벡터의 일차결합
일차결합은 주어진 벡터들의 집합에서 덧셈과 곱셈만으로 새 벡터를 만드는 방법이다.
일차결합이란
어떤 벡터공간 V가 있다고 하자. 공간은 벡터의 덧셈에 대해 닫혀 있으므로 두 벡터 x, y ∈ V에 대해 언제나 x + y ∈ V이다. 두 벡터를 더하면 다시 같은 공간의 벡터를 얻는다. 스칼라배도 마찬가지이다. 어떤 k ∈ ℝ이 있으면 k · x ∈ V이다.
두 연산을 함께 쓸 수도 있다. k, l ∈ ℝ을 잡으면 식 k · x + l · y는 다시 새 벡터가 되는데, 이것을 v라고 하자. 이 벡터 v도 공간 V에 있다. 왜일까? k · x ∈ V이고 분명히 l · y ∈ V이다. 공간 V의 두 벡터를 더하므로 정의에 따라 공간 V의 벡터를 얻어야 한다.
그래서 벡터 v는 벡터 x와 y의 일차결합이라고 말할 수 있다. 일반적으로, 벡터 x1, x2, …, xn과 계수라고 부르는 실수 k1, k2, …, kn이 있으면 이 벡터들의 일차결합은 다음과 같이 얻는 벡터 v이다.
예: 공간 ℝ2에서 벡터 두 개 (2, 3)과 (0, 8)을 잡는다. 이제 계수 k1 = 2, k2 = 5를 고른다. 계수 k1, k2로 이 벡터들의 일차결합을 만들면 다음 벡터를 얻는다.
공간 ℝ2에 속하는 벡터 (4, 46)을 얻었다. 다른 계수를 고르면 다른 벡터를 얻는다. k1 = 0, k2 = −1이면 다음과 같다.
일차종속인 벡터
일차결합과 관련된 것이 일차종속인 벡터와 일차독립인 벡터이다. 예를 들어 살펴보자. 벡터공간 ℝ2와 이 공간의 벡터들의 집합 Q가 있다고 하자.
이제 이 네 벡터 가운데 어떤 것을 나머지 세 벡터의 일차결합으로 나타낼 수 있는지 알아보자. 벡터들을 들여다보면 벡터 (3, 5)가 처음 두 벡터의 단순한 합이라는 것을 알 수 있다.
따라서 벡터 (3, 5)는 벡터 (1, 1)과 (2, 4)의 일차결합이다. 재미 삼아 이 벡터를 집합 Q에서 빼자. 그러면 새 집합 Q1을 얻는다.
나머지 벡터들의 일차결합인 벡터가 또 있을까? 있다. 벡터 (10, 18)은 k1 = 2, k2 = 4일 때 처음 두 벡터의 일차결합이다.
이 벡터도 빼면 다음을 얻는다.
다시 묻는다. 한 벡터를 다른 벡터의 결합으로 얻을 수 있을까? 얻을 수 없다. 벡터 (1, 1)을 몇 배 해도 벡터 (2, 4)가 되지 않는다.
어떤 벡터도 나머지 벡터들의 일차결합으로 나타낼 수 없는 벡터들의 집합을 얻었다. 이런 집합을 일차독립인 벡터들의 집합이라고 한다. 한 벡터를 나머지 벡터들의 결합으로 나타낼 수 있으면 그 벡터를 일차종속인 벡터라고 한다. 나타낼 수 없으면 일차독립인 벡터라고 한다.
영벡터
영벡터 0은 일차종속에서 중요한 역할을 한다. 벡터들의 집합 Q1과 공간 ℝ2로 돌아가자. 집합 Q1은 다음과 같다.
2 · (1, 1) + 4 · (2, 4) = (10, 18)이므로 벡터 (10, 18)이 종속이라는 것은 이미 안다. 그러면 식 2 · (1, 1) + 4 · (2, 4)에서 벡터 (10, 18)을 빼면, 다시 말해 그 −1배를 더하면 어떻게 될까? 다음과 같다.
이 식은 분명히 영벡터와 같다.
