야코비 행렬
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
야코비 행렬은 열린 집합 U ⊆ Rn에 정의된 함수 f: U → Rm의 각 성분의 편도함수를 요소로 가지는 행렬로, 함수가 미분 가능할 때 전미분을 나타낸다. n=m일 경우 야코비 행렬의 행렬식을 야코비 행렬식이라고 하며, 함수 f의 동작에 대한 중요한 정보를 제공한다. 야코비 행렬은 동역학 시스템, 뉴턴 방법, 회귀 분석 및 최소 제곱법 등 다양한 분야에 응용된다.
더 읽어볼만한 페이지
- 미분의 일반화 - 기울기 (벡터)
기울기(벡터)는 스칼라장의 특정 지점에서 값이 가장 빠르게 증가하는 방향과 변화율을 나타내는 벡터로, 함수의 등위면에 수직이며 크기는 해당 방향의 변화율을 나타내고, 스칼라 함수의 각 성분에 대한 편미분으로 구성되며 나블라 연산자로 표현된다. - 미분의 일반화 - 미분 (주요 부분)
미분은 함수의 변화율을 나타내는 수학적 개념으로, 독립 변수의 변화에 따른 종속 변수의 순간적인 변화를 선형 함수로 나타내며, 선형 근사, 오차 추정, 미분 방정식 해결 등 다양한 분야에 응용된다. - 행렬식 - 부피 형식
부피 형식은 다양체의 방향 결정, 측도 정의, 벡터장 발산 계산에 사용되는 미분 형식의 일종으로, 유향 다양체에서는 밀도와 관련되며, 리 군, 심플렉틱 다양체, 준-리만 다양체 등에서 자연스럽게 정의된다. - 행렬식 - 가역행렬
가역 행렬은 정사각 행렬 A에 대해 AB = BA = I를 만족하는 역행렬 B가 존재하며, 행렬식은 0이 아니고, 기본 행렬의 곱으로 표현 가능하며, 선형 방정식 시스템 풀이 등 다양한 분야에 응용된다. - 다변수 미적분학 - 음함수와 양함수
음함수와 양함수는 함수의 표현 방식에 따른 분류로, 독립변수와 종속변수의 관계가 명시적으로 나타나는 경우를 양함수, 관계식이 한 식 안에 포함된 경우를 음함수라 하며, 음함수는 양함수로 표현하기 어렵거나 불가능한 경우가 있고, 음함수 미분법, 음함수 정리 등을 통해 여러 분야에서 활용된다. - 다변수 미적분학 - 편평도
편평도는 아직 내용이 없어 정의를 내릴 수 없는 위키백과 페이지이다.
| 야코비 행렬 | |
|---|---|
| 정의 | |
| 설명 | 벡터 값 함수의 모든 1차 편도함수를 담은 행렬 |
| 분야 | 미적분학, 선형대수학 |
| 명명 유래 | 카를 구스타프 야코프 야코비 |
| 행렬식 | |
| 설명 | 야코비 행렬의 행렬식 |
| 기호 | |J| |
| 용도 | 변수 변환 시 사용 |
2. 정의
열린집합 에 정의된 함수 가 점 에서 미분 가능하다고 하자. 이 경우 의 에서의 '''야코비 행렬''' 은 다음과 같다.
:
즉, 각 는 의 번째 성분의 번째 변수에 대한 편도함수이다.
만약 일 경우, 야코비 행렬은 정사각행렬이므로, 그 행렬식 을 취할 수 있다. 이를 의 에서의 '''야코비 행렬식'''이라고 한다.
특히, 열린집합 에 정의된 미분 가능 함수 의 야코비 행렬 은 다음과 같다.
:
:
2. 1. 표기법
야코비 행렬은 다음과 같이 표기한다.[8][9]- J영어(f)
- f′
- Df
마지막 표기()는 일부 문헌에서 야코비 행렬식을 나타내는 데 사용되기도 한다.
3. 성질
열린집합 에 정의된 함수 가 점 에서 미분 가능하면, 다음이 성립한다.
:
즉, 는 의 에서의 프레셰 도함수이다.
함수 가 1차 편도함수가 모두 에서 존재한다고 가정하자. 이 함수는 점 를 입력으로 받아 벡터 를 출력한다. 그러면, 야코비 행렬 는 그 번째 요소가 가 되도록 정의된다.
