나뭇잎 교과서

케일리-해밀턴 정리

모든 정사각행렬은 자기의 특성방정식을 만족합니다. \(2 \times 2\)이면 \(A^2 - (\mathrm{tr}\,A)A + (\det A)I = O\)입니다. 이것이 케일리-해밀턴 정리입니다. 이 식 덕분에 \(A^2\)을 \(A\)와 \(I\)로 바꿔 쓸 수 있어, 높은 거듭제곱도 짧게 계산할 수 있습니다. 이 절에서는 계수를 바꿔 가며 정리를 스스로 찾아내고, \(A^{30}\)까지 수 두 개만으로 계산해 봅니다.

본문

케일리-해밀턴 정리

본문

행렬 \(A = \begin{pmatrix}2 & 1\\ 1 & 2\end{pmatrix}\)의 10제곱 \(A^{10}\)을 구하려면 행렬을 아홉 번 곱해야 할 것 같다. 그런데 \(A^2\)을 계산해 보면 \(\begin{pmatrix}5 & 4\\ 4 & 5\end{pmatrix}\)이고, 이것은 \(4A - 3I\)와 정확히 같다. 그렇다면 \(A^3 = A\cdot A^2 = 4A^2 - 3A\)이고, 다시 \(A^2\)을 \(4A - 3I\)로 바꾸면 \(A^3\)도 \(A\)와 \(I\)만으로 쓸 수 있다. \(A^2 = 4A - 3I\)라는 관계는 어디서 나왔을까? 이 관계로 \(A^{10}\)을 빨리 구할 수 있을까?

거듭제곱pA + qI행렬 A²4A − 3I(5, 4 / 4, 5) A³13A − 12I(14, 13 / 13, 14) A⁴40A − 39I(41, 40 / 40, 41) A¹⁰29524A − 29523I(29525, 29524 / 29524, 29525)
그림 1. 모든 거듭제곱이 \(A\)와 \(I\)의 일차결합으로 나타나, 계수 두 개만 구하면 된다.
먼저 알아야 할 것고윳값과 고유벡터(고윳값과 고유벡터), 행렬의 곱셈, 수열의 귀납적 정의.

3.2.1행렬도 자기 특성방정식을 만족한다

\(2\times2\) 행렬 \(A\)의 특성방정식은 \(\lambda^2 - (\mathrm{tr}\,A)\lambda + \det A = 0\)이다. 여기서 \(\lambda\) 자리에 행렬 \(A\)를 넣고 상수항에 단위행렬을 붙이면 \(A^2 - (\mathrm{tr}\,A)A + (\det A)I\)가 되는데, 이 행렬은 언제나 영행렬이다. 이것이 케일리–해밀턴 정리이다. \(A = \begin{pmatrix}a & b\\ c & d\end{pmatrix}\)에 직접 넣어 성분을 계산하면 모든 항이 지워져 확인할 수 있다. 처음 질문의 행렬은 \(\mathrm{tr}\,A = 4\), \(\det A = 3\)이어서 \(A^2 - 4A + 3I = O\)이다.

정리 3.2.1 케일리–해밀턴 정리

\(2\times2\) 행렬 \(A\)에 대하여 \[A^2 - (\mathrm{tr}\,A)A + (\det A)I = O\]이다. 그래서 모든 자연수 \(n\)에 대해 \(A^n = p_nA + q_nI\)인 수 \(p_n\), \(q_n\)이 있고, \(A\)의 서로 다른 고윳값 \(\lambda_1\), \(\lambda_2\)에 대해 \(\lambda_i^n = p_n\lambda_i + q_n\)을 만족한다.

\(A^2\)을 \(A\)와 \(I\)로 쓸 수 있으면, \(A^3 = A\cdot A^2\)에 다시 \(A^2\)을 바꿔 넣어 \(A^3\)도 \(A\)와 \(I\)로 쓸 수 있다. 이것을 되풀이하면 모든 거듭제곱이 \(p_nA + q_nI\) 꼴이 된다. 계수는 고윳값으로 바로 구한다. 고유벡터 \(\vec v\)에 \(A^n = p_nA + q_nI\)를 곱하면 \(\lambda^n\vec v = (p_n\lambda + q_n)\vec v\)이므로, 두 고윳값에서 각각 \(\lambda^n = p_n\lambda + q_n\)이라는 일차방정식이 생긴다. 이 둘을 연립하면 \(p_n\), \(q_n\)이 나온다.1

