선형대수학 에서 아다마르 곱 (영어 : Hadamard product )은 같은 크기의 두 행렬 의 각 성분을 곱하는 연산이다. 즉, 일반 행렬곱은
m
× × -->
n
{\displaystyle m\times n}
과
n
× × -->
p
{\displaystyle n\times p}
의 꼴의 두 행렬을 곱하지만, 아다마르 곱은
m
× × -->
n
{\displaystyle m\times n}
과
m
× × -->
n
{\displaystyle m\times n}
의 꼴의 두 행렬을 곱한다. 덧셈에 대하여 분배 법칙 을 따른다. 기호는
◯ ◯ -->
{\displaystyle \bigcirc }
.
정의
환
R
{\displaystyle R}
의 성분을 갖는, 같은 크기
m
× × -->
n
{\displaystyle m\times n}
의 두 행렬
M
,
N
∈ ∈ -->
Mat
-->
(
m
,
n
;
R
)
{\displaystyle M,N\in \operatorname {Mat} (m,n;R)}
M
=
(
M
11
M
12
⋯ ⋯ -->
M
1
n
M
21
M
22
M
2
n
⋮ ⋮ -->
⋱ ⋱ -->
⋮ ⋮ -->
M
m
1
M
m
2
⋯ ⋯ -->
M
m
n
)
{\displaystyle M={\begin{pmatrix}M_{11}&M_{12}&\dotsm &M_{1n}\\M_{21}&M_{22}&&M_{2n}\\\vdots &&\ddots &\vdots \\M_{m1}&M_{m2}&\dotsm &M_{mn}\end{pmatrix}}}
N
=
(
N
11
N
12
⋯ ⋯ -->
N
1
n
N
21
N
22
N
2
n
⋮ ⋮ -->
⋱ ⋱ -->
⋮ ⋮ -->
N
m
1
N
m
2
⋯ ⋯ -->
N
m
n
)
{\displaystyle N={\begin{pmatrix}N_{11}&N_{12}&\dotsb &N_{1n}\\N_{21}&N_{22}&&N_{2n}\\\vdots &&\ddots &\vdots \\N_{m1}&N_{m2}&\dotsm &N_{mn}\end{pmatrix}}}
이 주어졌다고 하자. 그렇다면,
M
{\displaystyle M}
과
N
{\displaystyle N}
의 아다마르 곱 은 다음과 같다.
M
◯ ◯ -->
N
=
(
M
11
N
11
M
12
N
12
⋯ ⋯ -->
M
1
n
N
1
n
M
21
N
21
M
22
N
22
M
2
n
N
2
n
⋮ ⋮ -->
⋱ ⋱ -->
⋮ ⋮ -->
M
m
1
N
m
1
M
m
2
N
m
2
⋯ ⋯ -->
M
m
n
N
m
n
)
∈ ∈ -->
Mat
-->
(
m
,
n
;
R
)
{\displaystyle M\bigcirc N={\begin{pmatrix}M_{11}N_{11}&M_{12}N_{12}&\dotsm &M_{1n}N_{1n}\\M_{21}N_{21}&M_{22}N_{22}&&M_{2n}N_{2n}\\\vdots &&\ddots &\vdots \\M_{m1}N_{m1}&M_{m2}N_{m2}&\dotsm &M_{mn}N_{mn}\end{pmatrix}}\in \operatorname {Mat} (m,n;R)}
성질
환
R
{\displaystyle R}
가 주어졌다고 하자.
아다마르 곱은 결합 법칙 과 덧셈에 대한 분배 법칙 을 따른다. 즉, 임의의
M
,
N
,
P
∈ ∈ -->
Mat
-->
(
m
,
n
;
R
)
{\displaystyle M,N,P\in \operatorname {Mat} (m,n;R)}
에 대하여, 다음이 성립한다.
(
M
◯ ◯ -->
N
)
◯ ◯ -->
P
=
M
◯ ◯ -->
(
N
◯ ◯ -->
P
)
{\displaystyle (M\bigcirc N)\bigcirc P=M\bigcirc (N\bigcirc P)}
M
◯ ◯ -->
(
N
+
P
)
=
M
◯ ◯ -->
N
+
M
◯ ◯ -->
P
{\displaystyle M\bigcirc (N+P)=M\bigcirc N+M\bigcirc P}
(
N
+
P
)
◯ ◯ -->
M
=
N
◯ ◯ -->
M
+
P
◯ ◯ -->
M
{\displaystyle (N+P)\bigcirc M=N\bigcirc M+P\bigcirc M}
아다마르 곱의 항등원은 모든 성분이 1인 행렬
J
m
× × -->
n
=
(
1
1
⋯ ⋯ -->
1
1
1
1
⋮ ⋮ -->
⋱ ⋱ -->
⋮ ⋮ -->
1
1
⋯ ⋯ -->
1
)
{\displaystyle {\mathsf {J}}_{m\times n}={\begin{pmatrix}1&1&\dotsm &1\\1&1&&1\\\vdots &&\ddots &\vdots \\1&1&\dotsm &1\end{pmatrix}}}
이다. 이에 따라,
(
Mat
-->
(
m
,
n
;
R
)
,
◯ ◯ -->
,
J
)
{\displaystyle (\operatorname {Mat} (m,n;R),\bigcirc ,{\mathsf {J}})}
는 환 을 이루며, 이는 환의 직접곱
R
m
n
{\displaystyle R^{mn}}
과 동형이다.
