나뭇잎 교과서

행렬의 연산

두 달의 판매표를 합치려면 같은 칸끼리 더하면 됩니다. 그런데 구매한 개수와 가게별 가격으로 각자 낼 돈을 구하려면, 한 행렬의 행과 다른 행렬의 열을 짝지어 곱해 더해야 합니다. 이 절에서는 행렬의 덧셈, 뺄셈, 실수배가 왜 성분끼리의 계산인지 도형으로 확인하고, 행렬의 곱셈이 어떤 규칙으로 정의되며 언제 계산할 수 있는지 살펴봅니다.

본문

행렬의 연산

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분식집에서 떡볶이와 김밥을 판다. 두 지점의 하루 판매량과 메뉴별 가격이 각각 행렬로 정리되어 있을 때, 지점별 매출을 행렬 하나로 한 번에 계산할 수 있을까? 그 계산이 바로 행렬의 곱셈이라면, 곱셈 규칙은 왜 그렇게 생겼을까?

그림 1. 곱 \(AB\)의 \((i, j)\) 성분은 \(A\)의 제\(i\)행과 \(B\)의 제\(j\)열에서 같은 순서의 성분끼리 곱해 더한 값이다.
먼저 알아야 할 것행렬의 뜻과 성분의 자리(행렬의 뜻), 곱의 법칙과 분배법칙.

4.2.1덧셈과 실수배는 자리끼리

두 지점의 월요일 판매량이 \(A = \begin{pmatrix} 30 & 20 \\ 25 & 40 \end{pmatrix}\), 화요일 판매량이 \(B = \begin{pmatrix} 35 & 15 \\ 20 & 45 \end{pmatrix}\)라 하자. 행은 지점, 열은 메뉴(떡볶이, 김밥)이다. 이틀 동안의 판매량은 같은 지점, 같은 메뉴끼리 더하면 되므로 \(A + B = \begin{pmatrix} 65 & 35 \\ 45 & 85 \end{pmatrix}\)이다.

즉 행렬의 덧셈과 뺄셈은 같은 자리의 성분끼리 하고, 그래서 모양이 같은 행렬끼리만 할 수 있다. 판매량을 모두 두 배로 늘리는 계획이라면 모든 성분에 2를 곱한 \(2A\)가 된다. 실수 \(k\)에 대하여 모든 성분에 \(k\)를 곱한 행렬을 \(kA\)라 하고, 이것을 행렬의 실수배라 한다.1

4.2.2곱셈은 행과 열의 짝

이제 매출을 구하자. 떡볶이는 4천 원, 김밥은 3천 원이고, 이것을 열 하나짜리 행렬 \(P = \begin{pmatrix} 4 \\ 3 \end{pmatrix}\)(단위 천 원)로 둔다. 1지점의 월요일 매출은 떡볶이 30개와 김밥 20개이므로 \(30 \times 4 + 20 \times 3 = 180\)천 원이다. 2지점은 \(25 \times 4 + 40 \times 3 = 220\)천 원이다.

여기서 계산의 모양을 보자. 1지점의 매출은 \(A\)의 제1행 \((30, 20)\)과 \(P\)의 열 \((4, 3)\)을 순서대로 곱해 더한 것이다. 2지점은 \(A\)의 제2행을 썼다. 이 계산을 그대로 행렬의 곱셈으로 정한다. 그러면 \(AP = \begin{pmatrix} 180 \\ 220 \end{pmatrix}\)이 된다.

같은 계산을 지점 쪽이 아니라 메뉴 쪽에서 볼 수도 있다. \(A\)의 제1열 \(\begin{pmatrix} 30 \\ 25 \end{pmatrix}\)은 두 지점의 떡볶이 판매량이고, 제2열 \(\begin{pmatrix} 20 \\ 40 \end{pmatrix}\)은 김밥 판매량이다. 그래서 떡볶이 판매량 열에 4를, 김밥 판매량 열에 3을 곱해 더하면 \(4\begin{pmatrix} 30 \\ 25 \end{pmatrix} + 3\begin{pmatrix} 20 \\ 40 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 180 \\ 220 \end{pmatrix}\)으로 같은 답이 나온다. 행렬에 열 하나를 곱하는 것은 행마다 짝지어 더하는 계산이면서, 동시에 \(A\)의 열들을 가격만큼씩 섞는 계산이기도 하다. 행렬을 더 배우면 이 두 번째 눈이 자주 쓰인다.

