Vectors, Matrices, and Derivatives
선형대수와 다변수 미적분을 연결하는 벡터, 행렬, 선형변환, 극한, 연속성, 미분의 핵심 개념을 정리합니다.
1.1 Points and Vectors
1) Rn
Rn: n개의 실수로 이루어진 ordered list의 공간.
Rn={(x1,…,xn)∣xi∈R}.
Meaning: 다변수 문제를 다루는 기본 공간이다.
2) Point and Vector
같은 Rn의 원소라도 두 가지로 해석할 수 있다.
Point: 위치 또는 상태를 나타낸다.
x=x1⋮xn
Vector: 위치의 변화 또는 displacement를 나타낸다.
v=v1⋮vn
Meaning: point는 위치이고 vector는 위치 사이의 변화이다.
두 point의 차이는 vector이다.
a−b=a−b.
point에 vector를 더하면 새로운 point가 된다.
3) Vector Addition
v1⋮vn+w1⋮wn=v1+w1⋮vn+wn.
4) Scalar Multiplication
av1⋮vn=av1⋮avn.
5) Vector Subspace
Vector Subspace: V⊂Rn이 vector addition과 scalar multiplication에 대해 닫혀 있는 집합.
x,y∈V⇒x+y∈V
x∈V,a∈R⇒ax∈V.
Meaning: vector 연산을 해도 공간 밖으로 나가지 않는 부분공간이다.
6) Standard Basis
Rn의 standard basis vector는
e1=10⋮0,e2=01⋮0,…,en=0⋮01.
모든 vector는
v=v1e1+⋯+vnen
으로 나타낼 수 있다.
7) Vector Field
Vector Field: 각 point에 하나의 vector를 대응시키는 mapping.
F:Rn→Rn.
Meaning: 공간의 각 위치에서 방향과 크기를 나타내는 field이다.
1.2 Matrices
1) Matrix
Matrix: m개의 row와 n개의 column을 가지는 rectangular array.
A=a11⋮am1⋯⋱⋯a1n⋮amn.
A는 m×n matrix이다.
2) Matrix Addition
같은 크기의 matrix끼리 corresponding entry를 더한다.
(A+B)ij=aij+bij.
3) Scalar Multiplication
(cA)ij=caij.
4) Matrix Multiplication
A가 m×n, B가 n×p matrix이면
AB
는 m×p matrix이다.
각 entry는
(AB)ij=k=1∑naikbkj.
Meaning: A의 row와 B의 column의 dot product로 각 entry를 만든다.
Matrix multiplication은 일반적으로 commutative하지 않다.
AB=BA.
5) Identity Matrix
Identity Matrix:
I=10⋮001⋮0⋯⋯⋱⋯00⋮1.
AI=IA=A.
6) Transpose
Transpose: matrix의 row와 column을 서로 교환한다.
(AT)ij=Aji.
7) Inverse Matrix
Inverse Matrix: square matrix A에 대해
AA−1=A−1A=I
를 만족하는 matrix.
이러한 A−1이 존재하면 A를 invertible이라고 한다.
Linear Transformation: vector addition과 scalar multiplication을 보존하는 mapping.
T:Rn→Rm.
다음을 만족한다.
T(v+w)=T(v)+T(w)
T(cv)=cT(v).
Meaning: 입력의 선형구조를 그대로 유지하는 transformation이다.
2) Matrix Representation
모든 m×n matrix A는
T(v)=Av
를 통해 linear transformation
T:Rn→Rm
을 정의한다.
반대로 모든 linear transformation
T:Rn→Rm
은 하나의 m×n matrix로 표현할 수 있다.
T(v)=[T]v.
Matrix [T]의 column은
T(e1),T(e2),…,T(en)
이다.
Meaning: standard basis가 어디로 이동하는지만 알면 linear transformation 전체를 알 수 있다.
3) Composition and Matrix Multiplication
Linear transformations
T:Rn→Rm,S:Rm→Rp
에 대해
[S∘T]=[S][T].
Meaning: linear transformation의 composition은 matrix multiplication에 대응한다.
1.4 The Geometry of Rn
1) Dot Product
Dot Product:
x⋅y=i=1∑nxiyi.
Meaning: length와 angle을 정의하는 기본 연산이다.
2) Length
Length / Euclidean Norm:
∣x∣=x⋅x=x12+⋯+xn2.
3) Unit Vector
Unit Vector: length가 1인 vector.
∣u∣=1.
vector v=0을 normalize하면
∣v∣v
가 된다.