3.2.2점화식으로 보기

\(A^{n+1} = A\cdot A^n = p_nA^2 + q_nA = p_n(4A - 3I) + q_nA\)이므로 \(p_{n+1} = 4p_n + q_n\), \(q_{n+1} = -3p_n\)이다. 그래서 \(p_n\)은 \(p_{n+1} = 4p_n - 3p_{n-1}\)이라는 점화식을 따른다. 이 점화식의 특성방정식이 바로 \(A\)의 특성방정식 \(x^2 - 4x + 3 = 0\)이고, 그 근 3과 1이 일반항 \(p_n = \dfrac{3^n - 1}{2}\)을 정한다. 행렬의 거듭제곱 문제가 수열의 점화식 문제로 바뀐 것이다.

고윳값방정식 (n = 10)결과 λ = 33¹⁰ = 59049 = 3p + qp = 29524 λ = 11 = p + qq = −29523 확인2p + q = 29525대각성분
그림 2. 두 고윳값에서 세운 일차방정식 두 개로 \(A^{10}\)의 계수를 구한다.

3.2.3예제 풀이

예제 3.2.2

처음 질문의 행렬에서 케일리–해밀턴 정리를 성분으로 확인하고, \(A^{10}\)을 구하여라. 또 \(A^{-1}\)을 케일리–해밀턴 정리로 구하여라.

\(A^2 = \begin{pmatrix}5 & 4\\ 4 & 5\end{pmatrix}\), \(4A = \begin{pmatrix}8 & 4\\ 4 & 8\end{pmatrix}\), \(3I = \begin{pmatrix}3 & 0\\ 0 & 3\end{pmatrix}\)이므로 \(A^2 - 4A + 3I = O\)이다. 그림 2의 연립방정식에서 \(p = 29524\), \(q = -29523\)이므로 \(A^{10} = 29524A - 29523I = \begin{pmatrix}29525 & 29524\\ 29524 & 29525\end{pmatrix}\)이다.

\(A^2 - 4A + 3I = O\)을 \(A(4I - A) = 3I\)로 고쳐 쓰면 \(A^{-1} = \dfrac13(4I - A) = \dfrac13\begin{pmatrix}2 & -1\\ -1 & 2\end{pmatrix}\)이다. 확인하면 \(A\cdot\dfrac13\begin{pmatrix}2 & -1\\ -1 & 2\end{pmatrix} = \dfrac13\begin{pmatrix}3 & 0\\ 0 & 3\end{pmatrix} = I\)이다. 즉 행렬은 자기 특성방정식을 만족하므로 높은 거듭제곱과 역행렬을 모두 \(A\)와 \(I\)의 일차결합으로 낮출 수 있고, 그 계수는 고윳값에서 세운 연립방정식으로 바로 구한다.

아래 탐구 카드에서 \(A^2 + pA + qI = O\)이 되는 \(p\), \(q\)를 찾아보고, 행렬 곱셈을 거듭하지 않고 높은 거듭제곱을 구해 보자.

  1. 영국의 케일리는 1858년 \(2\times2\)와 \(3\times3\) 행렬에서 이 정리를 확인하고 일반적인 경우도 성립한다고 주장했다. 아일랜드의 해밀턴은 그보다 앞서 사원수를 연구하며 특별한 경우를 보였고, 일반적인 증명은 1878년 독일의 프로베니우스가 했다.
마무리

케일리–해밀턴 정리에 따라 \(2\times2\) 행렬은 자기 특성방정식 \(A^2 - (\mathrm{tr}\,A)A + (\det A)I = O\)을 만족하므로, 모든 거듭제곱은 \(A^n = p_nA + q_nI\)로 낮아진다. 계수는 두 고윳값에서 \(\lambda^n = p_n\lambda + q_n\)을 연립해 구하고, 같은 식을 고쳐 쓰면 역행렬도 구한다. 처음 질문의 \(A^2 = 4A - 3I\)는 이 정리에서 나왔고, \(A^{10} = 29524A - 29523I\)이다.

탐구 1

A² + pA + qI = O가 되는 p, q는 무엇일까?

