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Vectors, Matrices, and Derivatives

선형대수와 다변수 미적분을 연결하는 벡터, 행렬, 선형변환, 극한, 연속성, 미분의 핵심 개념을 정리합니다.

1.1 Points and Vectors

1) Rn\mathbb{R}^n

Rn\mathbb{R}^n: nn개의 실수로 이루어진 ordered list의 공간.

Rn={(x1,,xn)xiR}.\mathbb{R}^n = \left\{ (x_1,\ldots,x_n) \mid x_i\in\mathbb{R} \right\}.

Meaning: 다변수 문제를 다루는 기본 공간이다.

2) Point and Vector

같은 Rn\mathbb{R}^n의 원소라도 두 가지로 해석할 수 있다.

Point: 위치 또는 상태를 나타낸다.

x=(x1xn)x= \begin{pmatrix} x_1\\ \vdots\\ x_n \end{pmatrix}

Vector: 위치의 변화 또는 displacement를 나타낸다.

v=[v1vn]\vec{v} = \begin{bmatrix} v_1\\ \vdots\\ v_n \end{bmatrix}

Meaning: point는 위치이고 vector는 위치 사이의 변화이다.

두 point의 차이는 vector이다.

ab=ab.\vec{a-b} = a-b.

point에 vector를 더하면 새로운 point가 된다.

3) Vector Addition

[v1vn]+[w1wn]=[v1+w1vn+wn].\begin{bmatrix} v_1\\ \vdots\\ v_n \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} w_1\\ \vdots\\ w_n \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} v_1+w_1\\ \vdots\\ v_n+w_n \end{bmatrix}.

4) Scalar Multiplication

a[v1vn]=[av1avn].a \begin{bmatrix} v_1\\ \vdots\\ v_n \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} av_1\\ \vdots\\ av_n \end{bmatrix}.

5) Vector Subspace

Vector Subspace: VRnV\subset\mathbb{R}^n이 vector addition과 scalar multiplication에 대해 닫혀 있는 집합.

x,yVx+yVx,y\in V \Rightarrow x+y\in V xV,aRaxV.x\in V,\quad a\in\mathbb{R} \Rightarrow ax\in V.

Meaning: vector 연산을 해도 공간 밖으로 나가지 않는 부분공간이다.

6) Standard Basis

Rn\mathbb{R}^n의 standard basis vector는

e1=[100],e2=[010],,en=[001].e_1= \begin{bmatrix} 1\\ 0\\ \vdots\\ 0 \end{bmatrix}, \quad e_2= \begin{bmatrix} 0\\ 1\\ \vdots\\ 0 \end{bmatrix}, \quad \ldots, \quad e_n= \begin{bmatrix} 0\\ \vdots\\ 0\\ 1 \end{bmatrix}.

모든 vector는

v=v1e1++vnenv = v_1e_1+\cdots+v_ne_n

으로 나타낼 수 있다.

7) Vector Field

Vector Field: 각 point에 하나의 vector를 대응시키는 mapping.

F:RnRn.F:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^n.

Meaning: 공간의 각 위치에서 방향과 크기를 나타내는 field이다.


1.2 Matrices

1) Matrix

Matrix: mm개의 row와 nn개의 column을 가지는 rectangular array.

A=[a11a1nam1amn].A= \begin{bmatrix} a_{11}&\cdots&a_{1n}\\ \vdots&\ddots&\vdots\\ a_{m1}&\cdots&a_{mn} \end{bmatrix}.

AAm×nm\times n matrix이다.

2) Matrix Addition

같은 크기의 matrix끼리 corresponding entry를 더한다.

(A+B)ij=aij+bij.(A+B)_{ij} = a_{ij}+b_{ij}.

3) Scalar Multiplication

(cA)ij=caij.(cA)_{ij} = ca_{ij}.

4) Matrix Multiplication

AAm×nm\times n, BBn×pn\times p matrix이면

ABAB

m×pm\times p matrix이다.

각 entry는

(AB)ij=k=1naikbkj.(AB)_{ij} = \sum_{k=1}^{n}a_{ik}b_{kj}.

Meaning: AA의 row와 BB의 column의 dot product로 각 entry를 만든다.

Matrix multiplication은 일반적으로 commutative하지 않다.

