬의 랭크는 이고 계수행렬의 랭크는 이므로 연립방정식은 해가 없다. 이면 두 랭크 모두 로, 미지수의 개수보다 작으며, 루셰-프로베니우스 정리에 따라 자유 매개변수는 개이다.문제 3행이 , , 인 행렬의 행렬식을 계산하시오.
문제 4가 차 행렬이고 일 때, 의 값은 얼마인가?
정답:
전치행렬의 행렬식은 원래 행렬의 행렬식과 같고, 행렬에 을 곱하면 세 행 각각에 이 곱해진다. 각 행에 대한 선형성에 의해 행렬식에는 이 곱해지고, 그 값은 이다. 을 얻은 사람은 을 한 번만 곱하여, 에서 한 행만 곱해진 것처럼 계산했다.복습: 행렬식: 성질과 크라메르 공식
문제 5행렬 의 역행렬은 무엇인가?
전치하지 않은 여인수행렬이다. 역행렬은 수반행렬, 곧 여인수행렬의 전치행렬을 행렬식으로 나눈 것이다.각 성분의 역수로 이루어진 행렬로, 역행렬이 아니다. 이 행렬과 의 곱은 단위행렬이 아니다. 행렬의 역행렬은 성분별로 계산되지 않는다.주대각선의 성분은 서로 바꾸었지만 다른 대각선의 성분의 부호를 바꾸지 않았다. 와의 곱은 대각선 밖에 영이 아닌 성분을 가진다.행렬식은 이다. 2차 행렬의 공식에 따라 주대각선의 성분을 서로 바꾸고, 다른 대각선의 성분의 부호를 바꾸고, 로 나눈다. 와의 곱은 단위행렬이다.복습: 역행렬
문제 6, , 가 같은 차수의 정사각행렬이고, 와 는 가역이라 하자. 방정식 의 해는 무엇인가?
역행렬들을 반대쪽에 놓았다. 곱은 교환법칙이 성립하지 않으므로, (의 왼쪽에 있는 것)를 없애려면 왼쪽에서 행렬을 곱해야 한다.모두 왼쪽에서 곱했다. 행렬을 의 왼쪽에서 곱해도 (의 오른쪽에 있는 것)는 없어지지 않는다.행렬의 몫은 정의되지 않는다. 어느 쪽에서 곱하는지를 나타내지 못하기 때문이다. 방정식은 두 역행렬을 각각 제자리 쪽에서 곱하여 푼다.왼쪽에서 행렬을 곱하는데, 왼쪽은 가 있는 쪽이다. 또 오른쪽에서 행렬을 곱하는데, 오른쪽은 가 있는 쪽이다. 결합법칙에 의해 .복습: 역행렬
문제 7각 벡터를 원점을 중심으로 시계 반대 방향으로 사분의 일 회전시킨 뒤 가로축에 대하여 대칭이동하는 평면 변환의 행렬은 무엇인가?
이것은 로, 순서가 반대인 합성이다. 먼저 대칭이동하고 나중에 회전한다. 합성의 행렬에서는 먼저 적용하는 변환이 오른쪽 인수이다.사분의 일 회전뿐이다. 대칭이동과의 합성이 빠져 있다.시계 방향의 사분의 일 회전이다. 행렬식은 이고, 회전과 대칭이동의 합성은 방향을 뒤집으므로 그 행렬식은 이다.대칭이동 (행은 과 )를 회전 (행은 과 ) 뒤에 하는 합성의 행렬은 이다. 먼저 적용하는 인수가 오른쪽에 온다. 그 열은 벡터 의 상으로, 이 벡터는 먼저 로, 이어서 로 옮겨지며, 또 벡터 의 상으로, 이 벡터는 으로 옮겨진 뒤 바뀌지 않는다.복습: 평면 변환으로서의 행렬
문제 8를 복소수 를 곱하는 곱셈의 행렬이라 하자. 의 값을 구하시오.
정답:
의 행렬은 행이 와 이고, 그 행렬식은 이다. 여기서는 이다. 을 얻은 사람은 을 계산하여 성분 의 부호를 잊었고, 를 얻은 사람은 절댓값의 제곱 대신 절댓값을 택했다.복습: 행렬로서의 복소수
문제 9아래 집합 가운데 주어진 연산에 대하여 군인 것은 어느 것인가?
정수의 곱셈은 결합법칙을 만족하고 항등원 을 가지지만, 는 역원을 가지지 않는다. 어떤 정수 도 을 만족하지 않기 때문이다.자연수의 덧셈은 결합법칙을 만족하지만 항등원이 없다. 자연수는 부터 시작하기 때문이다. 덧셈에 대한 역원도 없다.이 집합은 닫혀 있지 않다. (에서)이며, 이 결과는 집합에 속하지 않는다. 영인자 때문에 영이 아닌 나머지는 군을 이루지 못한다.이 소수이므로 은 체이다. 영이 아닌 두 나머지의 곱은 영이 아니고, 곱셈은 결합법칙을 만족하며, 항등원 을 가지고, 영이 아닌 나머지는 모두 역원을 가진다.복습: 대수 구조: 군, 환, 체
문제 10어느 도시의 중심부에는 주민 천 명이, 외곽에는 천 명이 산다. 해마다 중심부 주민의 퍼센트가 외곽으로 이사하고, 외곽 주민의 퍼센트가 중심부로 이사한다. 그 밖에 들어오거나 나가는 사람은 없다. 이 비율이 유지된다면, 두 해 뒤 중심부의 주민은 몇천 명이 되는가?
정답:
벡터 로 년 뒤 중심부와 외곽의 인구를 나타내면, 해마다 이 벡터에 전이행렬 (행은 , 와 , )를 곱하게 되며, 그 제 열은 구역 의 주민을 나누어 배분한다. 곱의 결합법칙에 의해 이다. 첫해에는 과 , 둘째 해에는 와 이 되며, 총수 이 유지된다. 을 얻은 사람은 한 해만 계산했고, 을 얻은 사람은 의 전치행렬을 사용했는데, 그 열의 합은 이 아니므로 총수가 유지되지 않는다.복습: 행렬과 행렬의 연산
문제 11이전 단원에서크라메르 공식으로 연립방정식 , 을 풀고, 의 값을 구하시오.
정답:
연립방정식의 행렬식은 이고, 의 열을 상수항으로 바꾸어 얻는 행렬식은 이다. 따라서 이고, 또 이다. 를 얻은 사람은 두 행렬식 가운데 하나를 계산할 때 대각선의 곱을 반대 순서로 뺐다.문제 12이전 단원에서의 역원(법 에 대한)을 구하시오. 곧 나머지 ( 이상 이하)로서 를 만족하는 것을 구하시오.
문제 13이전 단원에서의 극형식은 무엇인가?
코사인과 사인을 뒤바꾸었다. 이라면 실수부에 대응하겠지만, 실수부는 이다.절댓값의 제곱 를 택하고 제곱근을 구하지 않았다.제2사분면의 복소수 이다. 은 실수부가 양수이고 제1사분면에 있다.절댓값은 이고, 편각은 제1사분면의 각 가운데 코사인이 이고 사인이 인 각, 곧 이다.복습: 복소수의 극형식
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