예제 · Exercises

EX 1 삼각행렬의 행렬식
한국어

문제. $A$를 $n \times n$ 삼각행렬이라 하자.

  1. $A$의 성분을 이용하여 $\det(A)$를 서술하라.
  2. $A$가 가역일 필요충분조건은 대각성분이 모두 0이 아닌 것임을 증명하라.

증명. (1) 결론부터 말하면 $\det(A) = A_{11}A_{22}\cdots A_{nn}$, 즉 대각성분의 곱이다. 이를 $n$에 대한 귀납법으로 보인다.

$n=1$이면 $A=(A_{11})$이고 $\det(A)=A_{11}$이므로 성립한다.

$n-1$차 삼각행렬에 대해 성립한다고 가정하자. $A$가 상삼각행렬이라 하면(하삼각행렬인 경우는 아래에서 다룬다) $i>1$인 모든 $i$에 대해 $A_{i1}=0$이므로, 첫 번째 열에 대한 여인수전개에 의해 $$\det(A) = A_{11}\tilde A_{11}$$ 이다. 여기서 $\tilde A_{11}=(-1)^{1+1}\det(A(1|1)) = \det(A(1|1))$이고 $A(1|1)$은 $A$의 1행과 1열을 지워 얻은 $(n-1)\times(n-1)$ 행렬이다. $A$가 상삼각행렬이므로 $A(1|1)$도 상삼각행렬이며 그 대각성분은 $A_{22},\ldots,A_{nn}$이다. 귀납가정에 의해 $\det(A(1|1))=A_{22}\cdots A_{nn}$이므로 $\det(A)=A_{11}A_{22}\cdots A_{nn}$이다.

$A$가 하삼각행렬이면 $j>1$인 모든 $j$에 대해 $A_{1j}=0$이므로 첫 번째 행에 대한 여인수전개를 사용하면 동일한 논증이 그대로 적용된다.

(2) 행렬식의 기본 성질에 의해 $A$는 가역일 필요충분조건은 $\det(A)\neq 0$이다. (1)에 의해 $\det(A)=A_{11}A_{22}\cdots A_{nn}$이고, $F$가 체이므로 이 곱이 0이 아닌 것은 모든 $i=1,\ldots,n$에 대해 $A_{ii}\neq 0$인 것과 동치이다. 따라서 $A$가 가역일 필요충분조건은 $A$의 대각성분이 모두 0이 아닌 것이다.

$\square$
English

Problem. Let $A$ be an $n \times n$ triangular matrix.

  1. Describe $\det(A)$ in terms of the entries of $A$.
  2. Show that $A$ is invertible if and only if its diagonal entries are nonzero.

Proof. (1) We claim $\det(A) = A_{11}A_{22}\cdots A_{nn}$, the product of the diagonal entries. We prove this by induction on $n$.

If $n=1$, then $A=(A_{11})$ and $\det(A)=A_{11}$, so the claim holds.

Suppose the claim holds for triangular matrices of size $n-1$. Suppose first that $A$ is upper triangular, so $A_{i1}=0$ for all $i>1$. Expanding along the first column, $$\det(A) = A_{11}\tilde A_{11},$$ where $\tilde A_{11} = (-1)^{1+1}\det(A(1|1)) = \det(A(1|1))$ and $A(1|1)$ is the $(n-1)\times(n-1)$ matrix obtained by deleting row 1 and column 1 of $A$. Since $A$ is upper triangular, so is $A(1|1)$, with diagonal entries $A_{22},\ldots,A_{nn}$. By the induction hypothesis, $\det(A(1|1)) = A_{22}\cdots A_{nn}$, hence $\det(A) = A_{11}A_{22}\cdots A_{nn}$.

If $A$ is lower triangular, then $A_{1j}=0$ for all $j>1$, and expanding along the first row gives the same conclusion by an identical argument.

(2) By a basic property of determinants, $A$ is invertible if and only if $\det(A)\neq 0$. By (1), $\det(A) = A_{11}A_{22}\cdots A_{nn}$, and since $F$ is a field, this product is nonzero if and only if $A_{ii}\neq 0$ for every $i=1,\ldots,n$. Therefore $A$ is invertible if and only if all of its diagonal entries are nonzero.

$\square$
EX 1.1 특수 행렬의 행렬식
한국어

문제. $A \in M_{n\times n}(F)$라 하자.

  1. 어떤 정수 $k \geq 1$에 대해 $A^k = O$이면 행렬 $A$를 멱영(nilpotent)이라 한다. 멱영행렬의 행렬식은 0임을 증명하라.
  2. $A^t = -A$이면 행렬 $A$를 반대칭행렬(skew-symmetric)이라 한다. $F = \mathbb{C}$이고 $n$이 홀수이면, 반대칭행렬의 행렬식은 0임을 증명하라.
  3. $F = \mathbb{R}$이라 하자. $AA^t = I$이면 행렬 $A$를 직교행렬(orthogonal)이라 한다. $A$가 직교행렬이면 $\det(A) = \pm 1$임을 증명하라.
  4. $F = \mathbb{C}$이라 하자. $(A^*)_{ij}$가 $A_{ji}$의 켤레복소수인 $AA^* = I$를 만족하면 행렬 $A$를 유니타리 행렬(unitary)이라 한다. $A$가 유니타리 행렬이면 $|\det(A)| = 1$임을 증명하라.

