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Null Space of A

임의의 행렬 A가 있을 때, 행렬 A의 Nullspace란 방정식 Ax=0의 해집합으로 모든 해를 포함하여 N(A)로 표기한다. \(N(A)\ =\ \{ X\ |\ AX=0 \}\) Nullspace도 집합이지만, space가 될 조건을 만족하는지 알아봐야한다.

  1. closed under addition

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  1. closed under scalar multiplication

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Example

\[\begin{aligned} \begin{cases} u\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ +w\ =\ 0 \\ 5u\ +\ 4v\ +\ 9w\ =\ 0\\ 2u\ + 4v\ +\ 6w\ =\ 0\\ \end{cases} \\ \Rightarrow u + w = 0,\ v+w=0 \circled1 \end{aligned}\]

w=c 라고 한다면, u = v = -c 가 된다.

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Solving Ax = 0 & Ax = b

만약 방정식의 갯수보다 변수의 갯수가 많을 때 해집합을 어떻게 구할 수 있을까?

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Echelon form U

다음과 같은 행렬로 표현된 1차 연립방정식을 예를 들어 살펴보자.

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  1. 주어진 1차 연립방정식을 가우스 소거법을 사용한다.
  2. 그런데 2행의 pivot element가 0이 되었기 때문에 해당 행에서 pivot element 다음의 원소를 pivot element로 취급한다.
  3. squared matrix가 아니기 때문에 대각 행렬을 명확히 표현할 수 없다. 그래서 Echelon Form을 사용하여 행렬을 표현한다.
  4. 결국 마지막 행의 element가 모두 0이 되는데 이것을 Row Reduced form이라고 한다.

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이때 우리는 두 가지의 새로운 변수를 정의하고

  • pivot variables : u, w
  • free variables : v, z

pivot variables 들을 free variables로 표현한다.

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변수 v와 z와 column vector들의 곱으로 나타낼 수 있는데, 이때의 column vector들을 special solution이라고 한다.

즉, u,v,w,z의 4차원 집합에서 해집합에 해당하는 방정식을 적당한 실수배를 한 뒤, 벡터로 표현할 수 있다.

신기하게도 Vector Space의 dimension은 바로 special solution의 갯수이다.