정의 4.2.1 행렬의 곱셈

\(m \times k\) 행렬 \(A\)와 \(k \times n\) 행렬 \(B\)의 곱 \(AB\)는 \(m \times n\) 행렬이고, 그 \((i, j)\) 성분은 \[a_{i1}b_{1j} + a_{i2}b_{2j} + \cdots + a_{ik}b_{kj}\]이다. \(A\)의 열의 개수와 \(B\)의 행의 개수가 같을 때만 정의된다.

정의의 조건은 매출 계산에서 자연스럽게 나온다. \(A\)의 한 행에 메뉴가 \(k\)개 있으면 가격도 \(k\)개 있어야 짝을 지을 수 있다. 그림 1의 슬라이더로 매출 행렬의 성분을 고르면, 그 성분을 만드는 \(A\)의 행과 가격 행렬의 열이 함께 표시된다. 그림의 가격 행렬은 월요일 가격과 할인한 화요일 가격 두 열로 늘린 것이다.

4.2.3수의 곱셈과 다른 점

행렬의 곱셈에서도 결합법칙 \((AB)C = A(BC)\)과 분배법칙 \(A(B + C) = AB + AC\)는 성립한다. 그런데 교환법칙은 일반적으로 성립하지 않는다. \(AB\)는 '\(A\)의 행과 \(B\)의 열'을, \(BA\)는 '\(B\)의 행과 \(A\)의 열'을 짝짓기 때문에 계산하는 내용 자체가 다르다.

A = [1 1; 0 1], B = [1 0; 1 1] AB = [1·1+1·1 1·0+1·1; 0·1+1·1 0·0+1·1] = [2 1; 1 1] BA = [1·1+0·0 1·1+0·1; 1·1+1·0 1·1+1·1] = [1 1; 1 2] 대괄호 안의 세미콜론(;)은 행을 나눈다
그림 2. 같은 두 행렬이라도 곱하는 순서를 바꾸면 결과가 달라질 수 있다.

그림 2에서 \(AB \ne BA\)이다. 따라서 행렬의 식을 정리할 때 \((A + B)^2\)을 \(A^2 + 2AB + B^2\)으로 쓰면 안 된다. 분배법칙으로 펼치면 \(A^2 + AB + BA + B^2\)이고, \(AB\)와 \(BA\)가 같을 때만 앞의 꼴이 된다.

4.2.4예제 풀이

예제 4.2.2

\(A = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ -1 & 3 \end{pmatrix}\), \(B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 2 & -1 \end{pmatrix}\)일 때 \(AB\)와 \(2A - B\)를 구하여라.

\(AB\)의 \((1, 1)\) 성분은 \(A\)의 제1행 \((2, 1)\)과 \(B\)의 제1열 \((1, 2)\)에서 \(2 \cdot 1 + 1 \cdot 2 = 4\)이다. \((1, 2)\) 성분은 제1행과 제2열 \((0, -1)\)에서 \(0 - 1 = -1\)이다. 같은 방법으로 \((2, 1)\) 성분은 \(-1 + 6 = 5\), \((2, 2)\) 성분은 \(0 - 3 = -3\)이다. 따라서 \(AB = \begin{pmatrix} 4 & -1 \\ 5 & -3 \end{pmatrix}\)이다.

\(2A - B\)는 자리끼리 계산한다. \(2A = \begin{pmatrix} 4 & 2 \\ -2 & 6 \end{pmatrix}\)에서 \(B\)를 빼면 \(\begin{pmatrix} 3 & 2 \\ -4 & 7 \end{pmatrix}\)이다.

곱셈이 맞는지 한 성분만 다른 방법으로 확인해 보자. \(B\)의 제1열 \(\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}\)에 \(A\)를 곱하면 \(\begin{pmatrix} 2 + 2 \\ -1 + 6 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 4 \\ 5 \end{pmatrix}\)이고, 이것이 \(AB\)의 제1열과 같다. 곱 \(AB\)의 각 열은 \(A\)에 \(B\)의 각 열을 곱한 것이라는 사실도 함께 보인다. 아래 탐구 카드에서 성분을 하나씩 골라 행과 열의 짝을 직접 따라가 보자.