케일리-해밀턴 정리 · 도전

  1. 질문수 \(x\)는 \(x^2 + px + q = 0\) 같은 방정식의 근이 될 수 있다. 행렬 \(A\)도 어떤 이차식에 넣으면 영행렬 \(O\)가 될까? 된다면 그 식은 무엇일까?
  2. 복원\(A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}\)의 특성방정식은 \(\lambda^2 - (a + d)\lambda + (ad - bc) = 0\)이다.
  3. 설명케일리-해밀턴 정리: 정사각행렬 \(A\)는 자기의 특성방정식을 만족한다. \(2 \times 2\)이면 \(A^2 - (\mathrm{tr}\,A)A + (\det A)I = O\)이다. 성분으로 \(A^2\)을 직접 계산해 정리하면 확인할 수 있다. 그래서 \(p = -\mathrm{tr}\,A\), \(q = \det A\)이면 늘 \(O\)가 된다. \(A\)가 \(kI\) 꼴이 아니면 이런 \((p, q)\)는 하나뿐이다.
  4. 연결이 정리 덕분에 \(A^2\)을 \(A\)와 \(I\)로 바꿔 쓸 수 있어, \(A^{10}\) 같은 높은 거듭제곱을 짧게 계산할 수 있다(다음 카드). 고윳값의 합이 \(\mathrm{tr}\,A\), 곱이 \(\det A\)라는 사실도 같은 식에서 나온다.
  5. 적용슬라이더로 \(p\), \(q\)를 바꿔 결과를 \(O\)로 만들어 보자. 여러 행렬에서 성공한 뒤 \(p\), \(q\)와 행렬의 성분 사이의 규칙을 찾자.
  6. 판단"특성방정식에 \(\lambda = A\)를 넣으면 \(\det(A - AI) = \det O = 0\)이니 당연하다"는 설명은 틀렸다. \(\det(A - \lambda I)\)는 수이고, 정리가 말하는 것은 행렬 식 \(A^2 - (\mathrm{tr}\,A)A + (\det A)I\)가 영행렬이라는 것이다. 수 0과 행렬 \(O\)를 구별해야 한다.

확인조건이 달라지면

\(A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}\)에 대해 \(A^2 = pA + qI\)인 \(p, q\)는?

탐구 2

A¹⁰을 행렬 곱셈 아홉 번 없이 구할 수 있을까?

케일리-해밀턴 정리의 활용 · 만들기

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  1. 질문\(A^{10}\)을 구하려면 행렬을 아홉 번 곱해야 할 것 같다. \(2 \times 2\) 행렬 곱셈 한 번에 곱셈이 8번이니 72번이다. 케일리-해밀턴 정리를 쓰면 얼마나 줄일 수 있을까?
  2. 복원\(A^2 = tA - dI\) (\(t = \mathrm{tr}\,A\), \(d = \det A\)). 이 식으로 \(A^2\)을 \(A\)와 \(I\)로 바꿀 수 있다.
  3. 설명\(A^n = a_nA + b_nI\)로 두면 \(A^{n+1} = A \cdot A^n = a_nA^2 + b_nA = a_n(tA - dI) + b_nA\)이므로 \(a_{n+1} = ta_n + b_n\), \(b_{n+1} = -da_n\)이다. 행렬 대신 수 두 개만 갱신하면 된다. \(a_1 = 1\), \(b_1 = 0\)에서 시작한다. 결국 \(a_n\)은 점화식 \(a_{n+1} = ta_n - da_{n-1}\)을 따르는 수열이고, 그 특성방정식이 \(A\)의 특성방정식과 같다.
  4. 연결\(A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}\)이면 \(a_n\)이 피보나치 수열이 된다(다음 절). 회전행렬은 \(A^2 = -I\)라 네 번마다 제자리로 돌아온다. 컴퓨터 대수 시스템은 큰 행렬의 거듭제곱을 이렇게 다항식 나눗셈으로 줄여 계산한다.
  5. 적용행렬을 바꾸며 \(a_n\), \(b_n\)의 규칙을 찾자. 90° 회전에서는 어떤 주기가 보이는가? 아래의 곱셈 횟수 비교도 확인해 보자.
  6. 판단\(A^n = a_nA + b_nI\)가 된다고 \(A^n\)의 성분이 \(a_n\), \(b_n\)인 것은 아니다. 마지막에 \(a_nA + b_nI\)를 계산해야 성분이 나온다.

확인조건이 달라지면

\(A^2 = 3A - 2I\)인 행렬에서 \(A^3\)을 \(A\)와 \(I\)로 나타내면?

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