스미스 표준형

선형대수학에서, 스미스 표준형(영어: Smith canonical form)은 주 아이디얼 정역 위에 주어진 임의의 모양의 행렬과 동치인 매우 단순한 꼴의 대각 행렬이다. 스미스 표준형의 존재는 주 아이디얼 정역 위의 유한 생성 자유 가군과 부분 가군의 적절한 기저 사이의 선형 관계는 아주 간단할 수 있다는 사실과 동치이다.

정의

주 아이디얼 정역 $R$ (예를 들어, 정수환 $\mathbb{Z}$ 또는 체 계수 일변수 다항식환 $K[x]$) 위의 임의의 $m\times n$ 행렬 $A\in \mathrm{Mat}(m,n;R)$에 대하여, 다음 조건을 만족시키는 가역 행렬 $P\in \mathrm{GL}(m;R)$와 $Q\in \mathrm{GL}(n;R)$ 및 유한 개의 원소 $d_1,d_2,\dots ,d_r\in R$가 존재한다.

$PAQ=\left(\begin{array}{c}{d}_1\\ & d_2\\ & & \ddots \\ & & & d_r\\ & & & & 0_{(m-r)\times (n-r)}\end{array}\right)$

$d_i\ne 0(i=1,2,\dots ,r)$

$d_1\mid d_2\mid \cdots \mid d_r$

(여기서 $0_{(m-r)\times (n-r)}$는 $(m-r)\times (n-r)$ 영행렬이다.) 또한 $d_1,d_2,\dots ,d_r$은 가역원배의 차이를 무시하면 유일하다. 이를 $A$의 스미스 표준형이라고 한다.

알고리즘

행렬의 스미스 표준형은 두 행 또는 두 열을 교환하는 연산과 한 행 또는 열에 다른 행 또는 열의 배수를 더하는 연산을 통해 구할 수 있다. $R$는 유일 인수 분해 정역이므로, 모든 0이 아닌 원소는 유일한 인수 분해를 갖는다. 임의의 $r\in R\setminus \{0\}$에 대하여, $l(r)\in \mathbb{N}$이 $r$의 소인수의 중복집합의 크기라고 하자.

우선 $R$ 위의 $2\times 2$ 행렬

$\left(\begin{array}{cc}a& b\\ c& e\end{array}\right)$

을 생각하자. $R$가 베주 정역이므로, $a$와 $b$의 최대공약수 $d$에 대하여, $d=ua+vb$인 $u,v\in R$가 존재한다. $a=d{a}^{\prime }$, $b=d{b}^{\prime }$라고 하자. 그렇다면 $u{a}^{\prime }+v{b}^{\prime }=1$이다. 따라서

$\left(\begin{array}{cc}u& -b^{\prime }\\ v& a^{\prime }\end{array}\right)$

은 가역 행렬이며,

$\left(\begin{array}{cc}a& b\\ c& e\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}u& -b^{\prime }\\ v& a^{\prime }\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}d& 0\\ uc+vd& -b^{\prime }c+a^{\prime }d\end{array}\right)$

이다. 마찬가지로, 왼쪽에 가역 행렬을 곱하여 첫 행 첫 열 성분이 $a$와 $c$의 최대공약수이며 둘째 행 첫 열 성분이 0이도록 만들 수 있다.

이제 일반적인 $m\times n$ 행렬 $A$를 생각하자. 만약 $A=0$이라면, $A$는 이미 스스로의 스미스 표준형이다. $A\ne 0$이라고 가정하자. 행과 열의 교환을 통해, 편의상 $A_{11}\ne 0$이라고 가정하자. (보통 과정을 간단하게 만들기 위해 $l(A_{11})$가 가장 작도록 행·열을 교환한다.) 만약 모든 $i,j=2,\dots ,n$에 대하여 $A_{11}\mid A_{ij}$라면, 각 열에 첫 열의 배수를 더하고 각 행에 첫 행의 배수를 더하여, 첫 행과 첫 열의 $A_{11}$을 제외한 모든 성분이 0이 되게 만들 수 있다. 만약 $A_{11}\nmid A_{ij}$인 $i,j=2,\dots ,n$이 존재한다면, 행과 열의 교환 및 행 또는 열에 다른 행 또는 열의 배수를 더하는 연산을 통해 $A_{11}\nmid A_{12}$이거나 $A_{11}\nmid A_{21}$라고 가정할 수 있다. (예를 들어, 만약 $A_{11}\mid A_{12},A_{21}$이지만 $A_{11}\nmid A_{22}$라면, 첫 행의 적절한 배수를 둘째 행에서 빼 둘째 행 첫 열의 성분을 0으로 만들고, 마찬가지로 첫 행 둘째 열의 성분을 0으로 만든 뒤, 다시 둘째 행을 첫 행에 더하면, $A_{11}$은 변하지 않으며, $A_{11}$이 바로 오른쪽 성분을 나누지 못하게 된다.) 편의상 $A_{11}\nmid A_{12}$라고 하자. 그렇다면