4) Schwarz Inequality
∣x⋅y∣≤∣x∣∣y∣.
Meaning: dot product의 크기는 두 vector 길이의 곱보다 클 수 없다.
5) Angle
두 nonzero vector 사이의 angle θ는
cosθ=∣x∣∣y∣x⋅y.
6) Orthogonal Vectors
Orthogonal: 두 vector의 dot product가 0인 경우.
x⋅y=0.
Meaning: 두 vector가 서로 직각이다.
7) Triangle Inequality
∣x+y∣≤∣x∣+∣y∣.
8) Distance
두 point x,y 사이의 distance는
∣x−y∣.
9) Determinant in R2
det[acbd]=ad−bc.
두 vector
u=[u1u2],v=[v1v2]
가 만드는 parallelogram의 area는
∣det[u,v]∣.
Meaning: determinant는 선형변환에 의한 oriented area scaling과 연결된다.
10) Cross Product
R3에서
u×v
는 u와 v 모두에 orthogonal한 vector이다.
(u×v)⋅u=0
(u×v)⋅v=0.
그 크기는
∣u×v∣=∣u∣∣v∣sinθ.
Meaning: 두 vector가 만드는 parallelogram의 area와 방향을 동시에 나타낸다.
1.5 Limits and Continuity
1) Open Ball
point x∈Rn을 중심으로 radius r인 open ball은
Br(x)={y∈Rn∣∣x−y∣<r}.
2) Open Set
Open Set: 모든 point 주위에 그 집합 안에 완전히 포함되는 open ball이 존재하는 집합.
x∈U⇒∃r>0 such that Br(x)⊂U.
3) Closed Set
Closed Set: 모든 limit point를 포함하는 집합.
Meaning: 집합 안의 수열이 수렴할 때 그 limit도 집합에 포함된다.
4) Convergent Sequence
sequence xk∈Rn이 a로 수렴한다는 것은
∀ϵ>0,∃N
이 존재하여
k>N⇒∣xk−a∣<ϵ
을 만족한다는 뜻이다.
표기:
xk→a.
5) Limit of a Function
x→alimf(x)=b
는 x가 a에 가까워질수록 f(x)가 b에 가까워진다는 뜻이다.
정확히는
∀ϵ>0,∃δ>0
이 존재하여
0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−b∣<ϵ.
6) Continuity
Continuous at a:
x→alimf(x)=f(a).
동등하게,
∀ϵ>0,∃δ>0
이 존재하여
∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−f(a)∣<ϵ.
Meaning: 입력의 작은 변화가 출력의 작은 변화로 이어진다.
1.6 Five Big Theorems
1) Compact Set
Rn에서 Compact Set은 closed이고 bounded인 집합이다.
2) Convergent Subsequence
compact set 안의 모든 sequence는 그 compact set의 어떤 point로 수렴하는 subsequence를 가진다.
Meaning: compact set 안에서는 sequence가 완전히 탈출할 수 없다.
3) Existence of Minima and Maxima
compact set C에서 continuous function
f:C→R
은 maximum과 minimum을 실제로 가진다.
즉, 어떤 a,b∈C가 존재하여
f(a)≤f(x)≤f(b)
for all x∈C.
compact set에서 continuous function은 uniformly continuous하다.
∀ϵ>0,∃δ>0
이 존재하여 모든 x,y에 대해
∣x−y∣<δ⇒∣f(x)−f(y)∣<ϵ.
Meaning: δ를 point마다 따로 선택할 필요가 없다.
5) Mean Value Theorem
f:[a,b]→R이 continuous이고 (a,b)에서 differentiable이면 어떤 c∈(a,b)가 존재하여
f′(c)=b−af(b)−f(a).
6) Fundamental Theorem of Algebra
degree가 1 이상인 모든 complex polynomial은 적어도 하나의 complex root를 가진다.
p(z0)=0.
따라서 degree n polynomial은 multiplicity를 포함하여 n개의 complex roots를 가진다.
1.7 Derivatives in Several Variables
1) Partial Derivative
함수
f:Rn→Rm
에서 i번째 변수만 변화시켜 계산한 derivative를 partial derivative라고 한다.
Dif(a)=h→0limhf(a+hei)−f(a).
Meaning: coordinate axis 방향으로 측정한 변화율이다.
2) Jacobian Matrix
f:Rn→Rm에 대해 Jacobian matrix는
Jf(a)=D1f1(a)⋮D1fm(a)⋯⋱⋯Dnf1(a)⋮Dnfm(a).