야코비 행렬은 가 미분 가능한 모든 점에서 의 전미분을 나타낸다. 가 열 행렬로 표현되는 변위 벡터인 경우, 행렬 곱 는 또 다른 변위 벡터이며, 가 에서 미분 가능한 함수인 경우, 의 근방에서 의 변화에 대한 최적의 선형 근사이다. 즉, 를 에 매핑하는 함수는 에 가까운 모든 점 에 대해 의 최적의 선형 근사이다. 선형 맵 는 에서 의 "도함수" 또는 전미분이라고 알려져 있다.
만약 가 의 점 에서 미분 가능하다면, 그 미분은 로 표현된다. 이 경우, 로 표현되는 선형 변환은 점 근처에서 의 최적 선형 근사이며,
:
여기서 는 가 에 접근할 때 와 사이의 유클리드 거리보다 훨씬 빠르게 0에 접근하는 양이다.
합성 가능한 미분 가능 함수 와 는 연쇄 법칙을 만족하며, 즉 의 에 대해 이다.
가 점 에서 임의의 편미분을 갖는다면, 에서 야코비 행렬이 존재한다. 그러나, 의 편미분 가능성만으로는 의 미분 가능성을 말할 수 없으므로, 야코비 행렬이 존재하더라도 는 에서 반드시 전미분 가능하지 않다.
가 상의 점 에서 미분 가능할 때,
:
인 선형 사상 가 존재한다. 이때 이 선형 사상 의 표준 기저에 관한 표현 행렬은 의 에서의 야코비 행렬 에 의해 주어진다.
가 점 에서 미분 가능할 때, 점 에서의 야코비 행렬 는 가 에 충분히 가까울 때
:
인 관계를 만족한다.
4. 야코비 행렬식
야코비 행렬식(Jacobian determinant영어)은 함수의 국소적 성질(확대, 축소, 방향 보존/반전)에 대한 정보를 제공하며, 다중 적분에서 변수 변환 시 중요한 역할을 한다.[5][6][7]
이면, 는 에서 자기 자신으로의 함수가 되고 야코비 행렬은 정사각 행렬이 된다. 이때 이 행렬의 행렬식을 구성할 수 있는데, 이를 '''야코비 행렬식'''이라고 하며, 때로는 단순히 "야코비"라고 불리기도 한다.
주어진 점에서 야코비 행렬식은 해당 점 근처에서 의 동작에 대한 중요한 정보를 제공한다. 예를 들어, 야코비 행렬식이 에서 0이 아니면, 는 점 근처에서 역함수를 갖는다. 또한 에서 야코비 행렬식이 양수이면, 는 근처에서 방향을 보존하고, 음수이면 방향을 반전시킨다. 에서 야코비 행렬식의 절댓값은 함수 가 근처에서 부피를 확장하거나 축소하는 정도를 나타내는데, 이것이 일반적인 치환 적분에 야코비 행렬식이 나타나는 이유이다.
야코비 행렬식은 이중 적분을 평가할 때 변수 변환을 수행하는 과정에서 사용된다. 좌표 변경을 반영하기 위해 야코비 행렬식의 크기는 적분 내에서 곱해지는 인수로 나타난다. 이는 차원 요소가 새로운 좌표계에서 일반적으로 평행육면체가 되고, 평행육면체의 -부피는 모서리 벡터들의 행렬식으로 표현되기 때문이다.
야코비 행렬은 행렬 미분 방정식의 평형점의 안정성을 결정하는 데에도 사용될 수 있다.