ABBA.AB\neq BA.

5) Identity Matrix

Identity Matrix:

I=[100010001].I= \begin{bmatrix} 1&0&\cdots&0\\ 0&1&\cdots&0\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ 0&0&\cdots&1 \end{bmatrix}. AI=IA=A.AI=IA=A.

6) Transpose

Transpose: matrix의 row와 column을 서로 교환한다.

(AT)ij=Aji.(A^T)_{ij} = A_{ji}.

7) Inverse Matrix

Inverse Matrix: square matrix AA에 대해

AA1=A1A=IAA^{-1} = A^{-1}A = I

를 만족하는 matrix.

이러한 A1A^{-1}이 존재하면 AA를 invertible이라고 한다.


1.3 Linear Transformations

1) Linear Transformation

Linear Transformation: vector addition과 scalar multiplication을 보존하는 mapping.

T:RnRm.T:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^m.

다음을 만족한다.

T(v+w)=T(v)+T(w)T(v+w) = T(v)+T(w) T(cv)=cT(v).T(cv) = cT(v).

Meaning: 입력의 선형구조를 그대로 유지하는 transformation이다.

2) Matrix Representation

모든 m×nm\times n matrix AA

T(v)=AvT(v)=Av

를 통해 linear transformation

T:RnRmT:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^m

을 정의한다.

반대로 모든 linear transformation

T:RnRmT:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^m

은 하나의 m×nm\times n matrix로 표현할 수 있다.

T(v)=[T]v.T(v) = [T]v.

Matrix [T][T]의 column은

T(e1),T(e2),,T(en)T(e_1),T(e_2),\ldots,T(e_n)

이다.

Meaning: standard basis가 어디로 이동하는지만 알면 linear transformation 전체를 알 수 있다.

3) Composition and Matrix Multiplication

Linear transformations

T:RnRm,S:RmRpT:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^m, \qquad S:\mathbb{R}^m\to\mathbb{R}^p

에 대해

[ST]=[S][T].[S\circ T] = [S][T].

Meaning: linear transformation의 composition은 matrix multiplication에 대응한다.


1.4 The Geometry of Rn\mathbb{R}^n

1) Dot Product

Dot Product:

xy=i=1nxiyi.x\cdot y = \sum_{i=1}^{n}x_i y_i.

Meaning: length와 angle을 정의하는 기본 연산이다.

2) Length

Length / Euclidean Norm:

x=xx=x12++xn2.|x| = \sqrt{x\cdot x} = \sqrt{x_1^2+\cdots+x_n^2}.

3) Unit Vector

Unit Vector: length가 11인 vector.

u=1.|u|=1.

vector v0v\neq0을 normalize하면

vv\frac{v}{|v|}

가 된다.

4) Schwarz Inequality

xyxy.|x\cdot y| \leq |x||y|.

Meaning: dot product의 크기는 두 vector 길이의 곱보다 클 수 없다.

5) Angle

두 nonzero vector 사이의 angle θ\theta

cosθ=xyxy.\cos\theta = \frac{x\cdot y}{|x||y|}.

6) Orthogonal Vectors

Orthogonal: 두 vector의 dot product가 00인 경우.

xy=0.x\cdot y=0.

Meaning: 두 vector가 서로 직각이다.

7) Triangle Inequality

x+yx+y.|x+y| \leq |x|+|y|.

8) Distance

두 point x,yx,y 사이의 distance는

xy.|x-y|.

9) Determinant in R2\mathbb{R}^2

det[abcd]=adbc.\det \begin{bmatrix} a&b\\ c&d \end{bmatrix} = ad-bc.

두 vector

u=[u1u2],v=[v1v2]u= \begin{bmatrix} u_1\\ u_2 \end{bmatrix}, \qquad v= \begin{bmatrix} v_1\\ v_2 \end{bmatrix}

가 만드는 parallelogram의 area는

det[u,v].|\det[u,v]|.

Meaning: determinant는 선형변환에 의한 oriented area scaling과 연결된다.

10) Cross Product

R3\mathbb{R}^3에서

u×vu\times v

uuvv 모두에 orthogonal한 vector이다.

(u×v)u=0(u\times v)\cdot u=0 (u×v)v=0.(u\times v)\cdot v=0.