크기는
m×n
이다.
3) Derivative
f가 a에서 differentiable하다는 것은 어떤 linear transformation
L:Rn→Rm
이 존재하여
h→0lim∣h∣∣f(a+h)−f(a)−Lh∣=0
을 만족한다는 뜻이다.
이 linear transformation을 derivative라고 한다.
L=Df(a).
Meaning: derivative는 함수의 a 근처에서 가장 좋은 linear approximation이다.
즉,
f(a+h)≈f(a)+Df(a)h.
4) Derivative and Jacobian
f가 differentiable이면
Df(a)=Jf(a).
Meaning: 다변수 derivative는 하나의 숫자가 아니라 linear transformation이며, 좌표로 표현하면 Jacobian matrix이다.
주의:
모든 partial derivatives가 존재한다고 해서 반드시 differentiable한 것은 아니다.
5) Gradient
f:Rn→R에 대해
∇f(a)=D1f(a)⋮Dnf(a).
Gradient: 함수가 가장 빠르게 증가하는 방향을 나타내는 vector.
6) Directional Derivative
unit vector v 방향의 변화율은
Dvf(a)=Df(a)v.
scalar-valued function에서는
Dvf(a)=∇f(a)⋅v.
따라서
Dvf(a)=∣∇f(a)∣cosθ.
1.8 Rules for Computing Derivatives
1) Sum Rule
D(f+g)=Df+Dg.
2) Scalar Rule
constant c에 대해
D(cf)=cDf.
3) Product Rule
scalar-valued functions에 대해
D(fg)(a)v=f(a)Dg(a)v+Df(a)vg(a).
4) Quotient Rule
f(a)=0이면
D(fg)(a)v=f(a)2Dg(a)vf(a)−Df(a)vg(a).
5) Dot Product Rule
vector-valued functions f,g에 대해
D(f⋅g)(a)v=Df(a)v⋅g(a)+f(a)⋅Dg(a)v.
6) Chain Rule
g:U→V,f:V→Rp
이면
D(f∘g)(a)=Df(g(a))Dg(a).
Meaning: composition의 derivative는 derivative들의 composition이다.
Matrix 관점에서는
Jf∘g(a)=Jf(g(a))Jg(a).
1.9 Mean Value Theorem and Differentiability
1) Multivariable Mean Value Theorem
f:U→R이 differentiable이고 a와 b를 잇는 line segment가 U 안에 있으면 어떤
c∈(a,b)
가 존재하여
f(b)−f(a)=Df(c)(b−a).
Meaning: 두 point 사이의 전체 변화량은 중간의 어떤 point에서의 derivative로 표현할 수 있다.
2) Continuously Differentiable Function
C1 Function: 모든 first partial derivatives가 존재하고 continuous한 함수.
즉,
Dif
가 모두 continuous하다.
3) Criterion for Differentiability
f:U→Rm이 C1이면 f는 differentiable하다.
그리고
Df(a)=Jf(a).
Meaning: 실제 계산에서는 모든 partial derivative를 구한 뒤 그것들이 continuous임을 확인하면 differentiability를 보장할 수 있다.
4) Important Distinction
다음은 일반적으로 성립하지 않는다.
Partial derivatives exist⇒Differentiable.
하지만
f∈C1⇒f is differentiable.
따라서 실제 multivariable calculus에서는 C1 functions가 가장 중요한 함수 class이다.
Essential Study Checklist
반드시 이해해야 할 내용:
- Point와 Vector의 차이
- Vector Addition과 Scalar Multiplication
- Vector Subspace
- Standard Basis
- Matrix Multiplication
- Identity, Transpose, Inverse Matrix
- Linear Transformation
- Linear Transformation과 Matrix의 대응
- Composition과 Matrix Multiplication의 관계
- Dot Product
- Vector Length
- Schwarz Inequality
- Orthogonality
- Determinant의 geometric meaning
- Cross Product
- Open Set과 Closed Set
- Sequence와 Limit
- Continuity
- Compact Set
- Continuous function의 Maximum과 Minimum
- Mean Value Theorem
- Partial Derivative
- Jacobian Matrix
- Derivative as a Linear Transformation
- Linear Approximation
f(a+h)≈f(a)+Df(a)h
- Gradient와 Directional Derivative
- Chain Rule
D(f∘g)=DfDg
- Partial derivatives의 존재만으로 differentiability가 보장되지 않는다는 점
- C1이면 differentiable이라는 criterion