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Topos Uranos

요약

이 수업은 각 복소수 z=a+biz = a + bi에 평면의 변환, 곧 zz를 곱하는 변환의 행렬을 대응시키고, 이 대응이 단사이며 합을 합으로, 곱을 곱으로 옮긴다는 것을 증명한다. 이런 꼴의 행렬은 2차 정사각행렬 안에서 복소수의 충실한 복사본을 이룬다. 이 복사본에서 허수단위는 4분의 1 회전이고, 그 제곱은 단위행렬의 부호를 바꾼 행렬이다. 절댓값의 제곱은 행렬식이고, 켤레복소수는 전치행렬이며, 역수는 역행렬이다. 극형식은 이 행렬들을 각각 회전과 그 뒤를 잇는 위치닮음변환으로 분해하고, 오일러 공식과 드무아브르 공식은 회전의 합성 규칙으로 다시 나타난다. 이 수업은 행렬이 일반적으로는 교환 가능하지 않은데도 이 행렬들은 왜 교환 가능한지를 설명하고, 해밀턴의 사원수를 처음으로 살펴보며 마무리한다. 사원수의 곱은 더 이상 교환 가능하지 않다.

학습 목표

  1. 복소수를 곱하는 연산의 행렬을 구하고, 복소수와 행렬 사이의 대응이 합과 곱을 보존함을 증명한다.
  2. 복소수의 절댓값, 켤레복소수, 역수, 극형식을 행렬로 옮기고, 각각의 옮김을 기하학적으로 해석한다.
  3. 복소수의 거듭제곱, 역수, 거듭제곱근을 행렬로 계산하고, 오일러 공식과 드무아브르 공식에서 회전의 합성을 알아본다.
  4. 복소수의 행렬끼리 왜 교환 가능한지 설명하고, 4분의 1 회전과 교환 가능한 행렬이 바로 그 행렬들임을 증명하며, 사원수의 곱이 교환 가능하지 않음을 그 행렬로 확인한다.

복소수를 곱하는 연산의 행렬

대수학과 기하학 I 강좌의 복소수에 관한 수업에서 각 복소수 x+yix + yi를 평면의 점 (x,y)(x, y)와 동일시하고, ii를 곱하면 각 점이 원점을 중심으로 4분의 1 회전한다는 것을 증명했다. 그렇다면 고정된 복소수 zz를 곱하는 것은 평면의 변환이며, 이 변환은 각 점 ww에 점 zwzw를 대응시킨다. 평면 변환으로서의 행렬에 관한 수업에서는 일차변환이 하나의 행렬로 정해지고, 그 행렬의 열이 벡터 (1,0)(1, 0)과 (0,1)(0, 1)의 상임을 증명했다. 여기서 이 수업을 이끄는 물음이 나온다. zz를 곱하는 연산의 행렬은 무엇이며, 각 복소수를 그 행렬로 나타내면 무엇을 얻는가?

명제z를 곱하는 연산의 행렬

z=a+biz = a + bi를 고정된 복소수라 하자. 각 복소수 w=x+yiw = x + yi에 zz를 곱하는 평면의 변환은 일차변환이다. 그 행렬의 열은 zz와 iziz이고, z≠0z \neq 0이면 이 변환은 단위정사각형을 한 변의 길이가 ∣z∣\abs{z}인 정사각형으로 옮긴다.

곱을 전개하고 거기서 행렬을 읽어 낸다. 그림에서는 z=2+iz = 2 + i로 둔다.

증명

  1. zw=(a+bi)(x+yi)=ax+ayi+bxi+bi2y=(ax−by)+(bx+ay)izw = (a + bi)(x + yi) = ax + ayi + bxi + b \resaltar{i^2} y = \dato{p}{\resaltar{(ax - by) + (bx + ay) i}}

    분배법칙으로 곱을 전개하고 i2i^2을 −1-1로 바꾼다.

  2. (ax−bybx+ay)=(a−bba)(xy)\begin{pmatrix} \resaltar{ax - by} \\ \resaltar{bx + ay} \end{pmatrix} = \dato{m}{\begin{pmatrix} \resaltar{a} & \resaltar{-b} \\ \resaltar{b} & \resaltar{a} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}}

    점을 열벡터로 쓴다. zwzw의 좌표는 xx와 yy의 상수 계수 결합이다. 이것은 어떤 행렬과 ww의 벡터의 곱이며, 따라서 변환은 일차변환이다.

  3. z⋅1=a+bi,z⋅i=−b+aiz \cdot \resaltar{1} = \resaltar{a + bi}, \qquad z \cdot \resaltar{i} = \resaltar{-b + ai}

    행렬의 열은 11과 ii의 상이다. 첫째 열은 zz이고, 둘째 열은 iz=−b+aiiz = -b + ai, 곧 zz를 4분의 1 회전한 것이다.

  4. ∣iz∣=∣i∣∣z∣=∣z∣,z⋅(1+i)=z+iz\abs{iz} = \abs{i} \abs{z} = \resaltar{\abs{z}}, \qquad \resaltar{z \cdot (1 + i)} = \resaltar{z + iz}

    꼭짓점이 00, 11, 1+i1 + i, ii인 단위정사각형은 꼭짓점이 00, zz, z+izz + iz, iziz인 사각형으로 옮겨진다. 원점에서 나가는 두 변은 길이가 ∣z∣\abs{z}로 같고 서로 수직이다. 상은 한 변의 길이가 ∣z∣\abs{z}인 정사각형이며, 단위정사각형에 대하여 회전해 있다.

얻은 행렬은 매우 특별한 꼴을 하고 있다. 대각선 위의 두 성분은 같고, 나머지 두 성분은 부호가 반대이다. 복소수 z=a+biz = a + bi(단, aa와 bb는 실수)의 복소수의 행렬이란, zz를 곱하는 연산의 행렬을 말한다.

M(z)=(a−bba)M(z) = \begin{pmatrix} a & -b \\ b & a \end{pmatrix}

M(z)M(z)의 첫째 열은 zz 자신이고, 둘째 열은 iziz이다. 복소수의 실수부분과 허수부분을 나누면, 행렬은 두 고정된 행렬의 결합으로 분해된다. 단위행렬 II(수 11의 행렬)와 행렬 JJ(수 ii의 행렬)이다.

M(a+bi)=a(1001)+b(0−110)=aI+bJM(a + bi) = a \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} + b \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} = aI + bJ

특히 실수에는 단위행렬의 실수배 M(a)=aIM(a) = aI, 곧 원점을 중심으로 하는 위치닮음변환이 대응하고, 순허수 bibi에는 JJ의 실수배가 대응한다. 대응표의 처음 몇 항은 아래와 같다.

M(1)=I,M(i)=J,M(−1)=−I,M(−i)=−J,M(0)=(0000)M(1) = I, \qquad M(i) = J, \qquad M(-1) = -I, \qquad M(-i) = -J, \qquad M(0) = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}