$\left(\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right)Q^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}A{\text{'}}_{11}& 0\\ A{\text{'}}_{21}& A{\text{'}}_{22}\end{array}\right)$

$A{\text{'}}_{11}=\gcd \{A_{11},A_{12}\}$

인 가역 행렬 $Q^{\prime }$이 존재한다. 따라서

$Q=\left(\begin{array}{cc}{Q}^{\prime }& 0\\ 0& 1_{(n-2)\times (n-2)}\end{array}\right)$

는 가역 행렬이며, 행렬 $AQ$의 첫 행 첫 열 성분은 $A{\text{'}}_{11}$이다. 또한 $A_{11}\nmid A_{12}$이므로 $A{\text{'}}_{11}$은

$l(A{\text{'}}_{11})<l(A_{11})$

을 만족시킨다. ($A_{11}\nmid A_{21}$인 경우에도 가역 행렬의 왼쪽 곱셈을 통해 첫 행 첫 열의 소인수의 수를 감소시킬 수 있다.) 첫 행 첫 열의 원소는 소인수의 수가 줄어들수록 가역원에 가까워져 ‘다른 성분들을 나눌 가능성’이 늘어난다. 따라서 이와 같은 과정을 반복하면 결국 첫 행 첫 열의 성분이 모든 다른 성분을 나누는 행렬을 얻는다. 이제 첫 행의 적절한 배수를 다른 행에 더하고 첫 열의 적절한 배수를 다른 열에 더하면 $A$는 다음과 같은 꼴의 행렬과 동치가 된다.

$\left(\begin{array}{cc}{d}_1& 0\\ 0& A^{\prime }\end{array}\right)$

$d_1\mid A{\text{'}}_{ij}(\mathrm{\forall }i,j)$

다시 $A^{\prime }$에 대하여 같은 과정을 반복하면 $A$와 동치인 다음과 같은 꼴의 행렬을 얻는다.

$\left(\begin{array}{cc}{d}_1& 0\\ 0& d_2\\ & & A^{″}\end{array}\right)$

$d_1\mid d_2\mid A^{\prime }{\text{'}}_{ij}(\mathrm{\forall }i,j)$

여기서 $d_1\mid d_2$인 이유는 $d_2$가 $A^{\prime }$의 성분의 선형 결합이기 때문이다.

위와 같은 과정을 반복하면 결국 스미스 표준형을 얻는다.

예

유리수 계수 다항식환 $\mathbb{Q}[x]$ 위의 행렬

$\left(\begin{array}{ccc}x+3& 1& 1\\ 2& x+2& 1\\ -6& -3& x-2\end{array}\right)$

의 스미스 표준형은 다음과 같이 구할 수 있다.

$\begin{array}{cc}\left(\begin{array}{ccc}x+3& 1& 1\\ 2& x+2& 1\\ -6& -3& x-2\end{array}\right)& \sim \left(\begin{array}{ccc}1& 1& x+3\\ 1& x+2& 2\\ x-2& -3& -6\end{array}\right)\sim \left(\begin{array}{ccc}1& 1& x+3\\ 0& x+1& -x-1\\ 0& -x-1& -x^2-x\end{array}\right)\sim \left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& x+1& -x-1\\ 0& -x-1& -x^2-x\end{array}\right)\\ & \sim \left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& x+1& -x-1\\ 0& 0& -(x+1{)}^2\end{array}\right)\sim \left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& x+1& 0\\ 0& 0& -(x+1{)}^2\end{array}\right)\\ & \sim \left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& x+1& 0\\ 0& 0& (x+1{)}^2\end{array}\right)\end{array}$

응용

주 아이디얼 정역 위의 유한 생성 가군의 구조

스미스 표준형을 통해 주 아이디얼 정역 위의 유한 생성 가군의 불변 인자 분해를 유도할 수 있다.

역사

헨리 존 스티븐 스미스의 이름을 땄다.

같이 보기

• 표준 형식
• 디오판토스 방정식
• 유리 표준형
• 특잇값 분해

외부 링크

• 이철희. “스미스 표준형 (Smith normal form)”. 《수학노트》. 
• Weisstein, Eric Wolfgang. “Smith normal form” (영어). 《Wolfram MathWorld》. Wolfram Research. 
• “Smith normal form” (영어). 《nLab》. 
• “Smith normal form” (영어). 《PlanetMath》. 
• “Example of Smith normal form” (영어). 《PlanetMath》.