증명. (1) 어떤 $k\geq 1$에 대해 $A^k=O$이라 하자. 행렬식의 곱셈 성질에 의해 $$\det(A)^k = \det(A^k) = \det(O) = 0$$ 이다. $F$는 체이므로 영인자가 없고, 따라서 $\det(A)^k=0$이면 $\det(A)=0$이다.

(2) $A^t=-A$이고 $F=\mathbb C$, $n$이 홀수라 하자. 전치행렬의 행렬식은 원래 행렬의 행렬식과 같으므로 $\det(A^t)=\det(A)$이다. 한편 $-A$는 $A$의 각 행에 스칼라 $-1$을 곱하여 얻어지므로 $$\det(-A) = (-1)^n\det(A)$$ 이다. $n$이 홀수이므로 $(-1)^n=-1$이고, 따라서 $$\det(A) = \det(A^t) = \det(-A) = -\det(A).$$ 그러므로 $2\det(A)=0$이고 $\mathbb C$의 특성이 $0$이므로 $\det(A)=0$이다.

(3) $F=\mathbb R$이고 $AA^t=I$라 하자. 그러면 $$\det(A)^2 = \det(A)\det(A^t) = \det(AA^t) = \det(I) = 1$$ 이므로 $\det(A)=\pm 1$이다.

(4) $F=\mathbb C$이고 $AA^*=I$라 하자. 먼저 $A^*=\overline{A^t}$ (성분별 켤레복소수를 취한 후 전치, 또는 동치로 전치 후 켤레)이므로 $\det(A^*) = \overline{\det(A)}$임을 보인다. 행렬식은 성분들의 다항식(부호가 붙은 곱의 합)이므로 각 성분에 켤레복소수를 취하면 $$\det(\overline{A}) = \overline{\det(A)}$$ 이다 (여기서 $\overline A$는 $A$의 각 성분에 켤레를 취한 행렬). 전치는 행렬식을 바꾸지 않으므로 $$\det(A^*) = \det\!\left(\overline{A}^{\,t}\right) = \det(\overline A) = \overline{\det(A)}.$$ 따라서 $$|\det(A)|^2 = \det(A)\overline{\det(A)} = \det(A)\det(A^*) = \det(AA^*) = \det(I) = 1$$ 이고, $|\det(A)|\geq 0$이므로 $|\det(A)|=1$이다.

$\square$
English

Problem. Let $A \in M_{n\times n}(F)$.

  1. A matrix $A$ is called nilpotent if $A^k = O$ for some integer $k \geq 1$. Show that a nilpotent matrix has the zero determinant.
  2. A matrix $A$ is called skew-symmetric if $A^t = -A$. Show that if $F = \mathbb{C}$ and $n$ is odd, then a skew-symmetric matrix has the zero determinant.
  3. Let $F = \mathbb{R}$. A matrix $A$ is called orthogonal if $AA^t = I$. Show that if $A$ is orthogonal, then $\det(A) = \pm 1$.
  4. Let $F = \mathbb{C}$. A matrix $A$ is called unitary if $AA^* = I$ where $(A^*)_{ij}$ is the complex conjugate of $A_{ji}$. Show that if $A$ is unitary, then $|\det(A)| = 1$.

Proof. (1) Suppose $A^k = O$ for some $k\geq 1$. By multiplicativity of the determinant, $$\det(A)^k = \det(A^k) = \det(O) = 0.$$ Since $F$ is a field, it has no zero divisors, so $\det(A)^k=0$ implies $\det(A)=0$.

(2) Suppose $A^t=-A$, $F=\mathbb C$, and $n$ is odd. Since the determinant is unchanged by transposition, $\det(A^t)=\det(A)$. Also, $-A$ is obtained from $A$ by multiplying each row by the scalar $-1$, so $$\det(-A) = (-1)^n\det(A).$$ Since $n$ is odd, $(-1)^n=-1$, and hence $$\det(A) = \det(A^t) = \det(-A) = -\det(A).$$ Thus $2\det(A)=0$, and since $\mathbb C$ has characteristic $0$, $\det(A)=0$.

(3) Suppose $F=\mathbb R$ and $AA^t=I$. Then $$\det(A)^2 = \det(A)\det(A^t) = \det(AA^t) = \det(I) = 1,$$ so $\det(A) = \pm 1$.

(4) Suppose $F=\mathbb C$ and $AA^*=I$. We first show $\det(A^*) = \overline{\det(A)}$. Since $A^* = \overline{A^t}$ (conjugate each entry, then transpose — equivalently, transpose then conjugate), and the determinant is a polynomial (a signed sum of products) in the entries, conjugating every entry conjugates the determinant: $$\det(\overline A) = \overline{\det(A)},$$ where $\overline A$ denotes the matrix with each entry of $A$ replaced by its complex conjugate. Since transposition does not change the determinant, $$\det(A^*) = \det\!\left(\overline{A}^{\,t}\right) = \det(\overline A) = \overline{\det(A)}.$$ Therefore $$|\det(A)|^2 = \det(A)\overline{\det(A)} = \det(A)\det(A^*) = \det(AA^*) = \det(I) = 1,$$ and since $|\det(A)|\geq 0$, we conclude $|\det(A)|=1$.

$\square$
EX 1.2 닮은 행렬의 행렬식
한국어

문제. $A, B \in M_{n\times n}(F)$가 닮은 행렬이면 $\det(A) = \det(B)$임을 증명하라.

