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Manifolds, Taylor Polynomials, Quadratic Forms, and Curvature

곡면과 고차원 공간을 manifold로 표현하고, tangent space와 Taylor polynomial을 이용하여 함수와 기하 구조를 국소적으로 분석하는 핵심 개념을 정리합니다.

3.1 Manifolds

1) Smooth Manifold

Smooth Manifold: 집합 MRnM\subset\mathbb{R}^n이 각 point 근처에서 C1C^1 function의 graph로 표현될 수 있으면 smooth manifold이다.

kk-dimensional manifold에서는 locally kk개의 variables가 독립적으로 변하고 나머지 nkn-k개의 variables가 이들의 function으로 결정된다.

Meaning: manifold는 전체적으로 휘어 있을 수 있지만 각 point 근처에서는 Rk\mathbb{R}^k처럼 보이는 공간이다.

예:

  • Curve in R2\mathbb{R}^2: dimension 11
  • Surface in R3\mathbb{R}^3: dimension 22
  • Sphere S2R3S^2\subset\mathbb{R}^3: dimension 22

2) Manifold Defined by Equations

F:URnRnkF:U\subset\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^{n-k}

C1C^1이고

M={xUF(x)=0}M=\{x\in U\mid F(x)=0\}

라고 하자.

모든 xMx\in M에서

DF(x)DF(x)

가 onto이면 MMkk-dimensional smooth manifold이다.

rankDF(x)=nkdimM=k\boxed{ \operatorname{rank}DF(x)=n-k \Rightarrow \dim M=k }

Meaning: nkn-k개의 independent constraints가 있으면 자유롭게 움직일 수 있는 dimension은 kk이다.

3) Parametrization

Parametrization: kk-dimensional manifold MM

ϕ:URkM\phi:U\subset\mathbb{R}^k\to M

으로 표현하는 mapping.

책에서 parametrization은 다음을 만족한다.

  • UU is open.
  • ϕ\phi is C1C^1.
  • ϕ\phi is one-to-one and onto MM.
  • Dϕ(u)D\phi(u) is one-to-one.

Meaning: kk개의 parameters를 사용하여 manifold의 point를 표현한다.


3.2 Tangent Spaces

1) Tangent Space

Tangent Space: manifold MM의 point aa에서 manifold를 가장 잘 근사하는 linear space.

표기:

TaM.T_aM.

Meaning: point aa에서 manifold를 따라 움직일 수 있는 모든 instantaneous directions의 공간이다.

2) Tangent Space from Equations

Manifold가

F(x)=0F(x)=0

으로 정의되고 DF(a)DF(a)가 onto이면

TaM=kerDF(a)\boxed{ T_aM=\ker DF(a) }

이다.

Meaning: constraint를 first-order에서 변화시키지 않는 directions가 tangent directions이다.

3) Tangent Plane

tTaMt\in T_aM이면

DF(a)t=0.DF(a)t=0.

따라서 tangent plane은

DF(a)(xa)=0DF(a)(x-a)=0

으로 나타낼 수 있다.

4) Tangent Space from Parametrization

ϕ:URkM\phi:U\subset\mathbb{R}^k\to M

이 parametrization이면

Tϕ(u)M=imgDϕ(u)\boxed{ T_{\phi(u)}M = \operatorname{img}D\phi(u) }

이다.

따라서

D1ϕ(u),,Dkϕ(u)D_1\phi(u),\ldots,D_k\phi(u)

는 tangent space의 basis가 된다.

5) Derivative on a Manifold

f:MRmf:M\to\mathbb{R}^m

의 derivative는 tangent space에서 정의된다.

Df(a):TaMRm.Df(a): T_aM\to\mathbb{R}^m.

Meaning: manifold 위의 function은 manifold를 따라 움직이는 directions에 대해서만 미분하면 된다.

6) Chain Rule on Manifolds

g:UM,f:MRmg:U\to M, \qquad f:M\to\mathbb{R}^m

이면

D(fg)(x)=Df(g(x))Dg(x).D(f\circ g)(x) = Df(g(x))Dg(x).

3.3 Taylor Polynomials in Several Variables

1) Higher Partial Derivatives

여러 variables에 대한 higher derivative는 multi-index를 사용하여 나타낼 수 있다.

I=(i1,,in).I=(i_1,\ldots,i_n).

total degree는

I=i1++in|I| = i_1+\cdots+i_n

이고

I!=i1!in!.I! = i_1!\cdots i_n!.

