정부호 행렬

정부호 행렬(定符號行列, 영어: definite matrix) 또는 정치 행렬(定置行列)은 에르미트 행렬의 일종으로, 특정한 성질을 가지는 행렬에 대해 양수/음수와 같이 부호를 정의하는 것으로 생각할 수 있다.

정의

에르미트 행렬의 고윳값은 항상 실수다. 에르미트 행렬 $M$은 그 고윳값의 부호에 따라서 다음과 같이 분류한다.

• 모든 고윳값이 음수가 아닌 경우 (즉, 0이 아닌 모든 벡터 $x$에 대해 $x^{*}Mx\ge 0$인 경우) $M$은 양의 준정부호 행렬(陽-準定符號行列, 영어: positive semi-definite matrix)이다.
• 모든 고윳값이 양수인 경우 (즉, 0이 아닌 모든 벡터 $x$에 대해 $x^{*}Mx>0$인 경우) $M$은 양의 정부호 행렬(陽-定符號行列, 영어: positive definite matrix)이다.
• 모든 고윳값이 양수가 아닌 경우 (즉, 0이 아닌 모든 벡터 $x$에 대해 $x^{*}Mx\le 0$인 경우) $M$은 음의 준정부호 행렬(陰-準定符號行列, 영어: negative semi-definite matrix)이다.
• 모든 고윳값이 음수인 경우 (즉, 0이 아닌 모든 벡터 $x$에 대해 $x^{*}Mx<0$인 경우) $M$은 음의 정부호 행렬(陰-定符號行列, 영어: negative definite matrix)이다.
• 양의 준정부호 또는 음의 준정부호가 아닌 경우 (즉, 양수 및 음수 고윳값을 둘 다 가진 경우) $M$은 부정부호 행렬(不定符號行列, 영어: indefinite matrix)이다.

실수체에서 정의하는 경우, 에르미트 행렬 $M$ 대신 대칭행렬 $M$, 켤레전치 $x^{*}$대신 전치 $x^T$를 사용한다.

비(非)에르미트 행렬의 경우

일부 문헌에서는 에르미트 행렬이 아닐 수 있는 행렬 $M$에 대해서도 정부호 행렬을 정의하며, 이 경우 $x^{*}Mx$ 대신 그 실수부 $\mathrm{Re}(x^{*}Mx)$를 사용한다. 이 경우 $M$의 정부호성은 그 에르미트 성분 $(M+M^{*})/2$의 좁은 의미의 정부호성과 동치이다.

예제

행렬 $M_0=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$은 양의 정부호 행렬이다. 모든 복소수 벡터 $x=\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ x_1\end{array}\right]$에 대해, $\left[\begin{array}{cc}\overline{x_0}& \overline{x_1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ x_1\end{array}\right]=\overline{x_0}{x}_0+\overline{x_1}{x}_1$이 되고, $x_0$이나 $x_1$이 둘 다 0이 아니라면 이 값은 0보다 크다. 실수 범위에서만 생각할 경우 $\overline{x_0}{x}_0+\overline{x_1}{x}_1=x_0^2+x_1^2$가 되고, 역시 모든 실수에 대해 동일한 성질이 성립한다.

반면, $M_1=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 1& 0\end{array}\right]$은 부정부호 행렬이다. $x=\left[\begin{array}{c}1\\ -1\end{array}\right]$에 대해서 $x^{*}Mx=-2$가 되기 때문이다.

성질

$n\times n$ 복소수 양의 정부호 행렬 $M$에 대해, 다음의 성질이 항상 성립한다.

• 고윳값이 모두 양수이다.
• 임의의 두 벡터 $x,y$에 대해 $<x,y>=x^{*}My$로 내적을 정의하는 것이 가능하다. 반대로, 복소수 벡터 공간 ${ℂ}^n$에서 정의할 수 있는 내적은 모두 양의 정부호 행렬에 대한 곱으로 표현이 가능하다.
• $M$은 그람 행렬이다. 즉, 어떠한 선형 독립인 벡터 $x_1,\cdots ,x_n$가 존재하여, $M_{ij}=x_i^{*}{x}_j$가 성립한다.
• $M=L{L}^{*}$이 성립하는 하삼각행렬 $L$이 유일하게 존재한다. 이러한 분해를 촐레스키 분해라고 부른다.

• 대칭행렬의 성질로부터 정부호 행렬의 역행렬도 동일한 정부호 행렬이다.

같이 보기

• 멱등 행렬
• 부호 행렬

외부 링크

• Weisstein, Eric Wolfgang. “Positive semidefinite matrix” (영어). 《Wolfram MathWorld》. Wolfram Research. 
• Weisstein, Eric Wolfgang. “Positive definite matrix” (영어). 《Wolfram MathWorld》. Wolfram Research. 
• Weisstein, Eric Wolfgang. “Negative semidefinite matrix” (영어). 《Wolfram MathWorld》. Wolfram Research. 
• Weisstein, Eric Wolfgang. “Negative definite matrix” (영어). 《Wolfram MathWorld》. Wolfram Research. 
• Weisstein, Eric Wolfgang. “Indefinite matrix” (영어). 《Wolfram MathWorld》. Wolfram Research.