증명. $A, B$가 닮은 행렬이므로 어떤 가역행렬 $Q\in M_{n\times n}(F)$가 존재하여 $B=Q^{-1}AQ$이다. 행렬식의 곱셈 성질에 의해 $$\det(B) = \det(Q^{-1})\det(A)\det(Q)$$ 이다. 한편 $QQ^{-1}=I$이므로 $\det(Q)\det(Q^{-1})=\det(I)=1$, 즉 $\det(Q^{-1})=\det(Q)^{-1}$이다. $F$의 곱셈은 가환적이므로 $$\det(B) = \det(Q)^{-1}\det(A)\det(Q) = \det(A).$$

$\square$
English

Problem. Prove that if $A, B \in M_{n\times n}(F)$ are similar, then $\det(A) = \det(B)$.

Proof. Since $A$ and $B$ are similar, there exists an invertible matrix $Q\in M_{n\times n}(F)$ such that $B=Q^{-1}AQ$. By multiplicativity of the determinant, $$\det(B) = \det(Q^{-1})\det(A)\det(Q).$$ Since $QQ^{-1}=I$, we have $\det(Q)\det(Q^{-1})=\det(I)=1$, i.e., $\det(Q^{-1})=\det(Q)^{-1}$. As multiplication in $F$ is commutative, $$\det(B) = \det(Q)^{-1}\det(A)\det(Q) = \det(A).$$

$\square$
EX 1.3 홀수 차수 반가환행렬
한국어

문제. $A, B \in M_{n\times n}(\mathbb{R})$가 $AB = -BA$를 만족한다고 하자. $n$이 홀수이면 $A$ 또는 $B$는 가역이 아님을 증명하라.

증명. 행렬식의 곱셈 성질에 의해 $$\det(A)\det(B) = \det(AB) = \det(-BA) = (-1)^n\det(BA) = (-1)^n\det(B)\det(A)$$ 이다. $n$이 홀수이므로 $(-1)^n=-1$이고, $\mathbb R$의 곱셈은 가환적이므로 $$\det(A)\det(B) = -\det(A)\det(B)$$ 를 얻는다. 따라서 $2\det(A)\det(B)=0$이고 $\mathbb R$의 특성이 $0$이므로 $\det(A)\det(B)=0$이다. 그러므로 $\det(A)=0$ 또는 $\det(B)=0$이고, 행렬식의 기본 성질에 의해 $A$ 또는 $B$는 가역이 아니다.

$\square$
English

Problem. Suppose that $A, B \in M_{n\times n}(\mathbb{R})$ satisfy $AB = -BA$. Show that if $n$ is odd, then $A$ or $B$ is not invertible.

Proof. By multiplicativity of the determinant, $$\det(A)\det(B) = \det(AB) = \det(-BA) = (-1)^n\det(BA) = (-1)^n\det(B)\det(A).$$ Since $n$ is odd, $(-1)^n=-1$, and since multiplication in $\mathbb R$ is commutative, $$\det(A)\det(B) = -\det(A)\det(B).$$ Hence $2\det(A)\det(B)=0$, and since $\mathbb R$ has characteristic $0$, $\det(A)\det(B)=0$. Therefore $\det(A)=0$ or $\det(B)=0$, and by a basic property of determinants, $A$ or $B$ is not invertible.

$\square$
EX 2 크라머 공식과 연립방정식
한국어

문제. 크라머 공식을 이용하여 다음 연립일차방정식을 풀라.

$$\begin{aligned} 2x_1 + x_2 - 3x_3 &= 5 \\ x_1 - 2x_2 + x_3 &= 10 \\ 3x_1 + 4x_2 - 2x_3 &= 0 \end{aligned}$$

풀이. 계수행렬을 $A=\begin{pmatrix}2&1&-3\\1&-2&1\\3&4&-2\end{pmatrix}$, 상수항 벡터를 $b=\begin{pmatrix}5\\10\\0\end{pmatrix}$라 하자. 각 $i=1,2,3$에 대해 $A_i$를 $A$의 $i$열을 $b$로 교체한 행렬이라 하면 크라머 공식에 의해 $x_i = \det(A_i)/\det(A)$이다.

먼저 $$\det(A) = 2\det\begin{pmatrix}-2&1\\4&-2\end{pmatrix} - 1\det\begin{pmatrix}1&1\\3&-2\end{pmatrix} - 3\det\begin{pmatrix}1&-2\\3&4\end{pmatrix} = 2(0) -1(-5) -3(10) = -25.$$

$$\det(A_1) = \det\begin{pmatrix}5&1&-3\\10&-2&1\\0&4&-2\end{pmatrix} = 5(0) -1(-20) -3(40) = -100,$$ $$\det(A_2) = \det\begin{pmatrix}2&5&-3\\1&10&1\\3&0&-2\end{pmatrix} = 2(-20) -5(-5) -3(-30) = 75,$$ $$\det(A_3) = \det\begin{pmatrix}2&1&5\\1&-2&10\\3&4&0\end{pmatrix} = 2(-40) -1(-30) +5(10) = 0.$$

따라서 $$x_1 = \frac{\det(A_1)}{\det(A)} = \frac{-100}{-25} = 4, \quad x_2 = \frac{\det(A_2)}{\det(A)} = \frac{75}{-25} = -3, \quad x_3 = \frac{\det(A_3)}{\det(A)} = \frac{0}{-25} = 0.$$

검산: $2(4)+(-3)-3(0)=5$, $4-2(-3)+0=10$, $3(4)+4(-3)-2(0)=0$이므로 세 방정식이 모두 성립한다. 따라서 해는 $x_1=4,\ x_2=-3,\ x_3=0$이다.