또한

hI=h1i1hnin.h^I = h_1^{i_1}\cdots h_n^{i_n}.

2) Taylor Polynomial

f:URnRf:U\subset\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}CkC^k이면 aa에서 degree kk Taylor polynomial은

Pf,ak(a+h)=m=0kI=m1I!DIf(a)hI\boxed{ P_{f,a}^k(a+h) = \sum_{m=0}^{k} \sum_{|I|=m} \frac{1}{I!} D^If(a)h^I }

이다.

Meaning: function을 point aa 근처에서 polynomial로 근사한다.

3) Second-Degree Taylor Polynomial

다변수 문제에서 특히 중요한 것은 degree 22이다.

Pf,a2(a+h)=f(a)+Df(a)h+12hTHf(a)h.P_{f,a}^2(a+h) = f(a) + Df(a)h + \frac12 h^T H_f(a)h.

여기서

Hf(a)H_f(a)

는 Hessian matrix이다.

4) Hessian Matrix

Hessian Matrix: second partial derivatives로 구성된 symmetric matrix.

Hf(a)=[D1D1f(a)D1Dnf(a)DnD1f(a)DnDnf(a)].H_f(a) = \begin{bmatrix} D_1D_1f(a) & \cdots & D_1D_nf(a)\\ \vdots & \ddots & \vdots\\ D_nD_1f(a) & \cdots & D_nD_nf(a) \end{bmatrix}.

crossed partials가 같으므로

Hf(a)T=Hf(a).H_f(a)^T=H_f(a).

5) Approximation Error

Taylor polynomial은

f(a+h)=Pf,ak(a+h)+o(hk)f(a+h) = P_{f,a}^k(a+h) + o(|h|^k)

의 의미에서 ff를 근사한다.

즉,

f(a+h)Pf,ak(a+h)hk0\frac{ f(a+h)-P_{f,a}^k(a+h) }{ |h|^k } \to0

as h0h\to0.


3.4 Rules for Computing Taylor Polynomials

1) Sum Rule

Pf+g,ak=Pf,ak+Pg,ak.P_{f+g,a}^k = P_{f,a}^k + P_{g,a}^k.

2) Product Rule

ffgg의 Taylor polynomials를 곱한 뒤 degree가 kk보다 큰 terms를 제거한다.

Pfg,ak=Pf,akPg,akup to degree k.P_{fg,a}^k = P_{f,a}^kP_{g,a}^k \quad \text{up to degree }k.

Meaning: higher derivatives를 직접 반복 계산하지 않고 polynomial 연산으로 Taylor polynomial을 구할 수 있다.

3) Composition Rule

g(a)=bg(a)=b

이면

Pfg,akP_{f\circ g,a}^k

Pf,bk(Pg,ak)P_{f,b}^k \left( P_{g,a}^k \right)

를 계산한 뒤 degree kk보다 높은 terms를 제거하여 얻는다.

4) Important Principle

Taylor polynomial 계산에서는 원하는 degree보다 높은 항은 계산 중간에 바로 버려도 된다.

예를 들어 degree 33까지만 필요하면

degree>3\text{degree}>3

인 모든 terms는 무시한다.


3.5 Quadratic Forms

1) Quadratic Form

Quadratic Form: 모든 terms가 degree 22인 polynomial.

Q:RnR.Q:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}.

예:

Q(x,y)=x2+2xy+3y2.Q(x,y) = x^2+2xy+3y^2.

2) Matrix Representation

모든 quadratic form은 unique symmetric matrix AA를 사용하여

Q(x)=xTAx\boxed{ Q(x)=x^TAx }

로 나타낼 수 있다.

예를 들어

Q(x,y)=ax2+2bxy+cy2Q(x,y) = ax^2+2bxy+cy^2

이면

A=[abbc].A= \begin{bmatrix} a&b\\ b&c \end{bmatrix}.

3) Sum of Squares

Real quadratic form은 linearly independent linear functions를 사용하여

Q(x)=α1(x)2++αk(x)2αk+1(x)2αk+l(x)2Q(x) = \alpha_1(x)^2+\cdots+\alpha_k(x)^2 - \alpha_{k+1}(x)^2-\cdots-\alpha_{k+l}(x)^2

형태로 나타낼 수 있다.

4) Signature

Signature: 위 표현에서 positive squares와 negative squares의 개수.

signature(Q)=(k,l)\boxed{ \operatorname{signature}(Q)=(k,l) }

이 값은 coordinate system을 바꾸어도 변하지 않는다.