여기서 흥미로운 성질을 이끌어 낼 수 있다. 벡터들의 집합 x1, x2, …, xn이 일차종속이면 다음을 만족하는 실수 계수 a1, a2, …, an이 있다.
이때 계수 ai 가운데 적어도 하나는 0이 아니어야 한다. 모든 계수에 0을 대입하면 언제나 성립하는 등식을 얻으므로, 어떤 벡터들의 집합이든 일차종속이라는 결론이 나오는데, 이것은 분명히 말이 안 된다. 앞의 등식이 성립하는 이유는 간단하다. 예를 들어 벡터 x1이 일차종속이면 다음이 성립한다는 뜻이다.
이 등식에 −x1을 더하기만 하면 다음을 얻는다.
벡터가 종속인지 판단하는 방법
벡터 x1, x2, …, xn이 있을 때 이 벡터들이 일차종속인지 일차독립인지 알고 싶으면 앞의 방정식
을 풀면 된다. 즉 계수 ai를 찾으면 된다. 공간 ℝ3에서라면 벡터 (1, 2, 3), (2, 1, 7), (1, −4, 5)를 생각할 수 있다. 이 벡터들이 종속인지 알고 싶으므로 다음 방정식을 푼다.
이 방정식을 벡터의 덧셈과 곱셈의 정의에 따라 풀어 쓰기만 하면 된다. a1 · (1, 2, 3) = (a1, 2a1, 3a1) 등이 성립한다. 다음과 같이 풀어 쓴다.
이제 덧셈을 풀어 쓴다. 언제나 같은 자리끼리 더하므로 첫 번째 벡터의 첫 번째 성분 a1, 두 번째 벡터의 첫 번째 성분 2a2, 세 번째 벡터의 첫 번째 성분 a3을 더하고, 이 모두가 영벡터의 첫 번째 성분, 즉 0과 같아야 한다. 두 번째와 세 번째 성분도 마찬가지이다. 그러면 연립일차방정식을 얻는다.
이 연립방정식은 보통의 행렬로 쓸 수 있다.
이 행렬의 열에는 사실 원래 벡터들이 있다는 점에 주목하자. 행렬의 첫 번째 열에는 원래 벡터 (1, 2, 3)이, 세 번째 열에는 벡터 (1, −4, 5)가 있고, 나머지도 마찬가지이다. 그러니 계산할 때 이 복잡한 변형을 매번 다 할 필요 없이, 종속인지 알아볼 벡터들을 열로 늘어놓고 영열을 덧붙여서 이 행렬을 만들면 된다.
연립방정식은 가우스 소거법으로 풀 수 있다. 행렬을 사다리꼴로 바꾼다. 먼저 두 번째 행에 첫 번째 행의 −2배를 더하고, 세 번째 행에 첫 번째 행의 −3배를 더한다.
이제 두 번째 행에 세 번째 행의 3배를 더할 수 있다.
더 계산할 필요도 없다. 한 행을 0으로 만들었으므로 벡터들은 일차종속이다. 하지만 연립방정식을 끝까지 풀어 볼 수도 있다. 매개변수를 a3 = t로 잡는다. 그러면 행렬의 마지막 행인 방정식
에 a3 = t를 대입해서 다음 방정식을 얻는다.
이제 이 값들을 첫 번째 방정식, 즉 행렬의 첫 번째 행에 대입한다.
그러니 a1 = 3t, a2 = −2t, a3 = t이다. t에 예를 들어 t = 3을 대입하면 구체적인 해 a1 = 9, a2 = −6, a3 = 3을 하나 얻는다. 이 계수들을 원래 방정식
에 대입하면 다음을 얻는다.
좌변을 정리한다.
계수를 예를 들어 a1 = 9, a2 = −6, a3 = 3으로 고르면 벡터 (1, 2, 3), (2, 1, 7), (1, −4, 5)에서 영벡터를 얻는다는 것을 알 수 있다. 연립방정식의 해가 자명한 해 하나뿐이었다면 벡터들은 일차독립이었을 것이다.