English

Problem. Use Cramer's rule to solve the following system of linear equations.

$$\begin{aligned} 2x_1 + x_2 - 3x_3 &= 5 \\ x_1 - 2x_2 + x_3 &= 10 \\ 3x_1 + 4x_2 - 2x_3 &= 0 \end{aligned}$$

Solution. Let the coefficient matrix be $A=\begin{pmatrix}2&1&-3\\1&-2&1\\3&4&-2\end{pmatrix}$ and the constant vector $b=\begin{pmatrix}5\\10\\0\end{pmatrix}$. For each $i=1,2,3$, let $A_i$ be the matrix obtained from $A$ by replacing column $i$ with $b$; by Cramer's rule, $x_i = \det(A_i)/\det(A)$.

First, $$\det(A) = 2\det\begin{pmatrix}-2&1\\4&-2\end{pmatrix} - 1\det\begin{pmatrix}1&1\\3&-2\end{pmatrix} - 3\det\begin{pmatrix}1&-2\\3&4\end{pmatrix} = 2(0) -1(-5) -3(10) = -25.$$

$$\det(A_1) = \det\begin{pmatrix}5&1&-3\\10&-2&1\\0&4&-2\end{pmatrix} = 5(0) -1(-20) -3(40) = -100,$$ $$\det(A_2) = \det\begin{pmatrix}2&5&-3\\1&10&1\\3&0&-2\end{pmatrix} = 2(-20) -5(-5) -3(-30) = 75,$$ $$\det(A_3) = \det\begin{pmatrix}2&1&5\\1&-2&10\\3&4&0\end{pmatrix} = 2(-40) -1(-30) +5(10) = 0.$$

Hence $$x_1 = \frac{\det(A_1)}{\det(A)} = \frac{-100}{-25} = 4, \quad x_2 = \frac{\det(A_2)}{\det(A)} = \frac{75}{-25} = -3, \quad x_3 = \frac{\det(A_3)}{\det(A)} = \frac{0}{-25} = 0.$$

Check: $2(4)+(-3)-3(0)=5$, $4-2(-3)+0=10$, and $3(4)+4(-3)-2(0)=0$, so all three equations are satisfied. Thus the solution is $x_1=4,\ x_2=-3,\ x_3=0$.

EX 2.1 고전적 수반행렬
한국어

문제. $A \in M_{n\times n}(F)$라 하고, $C_{ji}$가 $A$의 $i$행 $j$열 성분의 여인수인 행렬 $C$를 생각하자. $AC = (\det A)I$임을 증명하라. 이때 $C$를 $A$의 고전적 수반행렬(classical adjoint)이라 하고 $\operatorname{adj}(A)$로 나타낸다.

(힌트. 각 $Ax = e_j$에 대해 크라머 공식을 이용하라.)

증명. $A$의 $(i,j)$ 성분을 $A_{ij}$, 그 여인수를 $\tilde A_{ij} = (-1)^{i+j}\det(A(i|j))$라 하자. 여기서 $A(i|j)$는 $A$의 $i$행과 $j$열을 지워 얻은 $(n-1)\times(n-1)$ 행렬이다. 문제의 정의에 의해 $C$의 $(j,i)$ 성분은 $C_{ji} = \tilde A_{ij}$이다.

$AC$의 $(p,q)$ 성분을 계산하면 $$(AC)_{pq} = \sum_{k=1}^n A_{pk}C_{kq} = \sum_{k=1}^n A_{pk}\tilde A_{qk}$$ 이다 (첫 등식은 행렬곱의 정의, 두 번째 등식은 $C_{kq}=\tilde A_{qk}$이기 때문).

$p=q$인 경우, 이는 $A$의 $p$행에 대한 여인수전개 $$\sum_{k=1}^n A_{pk}\tilde A_{pk} = \det(A)$$ 와 정확히 같다.

$p\neq q$인 경우를 생각하자. $A$의 $q$행을 $p$행의 성분으로 교체하고 나머지 행은 그대로 둔 행렬을 $A'$이라 하자. 여인수 $\tilde A_{qk}$는 $q$행을 지워 얻은 부분행렬 $A(q|k)$로 결정되므로 $q$행의 내용과 무관하고, 따라서 $A'$의 $q$행에 대한 여인수도 $\tilde A_{qk}$와 같다. $A'$의 $q$행 성분은 $A_{pk}$ ($k=1,\ldots,n$)이므로, $A'$의 $q$행에 대한 여인수전개에 의해 $$\det(A') = \sum_{k=1}^n A_{pk}\tilde A_{qk} = (AC)_{pq}$$ 이다. 그런데 $A'$은 $p$행과 $q$행이 모두 $A$의 $p$행과 같으므로 두 행이 일치하고, 행렬식의 교대성에 의해 $\det(A')=0$이다. 따라서 $p\neq q$이면 $(AC)_{pq}=0$이다.

두 경우를 종합하면 $(AC)_{pq} = \det(A)$ ($p=q$일 때) 또는 $0$ ($p\neq q$일 때)이므로 $AC=(\det A)I$이다.

$\square$
English

Problem. Let $A \in M_{n\times n}(F)$ and consider the matrix $C$ where $C_{ji}$ is the cofactor of the row $i$, column $j$ entry of $A$. Prove that $AC = (\det A)I$. We call $C$ the classical adjoint of $A$ and denote it by $\operatorname{adj}(A)$.

(Hint. Use Cramer's rule for each $Ax = e_j$.)