5) Positive Definite

Q(x)>0(x0)Q(x)>0 \qquad (x\neq0)

이면 positive definite이다.

signature:

(n,0).(n,0).

6) Negative Definite

Q(x)<0(x0)Q(x)<0 \qquad (x\neq0)

이면 negative definite이다.

signature:

(0,n).(0,n).

7) Degenerate Quadratic Form

quadratic form의 rank가 nn보다 작으면 degenerate이다.

rankQ<n.\operatorname{rank}Q<n.

반대로 rank가 nn이면 nondegenerate이다.

8) Completing Squares

책에서는 quadratic form의 signature를 찾는 기본 방법으로 completing squares를 사용한다.

예:

x2+2xyy2=(x+y)22y2.x^2+2xy-y^2 = (x+y)^2-2y^2.

따라서 signature는

(1,1)(1,1)

이다.


3.6 Classifying Critical Points

1) Critical Point

f:URf:U\to\mathbb{R}에 대해

Df(a)=0Df(a)=0

이면 aa를 critical point라고 한다.

2) Taylor Polynomial at a Critical Point

critical point에서는 linear term이 사라진다.

f(a+h)=f(a)+Qf,a(h)+o(h2).f(a+h) = f(a) + Q_{f,a}(h) + o(|h|^2).

여기서

Qf,a(h)=12hTHf(a)h\boxed{ Q_{f,a}(h) = \frac12h^TH_f(a)h }

는 Taylor polynomial의 quadratic part이다.

3) Signature of a Critical Point

critical point의 signature는

Qf,aQ_{f,a}

의 signature로 정의한다.

4) Strict Local Minimum

Qf,aQ_{f,a}

가 positive definite이면

a is a strict local minimum\boxed{ a\text{ is a strict local minimum} }

이다.

즉,

signature(a)=(n,0).\operatorname{signature}(a) = (n,0).

5) Strict Local Maximum

Qf,aQ_{f,a}

가 negative definite이면

a is a strict local maximum\boxed{ a\text{ is a strict local maximum} }

이다.

즉,

signature(a)=(0,n).\operatorname{signature}(a) = (0,n).

6) Saddle Point

signature가

(k,l),k>0,l>0(k,l), \qquad k>0,\quad l>0

이면 aa는 saddle이다.

Meaning: 어떤 directions에서는 증가하고 다른 directions에서는 감소한다.

7) Degenerate Case

quadratic form이 degenerate이면 second-order information만으로 minimum 또는 maximum을 결정하지 못할 수 있다.

Meaning: Hessian test가 결정적인 답을 주지 못하는 경우 higher-order terms를 조사해야 한다.


3.7 Constrained Critical Points and Lagrange Multipliers

1) Critical Point on a Manifold

f:MRf:M\to\mathbb{R}

에서 cc가 critical point라는 것은

Df(c)=0Df(c)=0

on

TcMT_cM

이라는 뜻이다.

즉,

TcMkerDf(c).T_cM \subset \ker Df(c).

2) Constraint

Manifold가

F(x)=0F(x)=0

으로 정의되면

TcM=kerDF(c).T_cM = \ker DF(c).

따라서 constrained critical point에서는

kerDF(c)kerDf(c).\ker DF(c) \subset \ker Df(c).

3) Lagrange Multipliers

constraints가

F1(x)=0,,Fm(x)=0F_1(x)=0,\ldots,F_m(x)=0

이라면 constrained critical point cc에서 어떤 numbers

λ1,,λm\lambda_1,\ldots,\lambda_m

가 존재하여

Df(c)=j=1mλjDFj(c)\boxed{ Df(c) = \sum_{j=1}^{m} \lambda_j DF_j(c) }

를 만족한다.

Gradient notation으로는

f(c)=λ1F1(c)++λmFm(c)\boxed{ \nabla f(c) = \lambda_1\nabla F_1(c) +\cdots+ \lambda_m\nabla F_m(c) }

이다.

4) One Constraint

constraint

g(x)=0g(x)=0

하나만 있는 경우

f(c)=λg(c)\boxed{ \nabla f(c)=\lambda\nabla g(c) }

g(c)=0g(c)=0

을 동시에 푼다.

5) Geometric Meaning

extremum에서는 level surface of ff와 constraint manifold가 tangent하다.

따라서 normal directions가 서로 dependent해진다.