4. 1. 역함수 정리
연속 미분 가능 함수는 야코비 행렬식이 0이 아닌 경우 특정 점 근처에서 역함수를 갖는다. 이것이 역함수 정리이다. 만약 야코비 행렬이 어떤 점 에서 연속이고 비특이적이라면, 함수 는 의 근방으로 제한될 때 가역적이다. 다시 말해, 만약 야코비 행렬식이 한 점에서 0이 아니라면, 그 함수는 이 점 근처에서 ''국소적으로 가역적''이다.[1]일 때, 의 에서의 야코비 행렬은 정사각 행렬이며, 야코비 행렬이 정칙 행렬일 경우, 는 국소적으로 전단사가 되며, 그 역함수는 급이다. 이때, 에서의 야코비 행렬은 의 역행렬이 된다.[2] 즉, 를 포함하는 어떤 영역 에 대해, 의 로의 제한
:
는 급 전단사이고,
:
가 성립한다.[3]
역함수 정리에 따르면, 야코비 행렬 의 가역 함수의 행렬 역행렬은 역함수의 야코비 행렬이다. 즉, 점 에서의 역함수의 야코비 행렬은 다음과 같다.[4]
그리고 야코비 행렬식은 다음과 같다.[5]
(증명되지 않은) 야코비 추측은 다항 함수, 즉 ''n''개의 변수에 있는 ''n''개의 다항식으로 정의된 함수의 경우에 전역 가역성과 관련이 있다. 야코비 행렬식이 0이 아닌 상수(또는 이에 상응하여 복소 영점을 갖지 않는 경우)이면, 그 함수는 가역적이고 그 역함수는 다항 함수라고 주장한다.[6]
4. 2. 임계점
미분가능 함수 의 ''임계점''은 야코비 행렬의 계수가 최대가 아닌 점이다. 이는 임계점에서의 계수가 어떤 인접점에서의 계수보다 낮다는 것을 의미한다. 다시 말해, 를 의 이미지에 포함된 열린 공의 최대 차원이라고 할 때, 모든 계수의 소행렬식이 0이면 그 점은 임계점이다.인 경우, 야코비 행렬식이 0이면 그 점은 임계점이다.
5. 응용
야코비 행렬은 동역학 시스템에서 정지점 근처의 시스템 안정성을 분석하고, 뉴턴 방법을 통해 제곱 연립 비선형 방정식을 푸는 데 사용된다. 또한 통계적 회귀 분석 및 곡선 맞춤에서 선형화된 설계 행렬 역할을 하며, 비선형 최소 제곱법에 활용된다.[11][12][13][14]
5. 1. 동역학 시스템
다음과 같은 형태의 동역학 시스템을 고려해 볼 수 있다. . 여기서 는 진화 매개변수 (시간)에 대한 의 (성분별) 도함수이고, 는 미분 가능하다. 만약 이면, 는 정지점(정상 상태)이다. 하트만-그로브만 정리에 따르면, 정지점 근처의 시스템 거동은 정지점에서 의 야코비 행렬인 의 고유값과 관련이 있다.[11] 구체적으로, 고유값의 실수부가 모두 음수이면 시스템은 정지점 근처에서 안정적이다. 만약 고유값 중 실수부가 양수인 것이 있다면, 그 점은 불안정하다. 고유값의 가장 큰 실수부가 0이면, 야코비 행렬은 안정성을 평가할 수 없다.[12]5. 2. 뉴턴 방법
제곱 연립 비선형 방정식은 뉴턴 방법을 통해 반복적으로 풀 수 있다. 이 방법은 방정식 시스템의 야코비 행렬을 사용한다.[1]5. 3. 회귀 분석 및 최소 제곱법
야코비 행렬은 통계적 회귀 분석 및 곡선 맞춤에서 선형화된 설계 행렬 역할을 한다. 비선형 최소 제곱법을 참조하라. 야코비 행렬은 또한 임의 행렬, 모멘트, 국부 민감도 및 통계적 진단에도 사용된다.[13][14]6. 예시
야코비 행렬은 새로운 좌표 공간에서 단위 면적이 어떻게 변환되는지 보여주며, 적분을 시각적으로 이해할 수 있는 xy 좌표 공간에 매핑될 때 그 변화를 조사하여 이해할 수 있다.[5][6][7] 이 과정은 새로운 좌표에 대한 편미분을 수행하고 행렬식을 적용하여 야코비 행렬을 얻는 것을 포함한다.
아래는 함수 의 야코비 행렬식 예시이다.
이 함수의 야코비 행렬식은 다음과 같다.
:
이 결과에서 는 과 가 같은 부호를 가지는 점 근처에서 방향을 반전시킨다는 것을 알 수 있다. 이 함수는 또는 인 점 근처를 제외하고는 모든 곳에서 국소적으로 가역적이다. 예를 들어, 점 (1, 2, 3) 주변의 작은 물체에 를 적용하면, 그 물체의 부피는 원래 부피의 약 80배 (40 × 1 × 2)가 되고, 방향은 반전된다.