Proof. Let $A_{ij}$ denote the $(i,j)$ entry of $A$ and $\tilde A_{ij} = (-1)^{i+j}\det(A(i|j))$ its cofactor, where $A(i|j)$ is the $(n-1)\times(n-1)$ matrix obtained by deleting row $i$ and column $j$ of $A$. By the definition given, the $(j,i)$ entry of $C$ is $C_{ji} = \tilde A_{ij}$.

The $(p,q)$ entry of $AC$ is $$(AC)_{pq} = \sum_{k=1}^n A_{pk}C_{kq} = \sum_{k=1}^n A_{pk}\tilde A_{qk}$$ (the first equality is the definition of matrix multiplication, and the second uses $C_{kq}=\tilde A_{qk}$).

If $p=q$, this is exactly the cofactor expansion of $\det(A)$ along row $p$: $$\sum_{k=1}^n A_{pk}\tilde A_{pk} = \det(A).$$

Now suppose $p\neq q$. Let $A'$ be the matrix obtained from $A$ by replacing row $q$ with the entries of row $p$, leaving all other rows unchanged. The cofactors $\tilde A_{qk}$ are determined by the submatrix $A(q|k)$ obtained by deleting row $q$, hence do not depend on the contents of row $q$; so the cofactors along row $q$ of $A'$ are also $\tilde A_{qk}$. Since row $q$ of $A'$ consists of the entries $A_{pk}$ ($k=1,\ldots,n$), expanding $\det(A')$ along row $q$ gives $$\det(A') = \sum_{k=1}^n A_{pk}\tilde A_{qk} = (AC)_{pq}.$$ But $A'$ has row $p$ and row $q$ both equal to row $p$ of $A$, i.e., two identical rows, so by the alternating property of the determinant, $\det(A')=0$. Hence $(AC)_{pq}=0$ when $p\neq q$.

Combining both cases, $(AC)_{pq} = \det(A)$ if $p=q$ and $0$ if $p\neq q$, so $AC = (\det A)I$.

$\square$
EX 3 3중선형함수 판정
한국어

문제. 다음 함수 $\delta : M_{3\times 3}(F) \to F$가 3중선형함수인지 판정하라.

  1. $\delta(A) = 1$
  2. $\delta(A) = A_{11}A_{21}A_{32}$
  3. $\delta(A) = A_{11}A_{22}A_{33} - A_{11}A_{21}A_{32}$

풀이. $\delta$가 3중선형함수라는 것은 다른 두 행을 고정할 때 각 행에 대해 선형이라는 뜻이다.

(1) $\delta(A)=1$은 3중선형함수가 아니다. 예를 들어 $A$의 1행을 영벡터로 바꾸어 얻은 행렬을 $A'$이라 하면, 1행에 대한 선형성에 의해 $\delta(A') = 0\cdot\delta(A) = 0$이어야 한다. 그러나 $\delta$는 상수함수이므로 $\delta(A')=1\neq 0$이다. 모순이므로 $\delta$는 3중선형함수가 아니다.

(2) $\delta(A)=A_{11}A_{21}A_{32}$는 3중선형함수이다. $A$의 2행과 3행을 고정하면 $\delta(A) = (A_{21}A_{32})A_{11}$은 $A_{11}$에 대해, 즉 1행에 대해 선형이다. 마찬가지로 1행과 3행을 고정하면 $\delta(A)=(A_{11}A_{32})A_{21}$은 2행에 대해 선형이고, 1행과 2행을 고정하면 $\delta(A)=(A_{11}A_{21})A_{32}$는 3행에 대해 선형이다. 세 행 각각에 대해 선형이므로 $\delta$는 3중선형함수이다.

(3) $\delta(A) = A_{11}A_{22}A_{33} - A_{11}A_{21}A_{32}$는 3중선형함수이다. 두 항 $A_{11}A_{22}A_{33}$과 $A_{11}A_{21}A_{32}$는 각각 (2)와 같은 이유로 1행, 2행, 3행에서 정확히 하나씩의 성분을 곱한 형태이므로 각각 3중선형함수이다. 3중선형함수들의 차는 다시 3중선형함수이므로(EX 3.2 참고), $\delta$는 3중선형함수이다.

English

Problem. Determine whether the following functions $\delta : M_{3\times 3}(F) \to F$ is 3-linear.

  1. $\delta(A) = 1$
  2. $\delta(A) = A_{11}A_{21}A_{32}$
  3. $\delta(A) = A_{11}A_{22}A_{33} - A_{11}A_{21}A_{32}$

Solution. Saying that $\delta$ is 3-linear means that, with the other two rows held fixed, $\delta$ is linear in each row.

(1) $\delta(A)=1$ is not 3-linear. For example, let $A'$ be the matrix obtained from $A$ by replacing its first row with the zero vector. Linearity in the first row would require $\delta(A') = 0\cdot\delta(A) = 0$. But $\delta$ is the constant function, so $\delta(A')=1\neq 0$. This contradiction shows $\delta$ is not 3-linear.

(2) $\delta(A)=A_{11}A_{21}A_{32}$ is 3-linear. Fixing rows 2 and 3, $\delta(A)=(A_{21}A_{32})A_{11}$ is linear in $A_{11}$, hence linear in row 1. Similarly, fixing rows 1 and 3, $\delta(A)=(A_{11}A_{32})A_{21}$ is linear in row 2, and fixing rows 1 and 2, $\delta(A)=(A_{11}A_{21})A_{32}$ is linear in row 3. Since $\delta$ is linear in each row, it is 3-linear.