6) Spectral Theorem

책에서는 Lagrange multipliers를 이용하여 real symmetric matrix의 spectral theorem을 얻는다.

Real symmetric matrix AA는 orthonormal eigenbasis를 가진다.

Avi=λivi\boxed{ Av_i=\lambda_i v_i }

그리고

v1,,vnv_1,\ldots,v_n

을 orthonormal하게 선택할 수 있다.

Meaning: symmetric matrix는 적절한 orthonormal coordinates에서 diagonal transformation이 된다.


3.8 Probability and the Singular Value Decomposition

1) Expected Value

random variable ff의 expected value는 probability-weighted average이다.

E(f)=if(si)P(si).E(f) = \sum_i f(s_i)P(s_i).

2) Centered Random Variable

f~=fE(f).\widetilde f = f-E(f).

Meaning: 각 value가 평균에서 얼마나 떨어져 있는지를 나타낸다.

3) Variance

Var(f)=E[(fE(f))2]\boxed{ \operatorname{Var}(f) = E \left[ (f-E(f))^2 \right] }

또는

Var(f)=E(f2)E(f)2.\operatorname{Var}(f) = E(f^2)-E(f)^2.

4) Standard Deviation

σ(f)=Var(f).\sigma(f) = \sqrt{\operatorname{Var}(f)}.

5) Covariance

cov(f,g)=E(fg)E(f)E(g)\boxed{ \operatorname{cov}(f,g) = E(fg)-E(f)E(g) }

이다.

6) Correlation

corr(f,g)=cov(f,g)σ(f)σ(g).\operatorname{corr}(f,g) = \frac{ \operatorname{cov}(f,g) }{ \sigma(f)\sigma(g) }.

Correlation은 linear relation을 측정한다.

7) Singular Value Decomposition

모든 real n×mn\times m matrix AA에 대해 orthogonal matrices P,QP,Q와 nonnegative rectangular diagonal matrix DD가 존재하여

A=PDQT\boxed{ A=PDQ^T }

로 나타낼 수 있다.

8) Singular Values

DD의 diagonal entries를 singular values라고 한다.

nonzero singular values는

ATAA^TA

의 eigenvalues의 square roots이다.

σi=λi(ATA).\sigma_i = \sqrt{\lambda_i(A^TA)}.

9) Principal Component Analysis

Covariance matrix는 symmetric matrix이므로 orthonormal eigenbasis를 가진다.

가장 큰 eigenvalue에 대응하는 eigenvector는 data가 가장 크게 변하는 direction이다.

이를 principal component라고 한다.

Meaning: PCA는 많은 dimensions의 data에서 variation이 큰 중요한 directions를 찾는다.


3.9 Geometry of Curves and Surfaces

1) Arc Length

curve

ϕ:[a,b]Rn\phi:[a,b]\to\mathbb{R}^n

의 arc length는

L=abϕ(t)dt\boxed{ L = \int_a^b |\phi'(t)|\,dt }

이다.

2) Parametrization by Arc Length

parameter ss가 실제 curve를 따라 이동한 distance이면

ϕ(s)=1.|\phi'(s)|=1.

3) Curvature of a Plane Curve

arc length로 parametrized된 curve에서는 curvature가

κ=ϕ(s)\boxed{ \kappa = |\phi''(s)| }

이다.

Meaning: tangent direction이 distance에 따라 얼마나 빠르게 변하는지를 나타낸다.

4) Curvature for an Arbitrary Parametrization

space curve

ϕ(t)\phi(t)

의 curvature는

κ=ϕ(t)×ϕ(t)ϕ(t)3\boxed{ \kappa = \frac{ |\phi'(t)\times\phi''(t)| }{ |\phi'(t)|^3 } }

이다.

5) Torsion

space curve의 torsion은

τ=(ϕ×ϕ)ϕϕ×ϕ2\boxed{ \tau = \frac{ (\phi'\times\phi'')\cdot\phi''' }{ |\phi'\times\phi''|^2 } }

이다.

Meaning: curve가 osculating plane에서 얼마나 빠르게 벗어나는지를 나타낸다.

Curvature가 bending을 나타낸다면 torsion은 nonplanarity를 나타낸다.

6) Adapted Coordinates for a Surface

surface SS의 point aa에서 tangent plane을 XYXY-plane으로 두고 normal direction을 ZZ-axis로 선택하면 locally

Z=f(X,Y)Z = f(X,Y)

로 표현할 수 있다.

