수학 개념 지도
선형대수(Linear algebra)

행렬식(Determinant)

선형변환⁠(linear transformation)⁠이 넓이⁠(area)⁠를 몇 배로 바꾸는가. 음수이면 방향(앞뒤)이 뒤집히고, 0이면 평면이 선으로 짜부라진다.

det⁡[abcd]=ad−bc\det\begin{bmatrix} a & b \\ c & d \end{bmatrix} = ad - bc
먼저 보면 좋은 개념행렬

단위 정사각형(넓이 1)은 선형변환 뒤에 평행사변형이 됩니다. 그 넓이가 행렬식입니다. 다만 앞뒤가 뒤집히면 넓이에 음수 부호를 붙입니다. 두 화살표 끝을 끌어 보세요. 지금 det⁡=\det = 입니다.

노란 평행사변형의 넓이가 행렬식입니다. 음수가 되면 평행사변형이 빨갛게 바뀌고, F가 거울에 비친 모양으로 뒤집힙니다.

격자 칸이 모두 같은 배율로 늘어나니, 어떤 모양이든 넓이는 ∣det⁡∣|\det|배가 됩니다. 원이든 F 모양이든 작은 칸으로 잘게 나누면 칸마다 ∣det⁡∣|\det|배가 되기 때문입니다. 이 사실은 여러 변수의 적분⁠(integral)⁠에서 좌표를 바꿀 때 쓰입니다. 휘어진 좌표 변환도 한 점 근처에서는 행렬⁠(matrix)⁠ 하나로 근사되고(선형화⁠(linearization)⁠), 작은 칸의 넓이는 그 행렬의 행렬식의 절댓값⁠(absolute value)⁠만큼 늘거나 줄기 때문에, 그 배율을 곱해 넓이를 바로잡아야 합니다. 예를 들어 극좌표⁠(polar coordinates)⁠ (r,θ)(r, \theta)로 바꾸면 작은 칸 dx dydx\,dy가 r dr dθr\,dr\,d\theta로 바뀌는데, 여기 붙는 r이 그 배율입니다(가우스 적분⁠, Gaussian integral⁠).

행렬식이 음수이면 초록과 빨강 화살표의 회전⁠(rotation)⁠ 순서(초록에서 빨강으로 가는 방향이 시계 반대 방향인지)가 바뀌어 모양이 거울에 비친 것처럼 뒤집힙니다. 0이면 두 열이 원점을 지나는 한 직선 위에 놓여 평면이 선으로 납작해집니다(모든 성분이 0이면 한 점으로). 서로 다른 많은 점이 한 점으로 겹치니 원래 점을 되찾을 수 없고, 변환을 되돌리는 행렬인 역행렬⁠(inverse matrix)⁠이 없습니다.

복소수 곱셈⁠(complex multiplication)⁠을 나타내는 행렬 [a−bba]\begin{bmatrix} a & -b \\ b & a \end{bmatrix}(w=a+biw = a + bi를 곱하는 변환)의 행렬식은 a2+b2=∣w∣2a^2 + b^2 = |w|^2이라 0이 아닌 한 늘 양수입니다. 뒤집지 않고 돌리고 늘이기만 하니까요. 행렬식은 고유값⁠(eigenvalue)⁠들의 곱이기도 합니다(복소수⁠(complex number)⁠ 고유값과 겹친 고유값까지 모두 셀 때).

행렬식이 0이 아니면 변환을 되돌릴 수 있고, 2×2 역행렬 공식은 행렬식으로 나누는 꼴입니다(연립일차방정식과 역행렬⁠, linear systems and inverse matrices⁠). 회전 행렬⁠(rotation matrix)⁠의 행렬식은 cos⁡2θ+sin⁡2θ\cos^2\theta + \sin^2\theta이고, 이것이 1이라는 것이 피타고라스 항등식⁠(Pythagorean identity)⁠입니다. 회전은 넓이를 바꾸지 않는다는 뜻입니다.

큰 행렬의 행렬식은 정의대로 계산하지 않습니다. 정의대로라면 n×n 행렬에서 n!개의 항을 더해야 하기 때문입니다. 대신 가우스 소거법⁠(Gaussian elimination)⁠으로 대각선 아래가 모두 0인 삼각형 모양을 만듭니다. 한 행의 배수⁠(multiple)⁠를 다른 행에서 빼는 조작은 행렬식을 바꾸지 않으니(두 행을 맞바꾸면 부호만 바뀝니다), 남은 대각선의 수들, 곧 피벗⁠(pivot)⁠을 모두 곱하면 행렬식이 나옵니다.

이 개념이 나오는 긴 글

미분에서 회전까지 · 2편 · 적분 거리를 되찾기 속도계 기록만 남았다. 차가 어디까지 갔는지 되찾을 수 있을까? 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. 최소제곱과 선형대수 잃어버린 소행성 1801년, 발견 몇 주 만에 태양 뒤로 사라진 세레스. 스물네 살의 가우스는 흩어진 관측값에서 궤도를 되찾았다. 혼돈 나비의 날갯짓 방정식이 정해져 있으면 미래도 정해질까? 소수점 아래 몇 자리를 버린 계산이 날씨 예보의 한계를 드러냈다. 매칭과 흐름 짝을 찾는 알고리즘 의대 졸업생과 병원, 신장 기증자와 환자, 철도와 화물. 누구를 누구와 이을지 정하는 수학은 냉전의 철도 지도에서 노벨 경제학상까지 이어진다. 역문제 거꾸로 푸는 문제는 왜 어려운가 원인에서 결과를 계산하기는 쉽다. 흐린 사진, CT, 블랙홀 사진은 왜 결과에서 원인을 되찾기 어려웠을까? 작은 특잇값이 잡음을 키우는 벽과, 정규화·릿지 회귀·베이즈 사전확률이 사실은 같은 처방이라는 이야기. 라플라시안 라플라시안, 가장 많이 재사용된 식 이웃의 평균에서 나를 뺀다. 이 한 줄이 열의 법칙이고, 도박꾼이 이길 확률이고, 전기 회로와 나무 세기이고, 북의 음색이고, 사진의 윤곽선이고, 그래프를 가르는 칼이고, 잡음에서 그림을 빚는 확산 모델의 밑그림이다. 범주론 화살표만으로 본 수학 최대공약수와 교집합과 '그리고'는 같은 것이고, 화살표를 뒤집으면 최소공배수와 합집합과 '또는'이 된다. 무엇으로 만들었는지 묻지 않고 어떻게 이어지는지만 보는 언어로, '자연스럽다'는 말의 뜻, 관계만으로 대상을 알아보는 요네다의 생각, 함자로 본 연쇄법칙, 어디에나 있는 수반까지 사이트의 여러 분야를 가로지른다.

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