(3) $\delta(A) = A_{11}A_{22}A_{33} - A_{11}A_{21}A_{32}$ is 3-linear. Each of the two terms $A_{11}A_{22}A_{33}$ and $A_{11}A_{21}A_{32}$ is, by the same reasoning as in (2), a product of exactly one entry from each of rows 1, 2, 3, hence 3-linear individually. A difference of 3-linear functions is again 3-linear (see EX 3.2), so $\delta$ is 3-linear.

EX 3.1 모든 2중선형함수
한국어

문제. 모든 2중선형함수 $\delta : M_{2\times 2}(F) \to F$를 구하라.

풀이. 임의의 $A=\begin{pmatrix}A_{11}&A_{12}\\A_{21}&A_{22}\end{pmatrix}\in M_{2\times 2}(F)$에 대해, $A$의 1행과 2행을 각각 $F^2$의 벡터로 보아 표준기저 $e_1=(1,0), e_2=(0,1)$에 대해 $$(A_{11},A_{12}) = A_{11}e_1 + A_{12}e_2, \qquad (A_{21},A_{22}) = A_{21}e_1 + A_{22}e_2$$ 로 쓸 수 있다. $\delta$가 2중선형함수, 즉 각 행에 대해 선형이라면 $$\delta(A) = \delta(A_{11}e_1+A_{12}e_2,\ A_{21}e_1+A_{22}e_2)$$ $$= A_{11}A_{21}\delta(e_1,e_1) + A_{11}A_{22}\delta(e_1,e_2) + A_{12}A_{21}\delta(e_2,e_1) + A_{12}A_{22}\delta(e_2,e_2)$$ 이다. 각 $i,j\in\{1,2\}$에 대해 $\delta_{ij} := \delta(e_i,e_j) \in F$라 두면, $$\delta(A) = A_{11}A_{21}\delta_{11} + A_{11}A_{22}\delta_{12} + A_{12}A_{21}\delta_{21} + A_{12}A_{22}\delta_{22}$$ 를 얻는다. 즉 모든 2중선형함수는 네 개의 스칼라 $\delta_{11},\delta_{12},\delta_{21},\delta_{22}\in F$에 의해 위와 같이 결정된다.

역으로, 임의로 고정된 $\delta_{11},\delta_{12},\delta_{21},\delta_{22}\in F$에 대해 위 식으로 정의된 함수 $\delta$는 2중선형함수이다. 실제로 위 식의 각 항은 1행의 성분과 2행의 성분을 정확히 하나씩 곱한 형태이므로, 2행을 고정하면 $\delta(A)$는 $(A_{11},A_{12})$에 대해 선형이고, 1행을 고정하면 $(A_{21},A_{22})$에 대해 선형이다.

따라서 모든 2중선형함수 $\delta:M_{2\times 2}(F)\to F$는 임의의 $\delta_{11},\delta_{12},\delta_{21},\delta_{22}\in F$에 대하여 $$\delta(A) = A_{11}A_{21}\delta_{11} + A_{11}A_{22}\delta_{12} + A_{12}A_{21}\delta_{21} + A_{12}A_{22}\delta_{22}$$ 의 꼴로 주어지는 함수들 전체이다.

English

Problem. Find all 2-linear functions $\delta : M_{2\times 2}(F) \to F$.

Solution. For any $A=\begin{pmatrix}A_{11}&A_{12}\\A_{21}&A_{22}\end{pmatrix}\in M_{2\times 2}(F)$, regard the rows of $A$ as vectors in $F^2$ and write them in terms of the standard basis $e_1=(1,0), e_2=(0,1)$: $$(A_{11},A_{12}) = A_{11}e_1 + A_{12}e_2, \qquad (A_{21},A_{22}) = A_{21}e_1 + A_{22}e_2.$$ If $\delta$ is 2-linear, i.e., linear in each row, then $$\delta(A) = \delta(A_{11}e_1+A_{12}e_2,\ A_{21}e_1+A_{22}e_2)$$ $$= A_{11}A_{21}\delta(e_1,e_1) + A_{11}A_{22}\delta(e_1,e_2) + A_{12}A_{21}\delta(e_2,e_1) + A_{12}A_{22}\delta(e_2,e_2).$$ Writing $\delta_{ij} := \delta(e_i,e_j)\in F$ for $i,j\in\{1,2\}$, we obtain $$\delta(A) = A_{11}A_{21}\delta_{11} + A_{11}A_{22}\delta_{12} + A_{12}A_{21}\delta_{21} + A_{12}A_{22}\delta_{22}.$$ That is, every 2-linear function is determined by the four scalars $\delta_{11},\delta_{12},\delta_{21},\delta_{22}\in F$ as above.

Conversely, for any fixed scalars $\delta_{11},\delta_{12},\delta_{21},\delta_{22}\in F$, the function $\delta$ defined by the formula above is 2-linear: each term is a product of exactly one entry from row 1 and one entry from row 2, so fixing row 2 makes $\delta(A)$ linear in $(A_{11},A_{12})$, and fixing row 1 makes it linear in $(A_{21},A_{22})$.

Hence the 2-linear functions $\delta:M_{2\times 2}(F)\to F$ are exactly the functions of the form $$\delta(A) = A_{11}A_{21}\delta_{11} + A_{11}A_{22}\delta_{12} + A_{12}A_{21}\delta_{21} + A_{12}A_{22}\delta_{22}$$ for arbitrary $\delta_{11},\delta_{12},\delta_{21},\delta_{22}\in F$.

EX 3.2 $n$중선형함수의 벡터공간
한국어

문제. 체 $F$ 위의 모든 $n$중선형함수의 집합은 $F$ 위의 벡터공간을 이룸을 증명하라.