  1. 모든 성분이 0인 행렬을 영행렬 \(O\)라 하고, 정사각행렬에서 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 가는 대각선의 성분이 모두 1이고 나머지가 0인 행렬을 단위행렬 \(E\)라 한다. \(A + O = A\), \(AE = EA = A\)이다.
마무리

행렬의 덧셈과 실수배는 같은 자리의 성분끼리 계산하고, 곱셈은 앞 행렬의 행과 뒤 행렬의 열을 같은 순서끼리 곱해 더한다. 이 규칙은 판매량과 가격으로 매출을 구하는 계산을 그대로 옮긴 것이어서, 처음 질문의 두 지점 매출은 \(AP\) 하나로 한 번에 얻는다. 다만 짝짓는 대상이 바뀌므로 일반적으로 \(AB \ne BA\)이다.

탐구 1

행렬을 더하고 실수배하면 성분은 어떻게 바뀔까?

행렬의 연산 · 덧셈, 뺄셈, 실수배

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\((1, 1)\) 성분 계산
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넓이의 비 (결과 : \(A\))
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도형의 방향
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\(A\)의 각 열 \((a_{1j}, a_{2j})\)을 좌표평면의 점으로 보았다. 회색 점을 끌면 \(A\)가 바뀌고, 점선 삼각형은 \(kA\), 초록 삼각형이 결과이다.

  1. 질문행렬 \(A\)의 각 열을 좌표평면의 점으로 보면 \(2 \times 3\) 행렬 하나가 삼각형 하나가 된다. 그렇다면 \(A\)를 2배 하거나 다른 행렬 \(B\)를 더하면 삼각형은 어떻게 움직일까?
  2. 복원두 행렬은 크기가 같고 같은 자리의 성분이 모두 같을 때 서로 같다. 또 좌표평면에서 점 \((x, y)\)를 \(x\)축 방향으로 \(p\), \(y\)축 방향으로 \(q\)만큼 옮기면 \((x + p, y + q)\)가 된다.
  3. 설명크기가 같은 두 행렬 \(A\), \(B\)에서 같은 자리의 성분끼리 더한 행렬을 \(A + B\), 뺀 행렬을 \(A - B\)라 한다. 또 실수 \(k\)에 대해 \(A\)의 모든 성분에 \(k\)를 곱한 행렬을 \(kA\)라 하고, 이것을 행렬의 실수배라 한다. 예를 들어 \((kA + B)\)의 \((i, j)\) 성분은 \(ka_{ij} + b_{ij}\)이다. 그림에서 \(B\)의 열이 모두 \((p, q)\)이면 \(B\)를 더하는 것은 모든 꼭짓점을 같은 방향으로 옮기는 평행이동이고, \(k\)를 곱하는 것은 원점을 중심으로 \(k\)배 늘이는 것이다. 모든 성분이 0인 행렬을 영행렬 \(O\)라 하며, \(A - A = O\)이다.
  4. 연결성분끼리 계산하므로 수의 덧셈처럼 \(A + B = B + A\), \((A + B) + C = A + (B + C)\)가 성립한다. 다항식에서 동류항끼리 모아 더한 것처럼, 행렬에서는 같은 자리끼리 모아 더하는 셈이다. 두 달 동안의 판매표를 합치거나 가격을 모두 1.1배 올린 표를 만드는 일이 바로 행렬의 덧셈과 실수배이다.
  5. 적용\(k = 1\), \(p = q = 0\)에서 시작해 \(p\)만 바꾸면 삼각형이 가로로만 움직인다. 그다음 \(k\)를 2로 바꾸면 넓이가 4배가 되고, \(k = -1\)이면 도형이 원점에 대해 대칭으로 옮겨 간다. \(kA - B\)를 골라 \(B\)를 빼는 것이 반대 방향으로 옮기는 것과 같은지도 확인해 보자.
  6. 판단행렬의 덧셈과 뺄셈은 크기가 같은 행렬끼리만 정의된다. 그래서 \(2 \times 3\) 행렬과 \(3 \times 2\) 행렬은 성분의 개수가 같아도 더할 수 없다. 또 \(2A\)는 성분 하나가 아니라 모든 성분을 2배 한다. 이 그림은 평행이동이 보이도록 \(B\)의 열을 모두 같게 두었을 뿐이고, 일반적인 \(B\)는 열마다 다른 수를 가질 수 있다. 그때는 꼭짓점마다 옮겨지는 정도가 달라 삼각형의 모양도 바뀐다.