이 coordinates에서는 constant와 linear terms가 사라지고

Z=12(A2,0X2+2A1,1XY+A0,2Y2)+higher-order terms.Z = \frac12 \left( A_{2,0}X^2 + 2A_{1,1}XY + A_{0,2}Y^2 \right) + \text{higher-order terms}.

7) Second Fundamental Form

surface의 quadratic terms

A2,0X2+2A1,1XY+A0,2Y2\boxed{ A_{2,0}X^2 + 2A_{1,1}XY + A_{0,2}Y^2 }

Second Fundamental Form이라고 한다.

associated symmetric matrix는

M=[A2,0A1,1A1,1A0,2].M= \begin{bmatrix} A_{2,0}&A_{1,1}\\ A_{1,1}&A_{0,2} \end{bmatrix}.

8) Principal Curvatures

Second fundamental form matrix MM의 eigenvalues를 principal curvatures라고 한다.

κ1,κ2.\kappa_1,\kappa_2.

9) Mean Curvature

H=12trM=κ1+κ22\boxed{ H = \frac12 \operatorname{tr}M = \frac{\kappa_1+\kappa_2}{2} }

이다.

10) Gaussian Curvature

K=detM=κ1κ2\boxed{ K = \det M = \kappa_1\kappa_2 }

이다.

또는

K=A2,0A0,2A1,12.K = A_{2,0}A_{0,2}-A_{1,1}^2.

11) Interpretation of Gaussian Curvature

  • K>0K>0: locally sphere-like
  • K<0K<0: locally saddle-like
  • K=0K=0: locally flat in at least one principal direction

Gaussian curvature는 surface 자체의 intrinsic geometry와 연결되는 중요한 quantity이다.

12) Minimal Surface

mean curvature vector가 zero인 surface를 minimal surface라고 한다.

H=0\boxed{ H=0 }

대표적인 물리적 예는 soap film이다.


Essential Study Checklist

반드시 이해해야 할 내용:

  • Smooth Manifold
  • Manifold Dimension
F:RnRnkdimM=kF:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^{n-k} \Rightarrow \dim M=k
  • Parametrization
  • Tangent Space
TaM=kerDF(a)\boxed{ T_aM=\ker DF(a) }
  • Parametrization으로부터 Tangent Space
Tϕ(u)M=imgDϕ(u)\boxed{ T_{\phi(u)}M = \operatorname{img}D\phi(u) }
  • Taylor Polynomial
  • Second-Order Approximation
f(a+h)f(a)+Df(a)h+12hTHf(a)h\boxed{ f(a+h) \approx f(a) + Df(a)h + \frac12h^TH_f(a)h }
  • Hessian Matrix
  • Little-oo Error
  • Taylor Polynomial의 Sum / Product / Composition Rules
  • Quadratic Form
Q(x)=xTAxQ(x)=x^TAx
  • Completing Squares
  • Signature
(k,l)(k,l)
  • Positive / Negative Definite
  • Degenerate / Nondegenerate
  • Critical Point
Df(a)=0Df(a)=0
  • Hessian을 이용한 Critical Point Classification
(n,0)minimum(n,0) \Rightarrow \text{minimum} (0,n)maximum(0,n) \Rightarrow \text{maximum} (k,l), k,l>0saddle(k,l),\ k,l>0 \Rightarrow \text{saddle}
  • Lagrange Multipliers
f=iλiFi\boxed{ \nabla f = \sum_i \lambda_i\nabla F_i }
  • Spectral Theorem for Symmetric Matrices
  • Expected Value
  • Variance / Covariance
  • Singular Value Decomposition
A=PDQT\boxed{ A=PDQ^T }
  • Singular Values
  • PCA의 기본 의미
  • Arc Length
L=ϕ(t)dtL = \int|\phi'(t)|dt
  • Curvature
κ=ϕ×ϕϕ3\boxed{ \kappa = \frac{ |\phi'\times\phi''| }{ |\phi'|^3 } }
  • Torsion
τ=(ϕ×ϕ)ϕϕ×ϕ2\boxed{ \tau = \frac{ (\phi'\times\phi'')\cdot\phi''' }{ |\phi'\times\phi''|^2 } }
  • Second Fundamental Form
  • Principal Curvatures
  • Mean Curvature
H=κ1+κ22H = \frac{\kappa_1+\kappa_2}{2}
  • Gaussian Curvature
K=κ1κ2K = \kappa_1\kappa_2