그 크기는

u×v=uvsinθ.|u\times v| = |u||v|\sin\theta.

Meaning: 두 vector가 만드는 parallelogram의 area와 방향을 동시에 나타낸다.


1.5 Limits and Continuity

1) Open Ball

point xRnx\in\mathbb{R}^n을 중심으로 radius rr인 open ball은

Br(x)={yRnxy<r}.B_r(x) = \{y\in\mathbb{R}^n\mid |x-y|<r\}.

2) Open Set

Open Set: 모든 point 주위에 그 집합 안에 완전히 포함되는 open ball이 존재하는 집합.

xUr>0 such that Br(x)U.x\in U \Rightarrow \exists r>0 \text{ such that } B_r(x)\subset 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 xkRnx_k\in\mathbb{R}^naa로 수렴한다는 것은

ϵ>0,N\forall\epsilon>0,\quad \exists N

이 존재하여

k>Nxka<ϵk>N \Rightarrow |x_k-a|<\epsilon

을 만족한다는 뜻이다.

표기:

xka.x_k\to a.

5) Limit of a Function

limxaf(x)=b\lim_{x\to a}f(x)=b

xxaa에 가까워질수록 f(x)f(x)bb에 가까워진다는 뜻이다.

정확히는

ϵ>0,δ>0\forall\epsilon>0,\quad \exists\delta>0

이 존재하여

0<xa<δf(x)b<ϵ.0<|x-a|<\delta \Rightarrow |f(x)-b|<\epsilon.

6) Continuity

Continuous at aa:

limxaf(x)=f(a).\lim_{x\to a}f(x)=f(a).

동등하게,

ϵ>0,δ>0\forall\epsilon>0,\quad \exists\delta>0

이 존재하여

xa<δf(x)f(a)<ϵ.|x-a|<\delta \Rightarrow |f(x)-f(a)|<\epsilon.

Meaning: 입력의 작은 변화가 출력의 작은 변화로 이어진다.


1.6 Five Big Theorems

1) Compact Set

Rn\mathbb{R}^n에서 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 CC에서 continuous function

f:CRf:C\to\mathbb{R}

은 maximum과 minimum을 실제로 가진다.

즉, 어떤 a,bCa,b\in C가 존재하여

f(a)f(x)f(b)f(a)\leq f(x)\leq f(b)

for all xCx\in C.

4) Uniform Continuity on Compact Sets

compact set에서 continuous function은 uniformly continuous하다.

ϵ>0,δ>0\forall\epsilon>0,\quad \exists\delta>0

이 존재하여 모든 x,yx,y에 대해

xy<δf(x)f(y)<ϵ.|x-y|<\delta \Rightarrow |f(x)-f(y)|<\epsilon.

Meaning: δ\delta를 point마다 따로 선택할 필요가 없다.

5) Mean Value Theorem

f:[a,b]Rf:[a,b]\to\mathbb{R}이 continuous이고 (a,b)(a,b)에서 differentiable이면 어떤 c(a,b)c\in(a,b)가 존재하여

f(c)=f(b)f(a)ba.f'(c) = \frac{f(b)-f(a)}{b-a}.

6) Fundamental Theorem of Algebra

degree가 11 이상인 모든 complex polynomial은 적어도 하나의 complex root를 가진다.

p(z0)=0.p(z_0)=0.

따라서 degree nn polynomial은 multiplicity를 포함하여 nn개의 complex roots를 가진다.


1.7 Derivatives in Several Variables

1) Partial Derivative

함수

f:RnRmf:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^m

에서 ii번째 변수만 변화시켜 계산한 derivative를 partial derivative라고 한다.

Dif(a)=limh0f(a+hei)f(a)h.D_i f(a) = \lim_{h\to0} \frac{f(a+he_i)-f(a)}{h}.

Meaning: coordinate axis 방향으로 측정한 변화율이다.

2) Jacobian Matrix

f:RnRmf:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^m에 대해 Jacobian matrix는

Jf(a)=[D1f1(a)Dnf1(a)D1fm(a)Dnfm(a)].J_f(a) = \begin{bmatrix} D_1f_1(a)&\cdots&D_nf_1(a)\\ \vdots&\ddots&\vdots\\ D_1f_m(a)&\cdots&D_nf_m(a) \end{bmatrix}.