확인조건이 달라지면

\(A\) = 1\(-2\)30, \(B\) = 21\(-1\)4일 때 \(2A - B\)는?

탐구 2

행렬의 곱은 왜 행과 열을 짝지어 계산할까?

행렬의 연산 · 곱셈

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\(AB\)의 크기
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\(BA\)의 크기
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\(AB = BA\)?
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결과 행렬의 칸을 누르면 그 성분의 계산이 보인다. \(A\)나 \(B\)의 칸을 누르면 그 성분을 위 막대로 바꿀 수 있다. 처음 값은 민수와 지아의 구매 개수 \(A\)와 두 가게의 가격(천 원) \(B\)를 나타내는 예시이다.

  1. 질문민수는 사과 3개와 배 2개를, 지아는 사과 1개와 배 4개를 산다. 가게 갑은 사과 2천 원, 배 3천 원이고, 가게 을은 사과 3천 원, 배 2천 원이다. 두 사람이 각 가게에서 낼 돈 네 가지를 한 번에 정리하려면 어떻게 계산해야 할까?
  2. 복원구매 개수를 행렬 \(A\)(행은 사람, 열은 과일)로, 가격을 행렬 \(B\)(행은 과일, 열은 가게)로 나타낼 수 있다. 민수가 갑에서 낼 돈은 (사과 개수)×(사과 값) + (배 개수)×(배 값) = \(3\cdot2 + 2\cdot3 = 12\)(천 원)이다.
  3. 설명이 계산은 \(A\)의 제1행 \((3, 2)\)와 \(B\)의 제1열 \((2, 3)\)을 차례로 짝지어 곱한 뒤 더한 것이다. 그래서 행렬의 곱 \(AB\)의 \((i, j)\) 성분을 \(A\)의 제\(i\)행과 \(B\)의 제\(j\)열의 성분을 차례로 곱해 더한 값으로 정의한다. \(2 \times 2\) 행렬끼리 곱하면 \((a_{11}b_{11} + a_{12}b_{21})\)처럼 성분마다 곱 두 개의 합이 된다. 짝을 지으려면 \(A\)의 열의 수와 \(B\)의 행의 수가 같아야 하고, \(A\)가 \(m \times k\), \(B\)가 \(k \times n\)이면 \(AB\)는 \(m \times n\) 행렬이다.
  4. 연결결과 \(AB\)의 행은 \(A\)의 행(사람)을, 열은 \(B\)의 열(가게)을 그대로 물려받고, 가운데의 과일은 곱해서 더하는 동안 사라진다. 한편 어떤 수에 곱해도 값이 변하지 않는 1처럼, 행렬에는 단위행렬 \(E\) = 1001이 있어 \(2 \times 2\) 행렬 \(A\)에 대해 \(AE = EA = A\)이다. 연립일차방정식의 계수를 행렬로 쓰는 방법도 이 곱에서 나온다.
  5. 적용"다음 성분"을 눌러 \(AB\)의 네 성분이 각각 어느 행과 어느 열에서 나오는지 따라가 보자. 그다음 "순서 바꾸기"를 눌러 \(BA\)가 \(AB\)와 다르다는 것을 확인하자. \((2\times2)(2\times1)\)을 고르고 순서를 바꾸면 곱이 아예 정의되지 않고, \(A\)를 단위행렬로 바꾸면 \(AB\)가 \(B\)와 같아진다.
  6. 판단행렬의 곱은 같은 자리 성분끼리 곱하는 것이 아니다. 또 수의 곱셈과 달리 \(AB\)와 \(BA\)는 일반적으로 다르다. 한쪽만 정의되기도 하고, 둘 다 정의되어도 크기나 성분이 다를 수 있다. 그래서 행렬의 곱에서는 곱하는 순서를 함부로 바꾸면 안 된다. 이 교과서에서는 행과 열의 수가 2 이하인 행렬의 곱만 계산한다.

확인조건이 달라지면

\(A\) = 1201, \(B\) = 31일 때 옳은 것은?

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