나뭇잎 교과서

행렬식

\(2 \times 2\) 행렬의 \(ad - bc\)는 역행렬이 있는지 알려 주는 수였습니다. 이 수는 두 열벡터가 만드는 평행사변형의 넓이에 방향을 나타내는 부호를 붙인 것입니다. 이것을 크기가 큰 정사각행렬로 넓힌 것이 행렬식입니다. 이 절에서는 열벡터를 움직이며 행렬식의 성질을 그림으로 확인하고, 계산에서 자주 나오는 실수를 찾아봅니다.

먼저 알면 좋은 것 역행렬벡터의 외적
본문

행렬식

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행렬 \(\begin{pmatrix}2 & 1\\ 1 & 3\end{pmatrix}\)을 평면의 모든 점에 곱하면, 한 변이 1인 정사각형은 두 변이 \((2, 1)\)과 \((1, 3)\)인 평행사변형으로 바뀐다. 이 평행사변형의 넓이는 5이고, 행렬식 \(2\times3 - 1\times1\)도 5이다. 넓이가 1이었던 다른 도형도 이 행렬로 옮기면 모두 넓이가 5가 된다. 행렬식이 0이면 무슨 일이 생기고, 음수이면 무엇을 뜻할까? \(3\times3\) 행렬의 행렬식은 무엇을 잴까?

1 (2, 1)(1, 3) 넓이 5 det = 2 × 3 − 1 × 1 = 5 모든 넓이가 5배가 된다
그림 1. 단위 정사각형은 행렬의 두 열벡터가 만드는 평행사변형으로 바뀌고, 그 넓이가 행렬식이다. 가로세로 40 px가 1이다.
먼저 알아야 할 것역행렬(역행렬), 벡터의 외적, 평행사변형의 넓이.

2.3.1넓이와 부피의 배율

\(2\times2\) 행렬 \(A\)를 곱하면 표준기저 \((1, 0)\), \((0, 1)\)은 \(A\)의 두 열벡터로 간다. 그래서 단위 정사각형은 두 열벡터가 만드는 평행사변형으로 바뀌고, 그 넓이가 \(|ad - bc|\)이다. 평면의 다른 도형도 작은 정사각형들로 잘게 나누면 각 조각이 같은 비율로 넓어지므로, 모든 도형의 넓이가 \(|\det A|\)배가 된다. \(3\times3\) 행렬의 행렬식은 같은 방법으로 세 열벡터가 만드는 평행육면체의 부피, 곧 부피의 배율이다.

정리 2.3.1 행렬식의 성질

\(3\times3\) 행렬의 행렬식은 첫째 행을 따라 \[\det A = a_{11}(a_{22}a_{33} - a_{23}a_{32}) - a_{12}(a_{21}a_{33} - a_{23}a_{31}) + a_{13}(a_{21}a_{32} - a_{22}a_{31})\]이다. \(\det(AB) = \det A\det B\)이고, 두 행을 바꾸면 부호가 바뀌며, 한 행의 실수배를 다른 행에 더해도 값이 같다. \(\det A \ne 0\)일 때만 \(A\)는 역행렬을 가진다.

행렬식이 0이면 넓이나 부피가 0이 되어 평면이 직선으로, 공간이 평면으로 납작해진다. 그러면 서로 다른 점이 같은 점으로 가므로 되돌릴 수 없어 역행렬이 없다. 행렬식의 부호는 방향을 알려 준다. 양수이면 시계 반대 방향으로 돌던 두 기저 벡터의 순서가 그대로이고, 음수이면 거울에 비친 것처럼 순서가 뒤집힌다. 두 변환을 차례로 하면 넓이의 배율이 곱해지므로 \(\det(AB) = \det A\det B\)이다.1

2.3.2틀리기 쉬운 계산

\(3\times3\) 행렬식을 첫째 행으로 전개할 때는 둘째 항의 부호가 음수라는 것을 자주 빠뜨린다. 또 \(\det(A + B)\)는 \(\det A + \det B\)와 다르고, \(\det(2A)\)는 \(3\times3\) 행렬이면 \(2\det A\)가 아니라 \(2^3\det A = 8\det A\)이다. 모든 행에 2가 곱해지므로 부피가 세 방향으로 모두 두 배가 되기 때문이다. 큰 행렬은 행 연산으로 계단 모양을 만들어 대각성분을 곱하는 편이 빠른데, 행을 바꿀 때마다 부호를 바꾸어 주어야 한다.

