Vector Space   벡터 공간

(2024-09-04)

Linear Vector Space, 선형 벡터공간, Linear Space, 선형 공간, Vector Space Axiom, 벡터공간 공리


1. 벡터 공간 (Vector Space)

  ㅇ 어떤 원소들의 집합 위에, 덧셈과 스칼라배 연산이 정의되며,
     - 이로써, 수학적 체계(대수적 구조)를 형성하는 추상적 공간


2. 벡터 공간의 의미

  ㅇ (기초적 의미) : 현실 공간추상화시킨 것
     - 벡터 공간은 현실 공간의 성질(주로,선형적인 성질)을 특정 수준으로 추상화시킨 것
        . 즉, 유클리드 공간을 적절하게 추상화, 일반화시킨 공간 이라고 할 수 있음

  ㅇ (공리적 의미) : 아래 3.항과 같은 여러 공리들을 만족하는 것
     - 10가지 벡터공간 공리(Axiom)를 만족하며, 2가지 연산(덧셈,스칼라곱셈)이 가능한 집합
        . 2개 연산(덧셈 및 스칼라배)으로 8개 연산법칙이 성립되는 공간

  ㅇ (`벡터`,`공간`의 의미)
     - 벡터 : 대상되는 집합의 원소들의 수학적 거동을 표현하는 추상적 개념
        . 굳이, 방향 및 크기를 나타내는 물리학적/기하학벡터로 제한시킬 필요 없음   ☞ n 순서쌍
     - 공간 : 기하학도형(圖形) 및 대수학수(數)의 성질 모두를 갖는 수학적 개념
        . 만일, 공간이 대수적 규칙을 따르지 않는다면, 단지 도형,수들이 흩뿌려진 것에 불과함


3. 10가지 벡터공간 공리(Axiom)

  ㅇ 덧셈 관련
     - (1) 벡터공간 V는 덧셈에 대해 닫혀있음/닫힘성 (closed under addition)
        . 즉, ab가 V에서 존재하면, a + b 도 V에서 존재함
     - (2) (가환성,commutativity)  a + b = b + a
     - (3) (결합성,associativity)  (a + b) + c = a + (b + c)
     - (4) (영 벡터가 존재함)   a + 0 = a
        . 모든 a에 대해 만족스러운 유일한 영 벡터가 존재함
     - (5) (덧셈 역원이 존재함)  a + (-a) = 0
        . 각 원소 마다 덧셈 역원이 유일하게 존재함

  ㅇ 스칼라배 관련
     - (6) 벡터공간 V는 스칼라배에 대해 닫혀있음/닫힘성 (closed under scalar multiplication)
        . 즉, a가 V에서 존재하고 α가 스칼라이면, αa도 V에서 존재함
     - (7) (스칼라 결합성)  α(βa) = (αβ)a
     - (8) (단위원)  1 a = a
     - (9) (분배성,distributivity)  α (a + b) = αa + αb
     - (10) (분배성,distributivity)  (α + β) a = αa + βa


4. 벡터 공간의 참고할 점벡터 공간 내 벡터 곱셈내적,외적기하학적 의미
     - 내적 : 스칼라 값을 결과로 내놓음
        . 두 벡터 간의 '평행성',`각도`,`거리` 등의 정보를 제공
           .. 각도 : 0 (서로 수직), 양수 (같은 방향에 가까움), 음수 (반대 방향에 가까움)
           .. 거리 : {# \|\mathbf{x}-\mathbf{y}\| = \sqrt{ \|\mathbf{x}\|^2 + \|\mathbf{y}\|^2 
                                         - 2\mathbf{x}\cdot\mathbf{y} } #}
           .. 벡터 투영 : 
[# Proj_{\mathbf{y}} \mathbf{x} = \frac{\mathbf{x}\cdot\mathbf{y}}{\mathbf{y}\cdot\mathbf{y}} \mathbf{y} #]
등 * 사실, 벡터 공간 그 자체로는 길이,각도 등에 대한 개념이 없음 . 따라서, 길이,각도 등은 내적이 관계될 때 만 가능 ☞ 내적, 내적공간 참조 - 외적 : 두 벡터가 생성하는 평면에 수직한 벡터를 생성 . `면적`,`방향` 정보를 제공 .. 수직한 벡터의 크기 : 두 벡터가 이루는 평행사변형의 면적을 나타냅 .. 수직한 벡터의 방향 : 오른손 법칙에 따라, 두 벡터평면에 수직한 방향을 가르킴 ㅇ 보다 작은 벡터 공간 있음 : 부분 공간 - 그 기본구조를 그대로 유지하며, 보다 작은 벡터공간 ☞ 부분공간 참조 ㅇ 용어상 유의점 : 선형 벡터공간 - 벡터공간을 간단히 선형공간 또는 선형 벡터공간 이라고 하기도 하나, . 선형 벡터공간은 전체 벡터공간의 일부인 부분공간 임 ㅇ 벡터 공간의 생성 ☞ 생성(Span) 참조 - 주어진 유한개의 기저 벡터들에 의해 벡터공간이 생성(Span)이 됨 . 즉, 기저벡터들의 일차결합으로 유일하게 나타낼 수 있는 공간 ㅇ n차원 벡터공간 - 모든 n 차원 벡터들을 성분으로 이루어지는 전체 집합n차원 공간 참조 . 例) n 차원 실수 공간 Rn .. n개 실수 성분으로 이루어진 모든 n 순서쌍 (x1,x2,...,xn) 벡터들의 집합 5. 벡터공간의 주요 例 ㅇ (실수) 실수 원소를 갖는 벡터로 이루어진 공간은 벡터공간임 : Rn - 두 실수의 합도 곱도 실수가 되므로 ㅇ (다항식) 다항식벡터공간임 : Pn - 두 다항식의 합도 다항식, 다항식상수배도 다항식이 되므로 ㅇ (함수) 연속 함수벡터공간임 : C(-∞,∞) - 연속 함수의 합도 연속 함수, 연속 함수상수배를 해도 연속함수가 되므로 ㅇ (행렬) 행렬벡터공간임 - 연립 일차 방정식행렬로 나타내어 풀 수 있으며, - 연립 일차 방정식의 해 집합벡터 공간이 됨

[선형시스템 ⇩]1. 선형   2. 비선형   3. 중첩의 원리   4. 선형 벡터공간   5. 선형 방정식   6. 선형 미분방정식   7. 선형 결합   8. 선형 연산  

[벡터 공간 ⇩]1. 벡터 공간   2. 부분 공간   3. n 차원 공간  

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