나뭇잎 교과서

선형변환의 합성과 역변환

두 변환을 잇따라 하면 하나의 변환이 되고, 그 행렬은 두 행렬의 곱입니다. 행렬의 곱은 순서를 바꾸면 달라질 수 있으므로, 변환을 하는 순서를 꼭 따져야 합니다. 변환을 거꾸로 되돌리는 역변환의 행렬은 역행렬입니다. 이 절에서는 두 변환의 순서를 바꾼 결과를 예측해 보고, 뒤틀린 그림을 제자리로 되돌리는 행렬을 찾아봅니다.

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선형변환의 합성과 역변환

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스마트폰 화면의 글자 'F'를 시계 반대 방향으로 90° 돌린 뒤 \(x\)축에 대해 뒤집었다. 다른 친구는 같은 글자를 먼저 \(x\)축에 대해 뒤집은 뒤 90° 돌렸다. 두 사람이 한 일은 똑같은 두 가지인데, 결과를 겹쳐 보니 'F'의 방향이 서로 달랐다. 수에서는 \(2\times3 = 3\times2\)인데 변환에서는 왜 순서가 결과를 바꿀까? 또 비스듬히 기울어진 그림을 원래대로 되돌리는 변환은 어떻게 구할까?

순서합성 행렬결과 회전 R 다음 뒤집기 FFR = (0, −1 / −1, 0)y = −x 대칭 뒤집기 F 다음 회전 RRF = (0, 1 / 1, 0)y = x 대칭 R = 90° 회전 (0, −1 / 1, 0), F = x축 대칭 (1, 0 / 0, −1) 먼저 한 변환이 오른쪽에 온다.
그림 1. 같은 두 변환도 순서를 바꾸면 서로 다른 대칭이 된다.
먼저 알아야 할 것선형변환과 행렬(선형변환과 행렬), 역행렬(역행렬), 회전과 대칭(대칭변환·닮음변환·회전변환).

2.6.1합성은 행렬의 곱

벡터 \(\vec v\)에 먼저 \(S\)를, 그다음 \(T\)를 적용하면 결과는 \(T(S(\vec v))\)이다. 두 변환의 행렬이 \(B\), \(A\)이면 이것은 \(A(B\vec v) = (AB)\vec v\)이므로, 합성 변환의 행렬은 곱 \(AB\)이다. 먼저 하는 변환이 벡터에 가까운 오른쪽에 온다. 행렬의 곱셈은 일반적으로 교환법칙이 성립하지 않으므로, \(AB\)와 \(BA\)가 다르면 두 변환을 하는 순서에 따라 결과가 다르다. 반면 두 회전이나 두 닮음은 순서를 바꾸어도 결과가 같다.

정리 2.6.1 합성과 역변환

\(S\)의 행렬이 \(B\), \(T\)의 행렬이 \(A\)이면 \(T\circ S\)의 행렬은 \(AB\)이다. \(A\)가 역행렬을 가지면 \(T\)의 역변환 \(T^{-1}\)의 행렬은 \(A^{-1}\)이고, \((AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}\)이다.

합성의 역변환은 순서를 거꾸로 해야 한다. 양말을 신고 신발을 신었다면, 벗을 때는 신발을 먼저 벗고 양말을 벗는 것과 같다. 그래서 \(AB\)의 역행렬은 \(A^{-1}B^{-1}\)이 아니라 \(B^{-1}A^{-1}\)이다. 회전의 역변환은 반대 방향 회전이고, 대칭의 역변환은 자기 자신이며, \(k\)배 닮음의 역변환은 \(1/k\)배 닮음이다. 행렬식이 0인 변환은 공간을 납작하게 누르므로 역변환이 없다.1

2.6.2기울어진 그림 되돌리기

그림의 위쪽을 오른쪽으로 미는 변환 \(\begin{pmatrix}1 & 2\\ 0 & 1\end{pmatrix}\)은 \((0, 1)\)을 \((2, 1)\)로 보내 직사각형을 평행사변형으로 기울인다. 이 변환을 되돌리려면 위쪽을 같은 만큼 왼쪽으로 밀면 되므로 역변환은 \(\begin{pmatrix}1 & -2\\ 0 & 1\end{pmatrix}\)이다. 두 행렬을 곱하면 단위행렬이 되어 확인할 수 있다. 여러 변환을 거친 그림을 되돌릴 때는 마지막 변환부터 하나씩 역변환을 적용한다.

변환행렬역변환 θ 회전R_θR_(−θ) 밀기(1, 2 / 0, 1)(1, −2 / 0, 1) 밀기 다음 90° 회전R SS⁻¹ R⁻¹
그림 2. 합성의 역변환은 나중에 한 것부터 거꾸로 되돌린다.

2.6.3예제 풀이

예제 2.6.2

그림 1의 \(R\)과 \(F\)로 \(FR\)과 \(RF\)를 계산하고, 점 \((2, 1)\)이 각각 어디로 가는지 구하여라. 또 밀기 \(S = \begin{pmatrix}1 & 2\\ 0 & 1\end{pmatrix}\) 다음 \(R\)을 한 변환의 역행렬을 구하여라.

\(FR = \begin{pmatrix}1 & 0\\ 0 & -1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0 & -1\\ 1 & 0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}0 & -1\\ -1 & 0\end{pmatrix}\), \(RF = \begin{pmatrix}0 & -1\\ 1 & 0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1 & 0\\ 0 & -1\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}0 & 1\\ 1 & 0\end{pmatrix}\)이다. \((2, 1)\)은 \(FR\)로 \((-1, -2)\), \(RF\)로 \((1, 2)\)로 가서 서로 원점에 대해 대칭인 다른 점이다.