항계산값 +1 × (1·0 − 4·6)1 × (−24)−24 −2 × (0·0 − 4·5)−2 × (−20)+40 +3 × (0·6 − 1·5)3 × (−5)−15
그림 2. 행렬 (1, 2, 3 / 0, 1, 4 / 5, 6, 0)의 행렬식은 세 항을 더한 1이다. 둘째 항의 부호를 빠뜨리면 −79가 나온다.

2.3.3예제 풀이

예제 2.3.2

행렬 \(A = \begin{pmatrix}2 & 1\\ 1 & 3\end{pmatrix}\)로 꼭짓점이 \((0, 0)\), \((1, 0)\), \((0, 2)\)인 삼각형을 옮기면 넓이는 얼마가 되는가? 또 \(B = \begin{pmatrix}0 & 1\\ 1 & 0\end{pmatrix}\)의 행렬식을 구하고, \(BA\)의 행렬식과 그 뜻을 말하여라.

원래 삼각형의 넓이는 \(\tfrac12\times1\times2 = 1\)이고, \(\det A = 5\)이므로 옮긴 삼각형의 넓이는 5이다. 직접 확인하면 세 꼭짓점은 \((0, 0)\), \((2, 1)\), \((2, 6)\)으로 가고, 넓이는 \(\tfrac12|2\times6 - 1\times2| = 5\)이다.

\(\det B = 0 - 1 = -1\)이다. \(B\)는 직선 \(y = x\)에 대한 대칭이어서 넓이는 그대로이지만 방향이 뒤집힌다. \(\det(BA) = \det B\det A = -5\)이므로, \(A\)로 넓히고 \(B\)로 뒤집은 변환은 넓이를 5배로 하면서 방향을 바꾼다. 즉 행렬식은 행렬이 넓이나 부피를 몇 배로 바꾸는지와 방향을 뒤집는지를 함께 재는 수이며, 0이면 공간이 납작해져 역행렬이 없다.

아래 탐구 카드에서 행렬을 바꾸며 단위 정사각형이 어떤 평행사변형으로 바뀌는지 보고, 행렬식 계산에서 틀린 곳을 찾아보자.

  1. 행렬식은 행렬보다 먼저 연구되었다. 1683년 일본의 세키 다카카즈와 1693년 독일의 라이프니츠가 연립방정식의 해를 다루며 각각 독립적으로 행렬식을 썼고, 행렬이라는 말은 그보다 150년 넘게 지난 1850년에 생겼다.
마무리

행렬식은 행렬이 넓이나 부피를 몇 배로 바꾸는지를 재는 수이며, \(2\times2\)에서는 두 열벡터가 만드는 평행사변형의 넓이, \(3\times3\)에서는 평행육면체의 부피와 같다. 부호는 방향이 뒤집히는지를 알려 주고, 0이면 공간이 납작해져 역행렬이 없으며, \(\det(AB) = \det A\det B\)이다. 처음 질문의 행렬은 행렬식이 5여서 모든 도형의 넓이를 5배로 만든다.

탐구 1

행렬식은 무엇을 재는 수일까?

행렬식의 뜻과 성질 · 조작
행렬 \([\vec{a}\ \vec{b}]\)
—
\(\det\)
—
평행사변형 넓이
—

—

초록은 방향이 그대로(a에서 b로 시계 반대 방향)인 경우, 빨강은 뒤집힌 경우이다. 끝점은 0.5 간격으로 맞춰진다.

  1. 질문\(2 \times 2\) 행렬의 \(ad - bc\)는 역행렬이 있는지 알려 주는 수였다. 이 수에 그림으로 보이는 뜻이 있을까?
  2. 복원두 벡터 \((a, c)\), \((b, d)\)가 만드는 평행사변형의 넓이는 \(|ad - bc|\)이다(외적이나 삼각형 넓이 공식에서).
  3. 설명행렬식 \(\det A\)는 열벡터들이 만드는 평행사변형(3차에서는 평행육면체)의 부호 있는 넓이(부피)이다. 부호는 방향이 뒤집혔는지를 알려 준다. 그래서 ① 한 열을 \(k\)배 하면 \(\det\)도 \(k\)배, ② 두 열을 바꾸면 부호가 반대, ③ 한 열에 다른 열의 실수배를 더하면(밀기) 넓이가 그대로이다. 행에 대해서도 같고, \(\det(AB) = \det A \det B\), \(\det A^T = \det A\)이다. \(3 \times 3\)은 한 행(열)을 따라 여인수 전개로 계산한다.
  4. 연결\(\det A = 0\)이면 평행사변형이 납작해져 두 열이 일차종속이고, 역행렬이 없다. 다변수 적분에서 좌표를 바꿀 때 넓이가 몇 배가 되는지도 행렬식(야코비안)이 알려 준다.
  5. 적용열벡터를 끌어 넓이와 \(\det\)를 비교해 보자. \(\det\)가 음수가 되는 때는 언제인가? 세 버튼을 눌러 보기 전에 \(\det\)가 어떻게 바뀔지 먼저 예측해 보자.
  6. 판단\(\det(A + B) = \det A + \det B\)는 일반적으로 틀린다. \(A = B = I\)이면 \(\det(2I) = 4\)이다. 또 \(n \times n\)에서 \(\det(kA) = k^n\det A\)이다. 모든 열이 \(k\)배 되기 때문이다.

