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과학

양의 정부호 행렬

양의 정부호 행렬과학
영문명
Positive definite matrix
실수 대칭 조건
Aᵀ = A
판정식
모든 x ≠ 0에서 xᵀAx > 0
준정부호와 차이
0이 되는 비영벡터 허용 여부
양의 정부호 행렬은 실수 대칭행렬 A에서 0이 아닌 모든 벡터 x에 대해 xᵀAx가 양수가 되는 행렬이다. 양의 준정부호는 이 값이 0인 방향도 허용한다. 개별 원소의 부호가 아니라 행렬 전체가 만드는 이차형식의 성질이다.

모든 방향에서 확인한다

벡터 하나에서 xᵀAx가 양수인 것만으로는 충분하지 않다. 0이 아닌 모든 방향에서 양수여야 한다. 실수 대칭행렬에서는 모든 고유값이 양수라는 조건과 동치다. 대칭성의 전제 없이 이 판정 설명을 그대로 확장하지 않는다.

제곱합으로 확인하는 예

A의 두 행이 (2,1), (1,2)이고 x = (a,b)라면 xᵀAx = 2a²+2ab+2b²다. 이를 (a+b)²+a²+b²로 쓰면 a와 b가 둘 다 0인 경우를 제외하면 양수임을 알 수 있다. 이 행렬의 고유값은 1과 3이다.

양의 준정부호와 비교한다

모든 성분이 1인 두 행 두 열 행렬 B에서는 xᵀBx = (a+b)²다. 음수가 되지는 않지만 x = (1,-1)에서 0이다. 따라서 B는 양의 준정부호이면서 양의 정부호는 아니다. 음수 방향이 없다는 말과 모든 비영 방향에서 양수라는 말은 다르다.

수치적 판정의 경계

대칭 양의 정부호 행렬에는 촐레스키 분해를 사용할 수 있다. 하지만 계산한 고유값이 0에 아주 가까우면 반올림 오차와 판정 허용 기준을 살펴야 한다. 수학적으로 양수인 값과 사용 중인 정밀도에서 0으로 볼 값을 구분하고 입력의 대칭성도 확인한다.

관련 문서

대칭행렬 / 고유값 / 촐레스키 분해 / 정규방정식 / 행렬 조건수 / 행렬 / 벡터 / 부동 소수점