분류
1. 개요
어떤 행렬이 삼각행렬이 되는 기저를 찾는 것. 대각행렬은 삼각행렬의 일종이므로, 삼각화는 대각화의 느슨한 형태라고 볼 수 있다.
상삼각행렬을 사용하는 관습이 보통이나, 하삼각행렬은 어차피 기저의 순서를 역순으로 바꾸면 상삼각행렬과 상사가 되므로 수학적으로는 동치이다.
삼각화된 행렬의 주대각성분은 고윳값들로 이루어져 있다. 따라서 삼각화는 반드시 특성방정식이 일차식으로 완전히 인수분해되는 수 범위(즉 체) 내에서만 이루어져야 한다. 역으로 행렬의 특성방정식이 완전히 인수분해되면 삼각화가 항상 존재한다. 즉 복소수체 등의 대수적으로 닫힌 체에서는 항상 삼각화가 가능하다.
상삼각행렬을 사용하는 관습이 보통이나, 하삼각행렬은 어차피 기저의 순서를 역순으로 바꾸면 상삼각행렬과 상사가 되므로 수학적으로는 동치이다.
삼각화된 행렬의 주대각성분은 고윳값들로 이루어져 있다. 따라서 삼각화는 반드시 특성방정식이 일차식으로 완전히 인수분해되는 수 범위(즉 체) 내에서만 이루어져야 한다. 역으로 행렬의 특성방정식이 완전히 인수분해되면 삼각화가 항상 존재한다. 즉 복소수체 등의 대수적으로 닫힌 체에서는 항상 삼각화가 가능하다.
2. 증명
삼각화의 증명 자체는 의외로 블록대각행렬을 사용하면 쉽게 가능한데, 고유벡터를 하나 잡고 첫번째 벡터로 놓고, 우하단의 (n-1)*(n-1) 행렬을 삼각화시켜주면 된다(크기에 대한 수학적 귀납법을 사용). 삼각화의 활용만을 생각한다면 보통은 이 정도로 충분하다.
다만 대수학 입장에서는 행렬이 아니라 선형사상의 삼각화를 '자연스럽게' 이해하는 방법을 생각해야 하므로, 몫공간(quotient space)의 개념을 사용해 삼각화를 해석한다. [math(T)]가 기저 [math({v_1,v_2,cdots,v_n} )]이 삼각화되기 위한 필요충분조건은 모든 i에 대해 [math(Tv_i)]가 [math(v_1,cdots,v_i)]로 나타나지는 것이다. 즉 [math(V_i = text{span}(v_1,cdots,v_i))]로 잡으면, 삼각화 문제는 [math(T)]-불변공간 중 [math( V_{i+1}/V_i simeq k)]을 만족하는 열 [math({0}= V_0 subset V_1 subset cdots subset V_n = V )] 을 잡는 것과 동치이다.
이렇게 보면 위의 증명은 우선 고유공간 [math(V_1)]을 잡고 [math(V/V_1)]에 대해 귀납법을 쓰는 것으로 해석할 수 있다. 이 때 우하단 (n-1)*(n-1) 행렬은 [math(V/V_1)]에 작용하는 [math(T)]의 좌표로 해석된다. 따라서 몫공간을 다루지 않는 대다수의 선형대수 입문 교재에서는 위 증명의 의미를 자세히 다루기는 힘들다.솔직히 수학과 아니면 딱히 알 필요도 없다
다만 대수학 입장에서는 행렬이 아니라 선형사상의 삼각화를 '자연스럽게' 이해하는 방법을 생각해야 하므로, 몫공간(quotient space)의 개념을 사용해 삼각화를 해석한다. [math(T)]가 기저 [math({v_1,v_2,cdots,v_n} )]이 삼각화되기 위한 필요충분조건은 모든 i에 대해 [math(Tv_i)]가 [math(v_1,cdots,v_i)]로 나타나지는 것이다. 즉 [math(V_i = text{span}(v_1,cdots,v_i))]로 잡으면, 삼각화 문제는 [math(T)]-불변공간 중 [math( V_{i+1}/V_i simeq k)]을 만족하는 열 [math({0}= V_0 subset V_1 subset cdots subset V_n = V )] 을 잡는 것과 동치이다.
이렇게 보면 위의 증명은 우선 고유공간 [math(V_1)]을 잡고 [math(V/V_1)]에 대해 귀납법을 쓰는 것으로 해석할 수 있다. 이 때 우하단 (n-1)*(n-1) 행렬은 [math(V/V_1)]에 작용하는 [math(T)]의 좌표로 해석된다. 따라서 몫공간을 다루지 않는 대다수의 선형대수 입문 교재에서는 위 증명의 의미를 자세히 다루기는 힘들다.
3. 활용
삼각화를 이용하여 간단히 케일리-해밀턴 정리를 증명할 수 있다. 삼각행렬에 대해 특성다항식을 계산하면 0이 되고 상사인 행렬들의 특성다항식이 같으므로 끝.
실수체나 복소수체 한정으로 성립하는 슈르 삼각화(Schur triangularization)는 대각화의 기저를 직교기저로 잡을 수 있다는 내용이다. 내적공간을 먼저 배웠다면 몫공간이니 뭐니를 언급하지 않아도 슈르 삼각화를 그람-슈미트 과정을 써서 증명할 수 있으므로, 몇몇 응용 선형대수 교재에서는 이 방식으로 삼각화를 설명하기도 한다. 물론 복소수체가 아니면 그런 거 없기 때문에 유한체 같은 일반적인 경우를 다룰 때는 이렇게 할 수 없다.
실수체나 복소수체 한정으로 성립하는 슈르 삼각화(Schur triangularization)는 대각화의 기저를 직교기저로 잡을 수 있다는 내용이다. 내적공간을 먼저 배웠다면 몫공간이니 뭐니를 언급하지 않아도 슈르 삼각화를 그람-슈미트 과정을 써서 증명할 수 있으므로, 몇몇 응용 선형대수 교재에서는 이 방식으로 삼각화를 설명하기도 한다. 물론 복소수체가 아니면 그런 거 없기 때문에 유한체 같은 일반적인 경우를 다룰 때는 이렇게 할 수 없다.