[LA] Determinant (행렬식)

Matrix는 일종의 Linear transform을 의미함.

Linear transform을 의미하는 matrix 들 중에서,

Square Matrix에서 구해지는 Determinant는 

해당하는 Linear transform의 특성을 나타내는 scalar 임.

 

square matrix가 의미하는 linear transform은
차원이 증가할 수 없음을 기억할 것.

 

Determinant의 의미

Determinant가 의미하는 것은 크게 다음의 3가지임.

1. full-rank matrix 인지 여부
   • $\det (A)$이면 $A$의 column (or row) vector가 linearly dependent임을 의미.
   • 즉, $A$가 full-rank가 아닐 경우 determinant가 0임.
2. Scale (or Volumne) Change.
   • Determinant의 magnitude는 univectore들에 의한 n-dimentional unit volume이
   • Linear transform에 의해 얼마나 확대 또는 축소되는지를 나타냄.
   • 0이 될 경우, n-dimentional unit volume이 보다 작은 차원의 volume이 되는 것을 의미함. 
3. Invertible
   • 앞서 scale change에서 Determinant의 magnitude가 0인 경우 차원 축소가 발생함을 설명함.
   • 차원 축소가 발생할 경우, 해당 Linear transform은 not invertible을 의미함.
4. Orientation Change.
   • Determinant의 sign이 positive 인 경우 orientation이 해당하는 linear transform에 의해 변하지 않음.
   • 만약 negative인 경우, orientation이 바뀌게 됨.
     • 3차원을 예로 들면 right handed coordinate가 이 경우 left handed coordinate가 됨.
     • 이는 computer graphics에서 mirroring 등에서 이용됨
     • $A=\begin{bmatrix}-1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$ 가 x축의 부호를 반전시킴을 기억할 것.

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주요성질

Determinant에 관련된 주요 성질을 다음과 같음.

 

$A$와 $B$가 $m \times m$ matrix인 경우 다음이 성립.

1. $A$ 는 invertible (=역행렬을 가짐)이라는 것은 $A$의 determinant가 0이 아니라는 말과 동치임.
   • $\det (A) =0$ iif $A$ is singular.
2. $AB$의 determinant는 $A$와 $B$ 각각의 determinant를 곱한 것과 같음.
   • $\det (AB) = \det(A) \det(B)$ 
3. transpose 는 determinant 를 변화시키지 않음.
   • $\det (A^\top) = \det (A)$
4. $A$가 $n\times n$ Matrix인 경우, $kA$의 determinant는 $k^n \det (A)$임.
5. 삼각행렬에서의 determinant는 main diagonal의 entries의 곱과 같음.
6. Elementary Row Operation과 다음의 관계를 가짐.
   1. row replacement는 determinant에 변화를 주지 않음.
   2. row interchange는 determinant의 sign을 바꿈.
   3. row scaling은 같은 scale factor로 determinant를 바꿈. 

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계산법

작은 크기의 square matrix에서는 Laplace Expansion을 사용하나,
큰 크기의 경우엔 Upper Triangular Matrix로 변환 후 main diagonal의 entries를 곱해서 구함. 

 

다음은 Laplace Expansion임 (재귀적인 계산임.)

$$\det (A) =\sum^n_{j=1} (-1)^{i+j} a_{ij} \det (M_{ij})$$

where,

• $a_{ij}$: Matrix $A$의 $i$th row, $j$th column 의 element.
• $M_{ij}$: $A$에서 $i$th row 와 $j$th column을 제거한 Minor Matrix.

2x2, 3x3 행렬에서 행렬식을 구하는데 자주 사용되는 방법.

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활용: Design Matrix $X$에서의 Determinant

Liner Regression Model $\mathbf{y}=X\boldsymbol{\beta} +\boldsymbol{\epsilon}$ 에서 OLS 나 Optimization으로 모델의 파라미터 $\boldsymbol{\beta}$를 구하는 경우, $X^\top X$의 determinant를 통해 다음을 확인할 수 있음.

• $\det(X^\top X)\ne 0$: Normal Equation $\hat{\boldsymbol{\beta}} = (X^\top X)^{-1}X^\top \mathbf{y}$가 unique solution을 가짐.
• $\det(X^\top X) =0$: solution이 무수히 많거나 존재하지 않음.
• $\det(X^\top X)$가 매우 작을 경우: ill-conditioned로 $X$에서 entry들의 작은 변화가 solution에 매우 큰 변화를 일으키어 over-fitting를 초래하거나 신뢰하기 어려운 solution을 구하기 쉬움. Determinant가 클수록 일관된 추정값을 얻을 수 있음.

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