크기는

m×nm\times n

이다.

3) Derivative

ffaa에서 differentiable하다는 것은 어떤 linear transformation

L:RnRmL:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^m

이 존재하여

limh0f(a+h)f(a)Lhh=0\lim_{h\to0} \frac{ |f(a+h)-f(a)-Lh| }{ |h| } = 0

을 만족한다는 뜻이다.

이 linear transformation을 derivative라고 한다.

L=Df(a).L=Df(a).

Meaning: derivative는 함수의 aa 근처에서 가장 좋은 linear approximation이다.

즉,

f(a+h)f(a)+Df(a)h.f(a+h) \approx f(a)+Df(a)h.

4) Derivative and Jacobian

ff가 differentiable이면

Df(a)=Jf(a).Df(a) = J_f(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:RnRf:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}에 대해

f(a)=[D1f(a)Dnf(a)].\nabla f(a) = \begin{bmatrix} D_1f(a)\\ \vdots\\ D_nf(a) \end{bmatrix}.

Gradient: 함수가 가장 빠르게 증가하는 방향을 나타내는 vector.

6) Directional Derivative

unit vector vv 방향의 변화율은

Dvf(a)=Df(a)v.D_vf(a) = Df(a)v.

scalar-valued function에서는

Dvf(a)=f(a)v.D_vf(a) = \nabla f(a)\cdot v.

따라서

Dvf(a)=f(a)cosθ.D_vf(a) = |\nabla f(a)|\cos\theta.

1.8 Rules for Computing Derivatives

1) Sum Rule

D(f+g)=Df+Dg.D(f+g) = Df+Dg.

2) Scalar Rule

constant cc에 대해

D(cf)=cDf.D(cf) = cDf.

3) Product Rule

scalar-valued functions에 대해

D(fg)(a)v=f(a)Dg(a)v+Df(a)vg(a).D(fg)(a)v = f(a)Dg(a)v + Df(a)v\,g(a).

4) Quotient Rule

f(a)0f(a)\neq0이면

D(gf)(a)v=Dg(a)vf(a)Df(a)vg(a)f(a)2.D\left(\frac{g}{f}\right)(a)v = \frac{ Dg(a)v\,f(a) - Df(a)v\,g(a) }{ f(a)^2 }.

5) Dot Product Rule

vector-valued functions f,gf,g에 대해

D(fg)(a)v=Df(a)vg(a)+f(a)Dg(a)v.D(f\cdot g)(a)v = Df(a)v\cdot g(a) + f(a)\cdot Dg(a)v.

6) Chain Rule

g:UV,f:VRpg:U\to V, \qquad f:V\to\mathbb{R}^p

이면

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

Meaning: composition의 derivative는 derivative들의 composition이다.

Matrix 관점에서는

Jfg(a)=Jf(g(a))Jg(a).J_{f\circ g}(a) = J_f(g(a))J_g(a).

1.9 Mean Value Theorem and Differentiability

1) Multivariable Mean Value Theorem

f:URf:U\to\mathbb{R}이 differentiable이고 aabb를 잇는 line segment가 UU 안에 있으면 어떤

c(a,b)c\in(a,b)

가 존재하여

f(b)f(a)=Df(c)(ba).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

C1C^1 Function: 모든 first partial derivatives가 존재하고 continuous한 함수.

즉,

DifD_if

가 모두 continuous하다.

3) Criterion for Differentiability

f:URmf:U\to\mathbb{R}^mC1C^1이면 ff는 differentiable하다.

그리고

Df(a)=Jf(a).Df(a) = J_f(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.\text{Partial derivatives exist} \;\not\Rightarrow\; \text{Differentiable}.

하지만

fC1f is differentiable.f\in C^1 \Rightarrow f\text{ is differentiable}.

따라서 실제 multivariable calculus에서는 C1C^1 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)hf(a+h) \approx f(a)+Df(a)h
  • Gradient와 Directional Derivative
  • Chain Rule
D(fg)=DfDgD(f\circ g) = Df\,Dg
  • Partial derivatives의 존재만으로 differentiability가 보장되지 않는다는 점
  • C1C^1이면 differentiable이라는 criterion