확인조건이 달라지면

\(3 \times 3\) 행렬 \(A\)의 \(\det A = 2\)일 때 \(\det(-A)\)는?

탐구 2

이 행렬식 계산, 어디서 틀렸을까?

행렬식의 계산 · 오류 찾기

처음 틀린 줄을 누르세요. 틀린 곳이 없으면 마지막 줄을 누르세요.

  1. \(A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 3 \\ 0 & 4 & 1 \\ 5 & 2 & 0 \end{pmatrix}\)를 1행을 따라 여인수 전개한다.맞습니다. 어느 행이나 열을 따라도 됩니다.
  2. \(\det A = 2\begin{vmatrix} 4 & 1 \\ 2 & 0 \end{vmatrix} + 1\begin{vmatrix} 0 & 1 \\ 5 & 0 \end{vmatrix} + 3\begin{vmatrix} 0 & 4 \\ 5 & 2 \end{vmatrix}\)여기가 틀렸습니다. 여인수의 부호는 \((-1)^{i+j}\)라 1행에서는 \(+, -, +\)입니다. 가운데 항은 \(-1\begin{vmatrix} 0 & 1 \\ 5 & 0 \end{vmatrix}\)이어야 합니다.
  3. \(= 2(-2) + 1(-5) + 3(-20) = -69\)앞 줄의 부호 잘못을 이어받았습니다. 바르게는 \(-4 + 5 - 60 = -59\)입니다.
  4. 이 풀이에는 틀린 곳이 없다.아래 확인 칸에서 참값을 보세요.

  1. 질문\(3 \times 3\) 행렬식은 계산할 곳이 많아 부호 하나만 틀려도 답이 달라진다. 행렬식의 성질도 비슷해 보이는 것끼리 헷갈리기 쉽다. 어디서 자주 틀릴까?
  2. 복원여인수 전개는 \(\det A = \sum_j (-1)^{i+j}a_{ij}M_{ij}\)이다(\(M_{ij}\)는 \(i\)행 \(j\)열을 지운 소행렬식). 행 연산을 하면 두 행을 바꿀 때 행렬식이 \(-1\)배, 한 행을 \(k\)배 할 때 \(k\)배가 되고, 다른 행의 배수를 더할 때는 그대로이다.
  3. 설명자주 나오는 실수는 세 가지이다. ① 여인수의 부호 \((-1)^{i+j}\)를 빠뜨린다. ② \(\det(kA)\)를 \(k\det A\)로 쓴다(바르게는 \(k^n\det A\)). ③ 곱에 대한 성질 \(\det(AB) = \det A\det B\)를 합에도 쓴다. 행 연산으로 삼각행렬을 만들어 대각성분을 곱하는 방법은 계산이 적지만, 연산마다 행렬식이 어떻게 바뀌는지 기록해야 한다.
  4. 연결컴퓨터는 행렬식을 여인수 전개가 아니라 행 연산(가우스 소거법)으로 계산한다. \(n \times n\)에서 여인수 전개는 약 \(n!\)번, 소거법은 약 \(n^3\)번의 곱셈이 필요하기 때문이다.
  5. 적용네 풀이에서 처음 틀린 줄을 찾자. 찾고 나면 아래에 컴퓨터가 계산한 참값이 나타난다.
  6. 판단계산한 행렬식이 맞는지 확인하는 빠른 방법은 다른 행이나 열로 한 번 더 전개해 보는 것이다. 두 결과가 같으면 부호 실수일 가능성이 줄어든다.

확인조건이 달라지면

\(\begin{vmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 4 \\ 0 & 0 & 5 \end{vmatrix}\)의 값은?

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