밀기 다음 회전은 \(RS = \begin{pmatrix}0 & -1\\ 1 & 2\end{pmatrix}\)이고, 역행렬은 \(S^{-1}R^{-1} = \begin{pmatrix}1 & -2\\ 0 & 1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0 & 1\\ -1 & 0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}2 & 1\\ -1 & 0\end{pmatrix}\)이다. 확인하면 \(\begin{pmatrix}0 & -1\\ 1 & 2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}2 & 1\\ -1 & 0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}1 & 0\\ 0 & 1\end{pmatrix}\)이다. 즉 선형변환의 합성은 행렬의 곱이어서 순서가 결과를 바꿀 수 있고, 합성의 역변환은 나중에 한 변환부터 거꾸로 되돌린 \(B^{-1}A^{-1}\)이다.

아래 탐구 카드에서 두 변환의 순서를 바꾸어 결과를 비교하고, 뒤틀린 그림을 제자리로 되돌리는 행렬을 찾아보자.

  1. 루빅스 큐브를 맞추는 공식도 변환의 합성이다. 두 면을 돌리는 순서를 바꾸면 결과가 달라지는데, 이 때문에 큐브를 푸는 사람들은 여러 회전을 묶은 공식과 그 역순 공식을 함께 외운다.
마무리

먼저 \(S\)(행렬 \(B\)), 다음 \(T\)(행렬 \(A\))를 하는 합성 변환의 행렬은 \(AB\)이며, 행렬의 곱셈은 교환법칙이 성립하지 않아 순서를 바꾸면 결과가 달라질 수 있다. 역변환의 행렬은 역행렬이고, 합성의 역변환은 \((AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}\)로 나중에 한 것부터 되돌린다. 처음 질문에서 회전 다음 뒤집기는 \(y = -x\) 대칭, 뒤집기 다음 회전은 \(y = x\) 대칭이어서 'F'의 방향이 달라졌다.

탐구 1

두 변환의 순서를 바꾸면 결과도 달라질까?

선형변환의 합성 · 예측→확인

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  1. 질문양말을 신고 신발을 신는 것과 신발을 신고 양말을 신는 것은 결과가 다르다. 평면을 돌린 다음 뒤집는 것과 뒤집은 다음 돌리는 것은 어떨까?
  2. 복원행렬의 곱 \(AB\)와 \(BA\)는 일반적으로 다르다. \((AB)\vec{x} = A(B\vec{x})\)이다.
  3. 설명변환 \(g\)를 먼저 하고 \(f\)를 나중에 하는 합성변환 \(f \circ g\)의 행렬은 \(AB\)이다(\(A\)는 \(f\), \(B\)는 \(g\)의 행렬). 먼저 하는 변환이 오른쪽에 온다. \(\vec{x}\)에 가까운 쪽부터 곱해지기 때문이다. 순서를 바꾼 \(g \circ f\)는 \(BA\)이고, \(AB \ne BA\)이면 결과 그림도 다르다.
  4. 연결로봇 팔의 관절 회전, 3D 그래픽의 카메라와 물체 변환은 모두 행렬의 곱으로 이어진다. 곱하는 순서가 틀리면 물체가 엉뚱한 곳에 나타난다.
  5. 적용짝마다 "먼저 B, 그다음 A"의 결과를 네 그림 중에서 고르자. 결과를 확인한 뒤 순서를 바꾼 것과 같은지 보자. 순서를 바꿔도 같은 짝은 어떤 공통점이 있는가?
  6. 판단회전끼리, 또는 닮음변환(\(kI\))과 다른 변환은 순서를 바꿔도 같다. 그렇다고 모든 변환이 그런 것은 아니다. 한두 예가 맞았다고 일반화하면 안 된다.

확인조건이 달라지면

\(x\)축 대칭 \(S\)를 먼저 하고 \(90°\) 회전 \(R\)을 나중에 하는 변환의 행렬은?

탐구 2

뒤틀린 그림을 제자리로 되돌리는 행렬은?

역변환 · 도전

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되돌리는 행렬

  1. 질문사진을 밀고 돌렸다가 원래대로 되돌리고 싶다. "되돌리기" 버튼 뒤에서는 어떤 계산이 일어날까? 어떤 변환은 아예 되돌릴 수 없을까?
  2. 복원\(AA^{-1} = A^{-1}A = I\). \(2 \times 2\)이면 \(A^{-1} = \frac{1}{ad - bc}\begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}\)이다.
  3. 설명변환 \(f\)의 행렬이 \(A\)일 때, \(f\)를 한 뒤 하면 제자리가 되는 변환이 역변환 \(f^{-1}\)이고 그 행렬은 \(A^{-1}\)이다. \(\det A = 0\)이면 평면이 직선으로 납작해져 서로 다른 점이 같은 점으로 가므로 역변환이 없다. 두 변환을 잇따라 했으면 \((AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}\), 곧 나중에 한 것부터 거꾸로 되돌린다.
  4. 연결양말과 신발을 벗을 때도 나중에 신은 신발부터 벗는다. 앞 카드의 힐 암호 해독, 그래픽의 화면 좌표에서 물체 좌표로 돌아가는 계산이 모두 역변환이다.
  5. 적용문제마다 주황 집을 회색 점선 자리로 되돌리는 행렬을 입력해 보자. 되돌릴 수 없다고 판단되면 그 버튼을 누르자. 다섯째 문제는 두 변환을 이은 것이다.
  6. 판단\((AB)^{-1}\)을 \(A^{-1}B^{-1}\)로 쓰는 실수가 흔하다. 두 행렬이 교환 가능하지 않으면 이 둘은 다르다.

확인조건이 달라지면

\(A = \begin{pmatrix} 1 & 3 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}\)(가로로 밀기)의 역변환 행렬은?

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