벡터공간과 동형
벡터공간은 체 위의 아벨군에 스칼라곱을 얹은 구조입니다 — Rn, 수열공간, 연속함수공간은 포장만 다를 뿐 같은 구조입니다. 계수 (a,b)를 움직이면 직선 y=a+bx와 점 (a,b)가 함께 움직입니다.
(V,+) abelian over F,c(v+w)=cv+cw
Φ:P2→R3,a+bx+cx2↦(a,b,c)
예제
실수 수열 전체의 집합 S에 각 항별 덧셈 (x+y)n=xn+yn과 스칼라곱 (cx)n=cxn을 주면 벡터공간이 됨을 보이세요.
(x+y)n=xn+yn,(cx)n=cxn
슬라이더 a=1, b=0.5 — 직선 y=1+0.5x와 점 (1,0.5).
증명 보기
- 닫힘: x,y∈S이면 x+y=(xn+yn)의 각 항은 실수이므로 x+y∈S입니다. 마찬가지로 cx=(cxn)의 각 항도 실수이므로 cx∈S입니다.
- 덧셈에 대해 (S,+)는 아벨군입니다: 교환·결합법칙은 각 항에서 실수의 성질을 그대로 이어받고, 항등원은 영수열 (0,0,…)이며, x의 역원은 (−xn)입니다.
- 스칼라곱의 결합법칙과 단위원도 각 항에서 성립합니다: (c(dx))n=c(dxn)=(cd)xn=((cd)x)n이며 (1x)n=1⋅xn=xn입니다.
- 분배법칙은 수열 수준에서 직접 확인됩니다: (c(x+y))n=c(xn+yn)=cxn+cyn=(cx+cy)n이며, ((c+d)x)n=(c+d)xn=cxn+dxn=(cx+dx)n입니다. 따라서 S는 R 위의 벡터공간입니다.
Φ(a,b)=a+bi가 실벡터공간으로서 R2에서 C로의 동형사상임을 증명하세요.
Φ(a,b)=a+bi,Ψ(a+bi)=(a,b)
Φ(0,1)=i — 허수 단위 i가 점 (0,1)에 대응합니다.
증명 보기
- 덧셈에 대한 선형성: Φ((a,b)+(c,d))=Φ(a+c,b+d)=(a+c)+(b+d)i=(a+bi)+(c+di)=Φ(a,b)+Φ(c,d)입니다.
- 실수 스칼라에 대한 동차성: 실수 t에 대해 Φ(t(a,b))=ta+tbi=t(a+bi)=tΦ(a,b)입니다. 스칼라가 실수라는 점이 중요합니다 — 이것이 실벡터공간으로서의 동형사상입니다.
- 단사: a+bi=c+di이면 복소수의 실수부·허수부가 유일하므로 a=c, b=d입니다. 따라서 Φ는 단사입니다.
- 전사: Ψ(a+bi)=(a,b)라 두면 Ψ(Φ(a,b))=(a,b)이고 Φ(Ψ(a+bi))=a+bi이므로 Ψ는 Φ의 역함수입니다. 전단사인 선형사상이므로 Φ는 동형사상입니다.
선형 동형사상 T:V→W는 일차독립인 집합을 일차독립인 집합으로 보냄을 증명하세요.
i=1∑nciT(vi)=0⟹c1=⋯=cn=0
슬라이더 a=1, b=−1 — 직선 y=1−x와 점 (1,−1).
증명 보기
- {v1,…,vn}⊂V가 일차독립이고 ∑ciT(vi)=0이라 가정합니다. 선형성에 의해 ∑ciT(vi)=T(∑civi)이므로 T(∑civi)=0을 얻습니다.
- 선형사상은 영벡터를 영벡터로 보내므로 (T(0)=T(0⋅v)=0⋅T(v)=0), T의 단사성에서 ∑civi=0을 얻습니다.
- {vi}의 일차독립성에 의해 c1=⋯=cn=0입니다. 따라서 {T(v1),…,T(vn)}도 일차독립입니다.
1. 수의 체계