증명. $\mathcal F(M_{n\times n}(F), F)$를 $M_{n\times n}(F)$에서 $F$로 가는 모든 함수들의 집합이라 하자. 이는 함수의 덧셈과 스칼라배를 성분별로 정의하면 $F$ 위의 벡터공간을 이룬다. $n$중선형함수 전체의 집합을 $\Lambda$라 하면 $\Lambda \subseteq \mathcal F(M_{n\times n}(F),F)$이고, $\Lambda$가 $\mathcal F(M_{n\times n}(F),F)$의 부분공간임을 보이면 충분하다.

(i) 영함수 $0$(모든 $A$에 대해 $0(A)=0$)은 각 행에 대해 자명하게 선형이므로 $0\in\Lambda$이다. 특히 $\Lambda \neq \varnothing$이다.

(ii) $\delta_1,\delta_2\in\Lambda$이고 $c\in F$라 하자. $A$의 $i$번째 행을 $\alpha_i$라 쓰고 $\alpha_i = kv+w$ (단 $k\in F$, $v,w\in F^n$)일 때, 다른 행들은 고정한 채(아래에서는 $\alpha_i$만 표기한다) $$(c\delta_1+\delta_2)(\ldots,kv+w,\ldots) = c\,\delta_1(\ldots,kv+w,\ldots) + \delta_2(\ldots,kv+w,\ldots)$$ $$= c\big[k\delta_1(\ldots,v,\ldots)+\delta_1(\ldots,w,\ldots)\big] + \big[k\delta_2(\ldots,v,\ldots)+\delta_2(\ldots,w,\ldots)\big]$$ $$= k\big[c\delta_1(\ldots,v,\ldots)+\delta_2(\ldots,v,\ldots)\big] + \big[c\delta_1(\ldots,w,\ldots)+\delta_2(\ldots,w,\ldots)\big]$$ $$= k(c\delta_1+\delta_2)(\ldots,v,\ldots) + (c\delta_1+\delta_2)(\ldots,w,\ldots)$$ 이다. 이는 모든 $i=1,\ldots,n$에 대해 성립하므로 $c\delta_1+\delta_2$는 각 행에 대해 선형, 즉 $n$중선형함수이다. 따라서 $c\delta_1+\delta_2 \in \Lambda$이다.

(i), (ii)에 의해 $\Lambda$는 $\mathcal F(M_{n\times n}(F),F)$의 부분공간이고, 따라서 $\Lambda$는 그 자체로 $F$ 위의 벡터공간이다.

$\square$
English

Problem. Prove that the set of all $n$-linear functions over a field $F$ forms a vector space over $F$.

Proof. Let $\mathcal F(M_{n\times n}(F), F)$ denote the set of all functions from $M_{n\times n}(F)$ to $F$; this is a vector space over $F$ under pointwise addition and scalar multiplication. Let $\Lambda$ denote the set of all $n$-linear functions, so $\Lambda \subseteq \mathcal F(M_{n\times n}(F),F)$. It suffices to show that $\Lambda$ is a subspace of $\mathcal F(M_{n\times n}(F),F)$.

(i) The zero function $0$ (with $0(A)=0$ for all $A$) is trivially linear in each row, so $0\in\Lambda$; in particular $\Lambda\neq\varnothing$.

(ii) Let $\delta_1,\delta_2\in\Lambda$ and $c\in F$. Write $\alpha_i$ for the $i$-th row of $A$, and suppose $\alpha_i = kv+w$ for some $k\in F$ and $v,w\in F^n$, with all other rows fixed (only $\alpha_i$ is shown below). Then $$(c\delta_1+\delta_2)(\ldots,kv+w,\ldots) = c\,\delta_1(\ldots,kv+w,\ldots) + \delta_2(\ldots,kv+w,\ldots)$$ $$= c\big[k\delta_1(\ldots,v,\ldots)+\delta_1(\ldots,w,\ldots)\big] + \big[k\delta_2(\ldots,v,\ldots)+\delta_2(\ldots,w,\ldots)\big]$$ $$= k\big[c\delta_1(\ldots,v,\ldots)+\delta_2(\ldots,v,\ldots)\big] + \big[c\delta_1(\ldots,w,\ldots)+\delta_2(\ldots,w,\ldots)\big]$$ $$= k(c\delta_1+\delta_2)(\ldots,v,\ldots) + (c\delta_1+\delta_2)(\ldots,w,\ldots).$$ Since this holds for every $i=1,\ldots,n$, the function $c\delta_1+\delta_2$ is linear in each row, i.e., $n$-linear, so $c\delta_1+\delta_2\in\Lambda$.

By (i) and (ii), $\Lambda$ is a subspace of $\mathcal F(M_{n\times n}(F),F)$, and hence $\Lambda$ is itself a vector space over $F$.

$\square$

심화 문제 · Problems

PR 1 블록삼각행렬의 행렬식
한국어

문제. $M \in M_{n\times n}(F)$가 다음과 같은 형태로 쓰인다고 하자.

$$M = \begin{pmatrix} A & B \\ O & C \end{pmatrix}$$

여기서 $A, C$는 정사각행렬이다. $\det(M) = \det(A)\det(C)$임을 증명하라.

English

Problem. Suppose that $M \in M_{n\times n}(F)$ can be written in the form

$$M = \begin{pmatrix} A & B \\ O & C \end{pmatrix}$$

where $A, C$ are square matrices. Show that $\det(M) = \det(A)\det(C)$.

