수학 개념 지도
복소수(Complex number)

복소수 곱셈(Complex multiplication)

복소수⁠(complex number)⁠ w를 곱하면 평면 전체가 arg w만큼 돌고 |w|배 늘어난다. 모양(각도)을 보존하는 선형변환⁠(linear transformation)⁠이다.

w=a+bi  ⟷  [a−bba]w = a + bi \;\longleftrightarrow\; \begin{bmatrix} a & -b \\ b & a \end{bmatrix}
먼저 보면 좋은 개념허수 단위 i극형식

평면의 모든 점에 같은 복소수 ww를 곱해 봅시다. 초록 점 w=w = 를 끌면 격자 전체가 돌고 배로 늘어납니다.

흐린 격자가 원래 평면, 파란 격자가 w를 곱한 평면입니다. 노란 F는 돌고 커질 뿐 찌그러지지 않습니다.

극형식⁠(polar form)⁠으로 보면 당연합니다. 거리는 곱해지고 각도는 더해지니까요. 이 변환은 선형변환이기도 해서 행렬⁠(matrix)⁠로 쓸 수 있습니다. 1은 ww로, i는 iwiw로 가니, 그 둘을 열로 세운 [a−bba]\begin{bmatrix} a & -b \\ b & a \end{bmatrix}가 곧 "w 곱하기"입니다.

이 행렬의 행렬식⁠(determinant)⁠은 a2+b2=∣w∣2a^2 + b^2 = |w|^2입니다. 길이가 ∣w∣|w|배면 넓이⁠(area)⁠는 ∣w∣2|w|^2배이니까요. 늘이기가 없는(∣w∣=1|w| = 1) 경우가 회전 행렬⁠(rotation matrix)⁠입니다. 일반 행렬은 한쪽만 늘여 원을 타원⁠(ellipse)⁠으로 찌그러뜨릴 수 있지만, 복소수 곱셈(w≠0w \ne 0)은 원을 언제나 원으로 보냅니다.

각도가 더해진다는 사실을 cos과 sin으로 풀어 쓰면 삼각함수의 덧셈정리⁠(angle addition formulas)⁠가 그대로 나옵니다. 실수부⁠(real part)⁠와 허수부⁠(imaginary part)⁠가 모두 정수⁠(integer)⁠인 복소수는 가우스가 깊이 연구해서 가우스 정수라 부릅니다. 가우스 정수⁠(Gaussian integer)⁠를 제곱하면 크기가 제곱되므로 피타고라스 세 쌍⁠(Pythagorean triples)⁠이 생깁니다. 예를 들어 (3+2i)2=5+12i(3 + 2i)^2 = 5 + 12i이고 크기가 32+22=133^2 + 2^2 = 13이니, 52+122=1325^2 + 12^2 = 13^2입니다.

복소수 곱셈은 곱셈 하나로 평면 회전⁠(rotation)⁠을 나타냅니다. 3차원 회전에도 같은 일을 하는 수가 있을까요? 1843년 아일랜드의 해밀턴은 허수 단위⁠(imaginary unit)⁠를 i, j, k 셋으로 늘린 사원수⁠(quaternion)⁠를 만들어 답했습니다. 사원수의 곱셈은 순서를 바꾸면 결과가 달라지는데, 3차원 회전도 순서에 따라 결과가 달라진다는 점과 맞아떨어집니다.

단위원판(반지름 1인 원의 안쪽)에 있는 복소수 a를 하나 골라 z↦(z−a)/(1−aˉz)z \mapsto (z - a)/(1 - \bar a z)로 보내는 변환을 생각해 봅시다. aˉ\bar a는 a의 허수부 부호를 바꾼 켤레 복소수입니다. 이 변환은 원판을 자기 자신으로 보내고 a를 중심 0으로 옮기면서, 푸앵카레 원판⁠(Poincaré disk)⁠에서 재는 거리를 바꾸지 않습니다. 평면에서 평행이동이 도형의 모양과 크기를 지킨 채 옮기듯, 이것은 쌍곡기하⁠(hyperbolic geometry)⁠에서 도형을 옮기는 '합동⁠(congruence)⁠' 변환입니다.

곱셈이 곧 회전이라는 사실을 언어 모델⁠(language model)⁠이 씁니다. 회전 위치 인코딩(RoPE)은 쿼리⁠(query)⁠와 키의 성분을 둘씩 묶어 복소수로 보고 위치 m에서 eimθe^{im\theta}를 곱하므로, 한 짝의 점수 Re⁡[q~ k~‾ ei(m−n)θ]\operatorname{Re}[\tilde q\,\overline{\tilde k}\,e^{i(m-n)\theta}]에는 위치가 차 m − n으로만 남습니다(위치 인코딩).

이 개념이 나오는 큰 생각선형화: 휘어진 것을 곧게 보기

이 개념이 나오는 긴 글

미분에서 회전까지 · 4편 · 오일러 공식 원을 그리는 지수함수 지수함수에 허수를 넣으면 원이 된다. 가장 유명한 등식은 어디서 왔을까? 미분에서 회전까지 · 5편 · 복소수와 행렬 곱셈은 회전이다 복소수를 곱하는 일과 행렬로 평면을 돌리는 일은 같은 일이다. 정수론과 암호 나머지로 지키는 비밀 한 번도 만난 적 없는 두 사람이 모두가 엿듣는 통신망에서 비밀 열쇠를 맞출 수 있을까? 답은 시계의 산수와 1640년 페르마의 정리에 있다. 삼각함수 원에서 파동으로 별의 위치를 재던 현의 표가 사인이 되고, 열의 흐름을 풀던 푸리에가 모든 파동을 사인으로 쪼갰다. 비유클리드 기하 평행선의 반란 유클리드의 다섯 번째 공준은 2,000년 동안 증명되지 않았다. 증명을 포기한 사람들이 찾은 것은 새로운 우주였다. 언어 모델 다음 단어를 맞히는 기계 다음 낱말을 짐작하는 일만으로 어디까지 갈 수 있을까? 마르코프의 글자 세기에서 섀넌의 추측 게임, 트랜스포머와 규모의 법칙, 사람의 선호까지. 밑바닥에는 확률의 곱셈 규칙과 로그 하나가 있고, 그 수학은 모델이 왜 그럴듯하게 틀리는지도 말해 준다.

이 개념 위에 세워진 것

이 개념을 언급하는 페이지

이 페이지가 가리키는 개념