[선형대수] 행 사다리꼴(Row echelon form), 계수(Rank), 그리고 선형연립방정식 해의 존재성(existence)과 유일성(uniqueness)

지난번 포스팅에서는 계수(rank)의 개념에 대하여 알아보았습니다.

 

이번 포스팅에서는 행 사다리꼴(Row echelon form)과 계수(Rank)를 이용해서 선형연립방정식 해의 존재성(existence)과 유일성(uniqueness)을 알아보는 방법을 소개하겠습니다.

 

이전의 가우스 소거법이나 행렬식(determinant), 계수(rank) 등에 대해서 포스팅했던 내용과 일부 겹치기도 하는데요, 해의 존재성과 유일성이라는 관점에서 다시 한번 정리를 해보겠습니다.

 

 

먼저 n개의 x1, ... xn변수와 m개의 연립방정식이 있다고 했을 때(아래 그림의 왼쪽 상단), 이를 행렬로 표기하는 방법은 아래 그림의 우측 상단과 같습니다. 

 

 

  

 

 

 

a11, ..., amn은 이 연립방정식의 계수(coefficient)라고 합니다 (Rank도 계수라고 해서 좀 헷갈리는 부분이 있습니다...)  이들 계수(coefficient)로만 이루어진 행렬을 위 선형연립방정식의 계수행렬 (coefficient matrix)라고 하며, 위의 그림의 왼쪽 하단에 있는 행렬이 되겠습니다.

 

이 계수행렬의 우측에 연립방정식의 우변의 b1, ..., bm 을 추가한 행렬을 위 연립방정식의 첨가행렬(augmented matrix)라고 하며, 위 그림의 우측 하단에 있는 행렬이 되겠습니다.

 

 

계수행렬 또는 첨가행렬에 대해서 아래의 기본행연산(elementary row operations)을 통해서 연립방정식을 푸는 과정으로 가우스 소거법(Gauss elimination), 가우스-조르단 소거법(Gauss-Jordan elimination)이 있는데요, 마지막에 정리된 후의 모습은 아래와 같은 행 사다리꼴(Row echelon form)이 됩니다.  

 

 

행렬에 대한 기본 행 연산 (elementary row operations)     1. 두 행을 교환하는 것   2. 한 행의 상수배를 다른 행에 더하는 것   3. 한 행에 0이 아닌 상수를 곱하는 것

 

 

 

 

 

 

가우스 소거법의 행 사다리꼴을 기준으로 설명을 하자면, 모든 성분이 0인 행이 제일 아래쪽에 오도록 기본 행 연산을 수행합니다. 그 외의 행에서는 0이 왼쪽에 오고 0이 아닌 성분은 오른쪽에 오도록 정리를 기본 행 연산을 하게 됩니다.  말로 설명하려니 쉽지가 않은 데요, 위의 그림의 행 사다리꼴의 0인 부분에 색깔을 칠해 두었으니 그림을 보는 것이 이해가 더 쉽겠네요. (가우스-조르단 소거법의 기약행 사다리꼴은 일단 패스...)

 

 

아래의 그림은 행 사다리꼴(Row echelon form)의 첨가행렬(augmented matrix)을 나타낸 것입니다.

 

 

 

가우스 소거법의 마지막에 얻을 수 있는 위의 행 사다리꼴의 첨가행렬 C를 가지고 선형연립방정식의 행에 대한 매우 중요한 아래와 같은 정보를 쉽게 직관적으로 얻을 수 있습니다.

 

 

1) 행렬 C의 모든 성분이 0이 아닌 행의 개수는 r이 바로 행렬 C의 계수(Rank) 이며, 동치 행렬 A의 계수(Rank) 이기도 합니다.  n개의 미지수 x1, ..., xn 에 관한 m개의 선형연립방정식이 모순이 없기 위한 (consistent) 필요충분조건은 계수행렬 A와 첨가행렬 C가 같은 계수를 갖는 것입니다.

 

 

2) 행렬 C가 모든 성분이 0인 행을 적어도 1개 이상 가지고 있어서 r < m 이고 & dr+1, ..., dm 중 적어도 한 개 이상이 0이 아닐 경우 해가 없습니다.  모든 계수(coefficient)의 성분이 0인 행의 경우 x 값에 어떠한 실수가 들어가도 0이 나올 수 밖에 없는데요, 우변의 d 는 0이 아닌 실수라고 하면 모순(inconsistent)이 되기 때문입니다.

 

 

3) 행렬 C가 모든 성분이 0인 행을 적어도 1개 이상 가지고 있어서 r < m 이거나 r = m 이더라도 dr+1, ..., dm 이 모두 0이라면 해가 존재(existence)합니다.

 

 

4) r = n 이고 모순이 없는 경우 해가 유일(unique solution)하게 존재합니다.

 

 

5) 행렬 A와 C가 같은 계수 r을 가지고 r < n 이면 무수히 많은 해(infinitely many solutions)가 존재하게 됩니다.  r < n 이므로 임의의 값을 할당할 수 있는 n-r 개의 미지수로 나머지 r개의 미지수를 표현함으로써 모든 해를 얻을 수 있습니다.

 

 

다음번 포스팅에서는 행렬의 고유값(eigenvalue)과 고유벡터(eigenvector)에 대해서 알아보겠습니다.

 

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