만약
R
{\displaystyle R}
가 가환환 이라면, 아다마르 곱은 교환 법칙 을 따른다. 즉, 임의의
M
,
N
∈ ∈ -->
Mat
-->
(
m
,
n
;
R
)
{\displaystyle M,N\in \operatorname {Mat} (m,n;R)}
에 대하여, 만약
R
{\displaystyle R}
가 가환환 일 경우 다음이 성립한다.
M
◯ ◯ -->
N
=
N
◯ ◯ -->
M
{\displaystyle M\bigcirc N=N\bigcirc M}
만약
M
∈ ∈ -->
Mat
-->
(
m
,
n
;
R
)
{\displaystyle M\in \operatorname {Mat} (m,n;R)}
의 모든 성분이 가역원 이라면,
M
{\displaystyle M}
에 대한 아다마르 곱은 다음과 같은 역원을 갖는다.
M
◯ ◯ -->
− − -->
1
=
(
M
11
− − -->
1
M
12
− − -->
1
⋯ ⋯ -->
M
1
n
− − -->
1
M
21
− − -->
1
M
22
− − -->
1
M
2
n
− − -->
1
⋮ ⋮ -->
⋱ ⋱ -->
⋮ ⋮ -->
M
m
1
− − -->
1
M
m
2
− − -->
1
⋯ ⋯ -->
M
m
n
− − -->
1
)
{\displaystyle M^{\bigcirc -1}={\begin{pmatrix}M_{11}^{-1}&M_{12}^{-1}&\dotsm &M_{1n}^{-1}\\M_{21}^{-1}&M_{22}^{-1}&&M_{2n}^{-1}\\\vdots &&\ddots &\vdots \\M_{m1}^{-1}&M_{m2}^{-1}&\dotsm &M_{mn}^{-1}\end{pmatrix}}}
두 대칭 행렬 의 아다마르 곱은 대칭 행렬이다. 두 복소수 에르미트 행렬 의 아다마르 곱은 에르미트 행렬 이다.
슈어-오펜하임 부등식
임의의 두 양의 준정부호 에르미트 행렬
M
,
N
∈ ∈ -->
Mat
-->
(
n
,
n
;
C
)
{\displaystyle M,N\in \operatorname {Mat} (n,n;\mathbb {C} )}
M
=
M
∗ ∗ -->
{\displaystyle M=M^{*}}
N
=
N
∗ ∗ -->
{\displaystyle N=N^{*}}
v
∗ ∗ -->
M
v
≥ ≥ -->
0
∀ ∀ -->
v
∈ ∈ -->
C
n
{\displaystyle v^{*}Mv\geq 0\forall v\in \mathbb {C} ^{n}}
v
∗ ∗ -->
N
v
≥ ≥ -->
0
∀ ∀ -->
v
∈ ∈ -->
C
n
{\displaystyle v^{*}Nv\geq 0\forall v\in \mathbb {C} ^{n}}
이 주어졌다고 하자. 그렇다면, 슈어-오펜하임 부등식 (Schur-Oppenheim不等式, 영어 : Schur–Oppenheim inequality )에 따르면, 다음이 성립한다.
M
◯ ◯ -->
N
{\displaystyle M\bigcirc N}
은 역시 양의 준정부호 에르미트 행렬 이다.
det
(
M
◯ ◯ -->
N
)
≥ ≥ -->
(
∏ ∏ -->
i
=
1
n
∏ ∏ -->
j
=
1
n
M
i
j
)
det
N
≥ ≥ -->
det
(
M
N
)
{\displaystyle \det(M\bigcirc N)\geq \left(\prod _{i=1}^{n}\prod _{j=1}^{n}M_{ij}\right)\det N\geq \det(MN)}
역사
“아다마르 곱”이라는 용어는 자크 아다마르 의 이름을 딴 것이다.
슈어-오펜하임 부등식의 경우, 이사이 슈어 가 1911년에
det
(
M
◯ ◯ -->
N
)
≥ ≥ -->
det
(
M
N
)
{\displaystyle \det(M\bigcirc N)\geq \det(MN)}
을 증명하였으며,[ 1] :14, Satz Ⅶ 알렉산더 오펜하임(영어 : Alexander Oppenheim , 1903~1997)이 1930년에 이를 개량하였다.[ 2]
같이 보기
각주
외부 링크