6. 1. 예제 1
다음과 같은 함수 를 생각하자.:
모든 편도함수는 다음과 같다.
:
따라서, 의 야코비 행렬은 다음과 같다.
:
또한, 의 야코비 행렬식은 다음과 같다.
:
6. 2. 예제 2: 극좌표-직교좌표 변환
극좌표계 (''r'', ''φ'')영어에서 직교 좌표계 (''x'', ''y'')로의 변환은 다음과 같은 성분을 가진 함수 '''F''': '''R'''+ × [0, 2로 주어진다.야코비 행렬식은 ''r''과 같다. 이를 사용하여 두 좌표계 간의 적분을 변환할 수 있다.[5][6][7]
6. 3. 예제 3: 구면좌표-직교좌표 변환
구면 좌표계에서 직교 좌표계로의 좌표 변환 ''f'' (''r'', θ, φ) = (''r'' sinθcosφ, ''r'' sinθsinφ, ''r'' cosθ)에 대한 야코비 행렬은 다음과 같다.:
따라서 특이점은 ''r'' = 0 또는 sin θ = 0인 점, 즉 (0, θ, φ)와 (''r'', 0, φ), (''r'', π, φ)이다. 이것은 직교 좌표에서 (0, 0, 0), (0, 0, ''r''), (0, 0, -''r'') 즉, z축을 나타낸다.
6. 4. 추가 예제
다음은 함수 '''F''' : '''R'''3 → '''R'''4의 야코비 행렬이다.:
:
이 예는 야코비 행렬이 정사각행렬일 필요가 없음을 보여준다.
7. 다양체론에서의 야코비 행렬
다양체 간 사상의 야코비 행렬에 대해 설명한다.
을 각각 차원, 차원의 다양체로, 를 그 사이의 급 사상이라고 한다. 이때, 의 점 에서의 미분 는, 점 에서의 의 접벡터 공간 과, 점 에서의 의 접벡터 공간 사이의 선형 사상이 된다. 주위의 의 국소 좌표 } 및 주위의 의 국소 좌표 }를 정하면, 각각의 접벡터 공간에서의 기저가 정해진다. 이 기저에 관한 의 표현 행렬을 의 에서의 야코비 행렬이라고 부른다.
사상의 미분은 국소 좌표에 의존하지 않지만, 야코비 행렬은 국소 좌표의 선택에 의존한다. 단, 같은 사상의, 국소 좌표의 선택 방식을 바꾼 야코비 행렬끼리는 서로 켤레이다.
이 정의는, 앞서 정의한 것의 확장이다. 을 (의 열린 집합), 을 으로 하여, 각각에 자명한 국소 좌표를 선택함으로써, 앞서 정의한 것과 일치한다[16].
참조
[1]
웹사이트
Jacobian - Definition of Jacobian in English by Oxford Dictionaries
https://en.oxforddic[...]
2018-05-02
[2]
웹사이트
the definition of jacobian
http://www.dictionar[...]
2018-05-02
[3]
웹사이트
Jacobian pronunciation: How to pronounce Jacobian in English
https://forvo.com/wo[...]
2018-05-02
[4]
웹사이트
Jacobian
http://mathworld.wol[...]
2018-05-02
[5]
AV media
Jacobian motivation, intuition, derivation/proof
https://www.youtube.[...]
2024-10-20
[6]
서적
Calculus: early transcendental functions
Cengage Learning
2017
[7]
서적
Calculus
Cengage
[8]
서적
An Introduction to computational science
Springer
2019
[9]
서적
Differential Geometry of Manifolds
https://books.google[...]
CRC Press
2019-12-16
[10]
서적
Thomas' Calculus Early Transcendentals, 14e
Pearson
[11]
서적
Dynamical Systems: Differential Equations, Maps, and Chaotic Behaviour
Chapman & Hall
[12]
서적
Differential Equations, Dynamical Systems and Linear Algebra
[13]
간행물
Matrix differential calculus with applications in the multivariate linear model and its diagnostics
2022-03
[14]
간행물
Professor Heinz Neudecker and matrix differential calculus
2023
[15]
MathWorld
Jacobian
[16]
문서
ただし、冒頭の定義とは {{mvar|m}} と {{mvar|n}} の役割が逆になっている
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com