PR 2 방데르몽드 행렬의 행렬식
한국어

문제. 행렬

$$M = \begin{pmatrix} 1 & a_0 & a_0^2 & \cdots & a_0^n \\ 1 & a_1 & a_1^2 & \cdots & a_1^n \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots \\ 1 & a_n & a_n^2 & \cdots & a_n^n \end{pmatrix}$$

방데르몽드 행렬(Vandermonde matrix)이라 한다. 다음을 증명하라.

$$\det(M) = \prod_{0 \leq i < j \leq n} (c_j - c_i).$$

English

Problem. A matrix

$$M = \begin{pmatrix} 1 & a_0 & a_0^2 & \cdots & a_0^n \\ 1 & a_1 & a_1^2 & \cdots & a_1^n \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots \\ 1 & a_n & a_n^2 & \cdots & a_n^n \end{pmatrix}$$

is called a Vandermonde matrix. Prove that

$$\det(M) = \prod_{0 \leq i < j \leq n} (c_j - c_i).$$

PR 3 론스키안과 일차독립
한국어

문제. $y_0(t), y_1(t), \cdots, y_n(t) \in C^\infty(\mathbb{R})$라 하자. 행렬

$$\begin{pmatrix} y_0(t) & y_1(t) & \cdots & y_n(t) \\ y_0'(t) & y_1'(t) & \cdots & y_n'(t) \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ y_0^{(n)}(t) & y_1^{(n)}(t) & \cdots & y_n^{(n)}(t) \end{pmatrix}$$

의 행렬식 $W(y_0, y_1, \cdots, y_n)(t)$를 $y_0, \cdots, y_n$의 론스키안(Wronskian)이라 한다. $W(y_0, y_1, \cdots, y_n)(t) \neq 0$이면 $y_0, \cdots, y_n$이 일차독립임을 증명하라. (역도 성립한다.)

English

Problem. Let $y_0(t), y_1(t), \cdots, y_n(t) \in C^\infty(\mathbb{R})$. The determinant $W(y_0, y_1, \cdots, y_n)(t)$ of a matrix

$$\begin{pmatrix} y_0(t) & y_1(t) & \cdots & y_n(t) \\ y_0'(t) & y_1'(t) & \cdots & y_n'(t) \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ y_0^{(n)}(t) & y_1^{(n)}(t) & \cdots & y_n^{(n)}(t) \end{pmatrix}$$

is called the Wronskian of $y_0, \cdots, y_n$. Show that $y_0, \cdots, y_n$ are linearly independent if $W(y_0, y_1, \cdots, y_n)(t) \neq 0$. (The converse also holds.)

PR 4 동반행렬의 행렬식
한국어

문제. 다음과 같이 정의하자.

$$A = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & \cdots & 0 & a_0 \\ -1 & 0 & 0 & \cdots & 0 & a_1 \\ 0 & -1 & 0 & \cdots & 0 & a_2 \\ \vdots & \vdots & \vdots & & & \vdots \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & -1 & a_{n-1} \end{pmatrix}$$

$\det(A + tI)$를 계산하라.

English

Problem. Let

$$A = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & \cdots & 0 & a_0 \\ -1 & 0 & 0 & \cdots & 0 & a_1 \\ 0 & -1 & 0 & \cdots & 0 & a_2 \\ \vdots & \vdots & \vdots & & & \vdots \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & -1 & a_{n-1} \end{pmatrix}$$

Compute $\det(A + tI)$.

PR 5 고전적 수반행렬의 성질
한국어

문제. $A \in M_{n\times n}(F)$라 하자. 다음을 증명하라.

  1. $\det(\operatorname{adj}(A)) = (\det A)^{n-1}$.
  2. $\operatorname{adj}(A^t) = (\operatorname{adj}(A))^t$.
  3. $A$가 상삼각행렬이면 $\operatorname{adj}(A)$도 상삼각행렬이다.
English

Problem. Let $A \in M_{n\times n}(F)$. Prove the following.

  1. $\det(\operatorname{adj}(A)) = (\det A)^{n-1}$.
  2. $\operatorname{adj}(A^t) = (\operatorname{adj}(A))^t$.
  3. If $A$ is upper triangular, then $\operatorname{adj}(A)$ is upper triangular.
PR 6 부분행렬을 이용한 계수
한국어

문제. 행렬 $A$의 부분행렬(submatrix)이란 $A$의 몇 개의 행과 열을 삭제하여 얻은 행렬이다. $\operatorname{rank}(A)$는 행렬식이 0이 아닌 $k \times k$ 부분행렬이 존재하는 가장 큰 정수 $k$임을 증명하라.

English

Problem. A submatrix of a matrix $A$ is obtained by deleting rows and columns of $A$. Show that $\operatorname{rank}(A)$ is the largest integer $k$ such that some square submatrix of size $k$ has a nonzero determinant.

PR 7 부호를 바꾸는 $n$중선형함수
한국어

문제. $\delta : M_{n\times n}(F) \to F$를 $n$중선형함수라 하자. $A \in M_{n\times n}(F)$의 두 행을 교환하여 얻은 행렬을 $B$라 할 때 $\delta(B) = -\delta(A)$라 하자. $\delta$는 교대적(alternating)인가?

English

Problem. Let $\delta : M_{n\times n}(F) \to F$ be an $n$-linear function. Suppose that if $B$ is a matrix obtained from $A \in M_{n\times n}(F)$ by interchanging two rows of $A$, then $\delta(B) = -\delta(A)$. Is it true that $\delta$ is alternating?