[Math] Vector (1)

Scalar

• 오직 magnitude(크기)만을 가지는 물리량.
• 숫자 하나.
• ndim=0, rank=0

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Vector

• magnitude와 direction을 가지는 물리량.
• ordered list of numbers 가 가장 쉬운(?) 정의임.
• 엄밀한 정의는 Vector Space의 Element가 바로 Vector임.
• ndim=1, rank=1로 vector가 표현됨. : vector는 다차원 vector space의 특정 point를 가르키는데 사용됨.

2022.04.05 - [.../Math] - [Math] Definition of Vector Space

[Math] Definition of Vector Space

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Zero Vector

• 모든 component(성분 or element)의 값이 0인 vector

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차원 (Dimension)

• Vector의 component (or element)의 수.
• $\langle 1,2,3 \rangle$는 3차원 vector space에 속하는 요소를 나타냄.

Vector는 1차원이지만, 이를 통해 다차원 공간의 특정 element를 표현할 수 있음. 위의 $\langle 1,2,3 \rangle$은 3차원 Vector Space 의 한 element이므로 3차원 벡터이나 벡터 자체는 1차원 데이터임. 즉 1차원 데이터인 벡터는 다차원 공간의 한 element를 가리키는 데 사용가능.

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전치 (Transpose)

• row와 column이 교환됨. row vector의 transpose는 column vector.
• $\vec{x}^\top = \textbf{x}^\top = \begin{bmatrix}x_1 \\ x_2 \\ x_3\end{bmatrix}^\top = \begin{bmatrix} x_1 & x_2 & x_3 \end{bmatrix}$

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Norm (노름)

• vector의 length 혹은 magnitude로 불림.
• 3차원 공간에서 Euclidean Norm은 다음과 같이 정의됨.
  $$| \vec{a} | =\| \vec{a} \|_2 = (a^2_1+a^2_2+a^2_3)^{\dfrac{1}{2}}$$
• 일반적인 norm의 정의는 다음을 만족하는 것을 가르킴.
  1. ${ \| \vec{a} \| }_{P} \ge 0$, $ \vec{a} = \vec{0}$ 일 경우, ${ \| \vec{a} \| }_{P}=0$
  2. ${ \| C \vec{a} \| }_P = | C | { \| \vec{a} \| }_{P}$. 여기서 $C$는 상수. (양의 동차성)
  3. ${ \| \vec { a } +\vec { b } \| }_{ P }\le { \| \vec { a } \| }_{ P }+{ \| \vec { b } \| }_{ P }$
• Euclidean norm의 경우 $P=2$인 경우임.
  • $\|\vec{a}\|_2 = \sqrt{\vec{a}\cdot \vec{a}} = \sqrt{\vec{a}^\top\vec{a}}$

https://bme808.blogspot.com/2022/10/norm.html

Norm (노름)

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Position Vector (위치벡터, $\vec{r}$)

• 평면 $\mathbb{R}^2$에서 점 $P(a_1,a_2)$에서 점 $Q(b_1,b_2)$ 방향의 vector는 다음 그림과 같음.
• 여기서 $P$는 initial point(시작점,시점)이고, $Q$는 terminal point(종점)이라 함.
• position vector는 일반적으로 initial point가 원점인 경우로서, 이 경우 terminal point $Q$의 position vector라고 불림.

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Vector의 합, 차, 상수배

• 다음의 두 vector가 있다고 하자.
  $$\begin{aligned} \vec { a } &=\langle a_1 ,a_2,a_3\rangle  \\
  \vec { b } &= \langle b_1 ,b_2,b_3\rangle \\
  \end{aligned}$$
• 합과 차, 상수배
  $$\begin{aligned} \vec{a} + \vec{b} &= \langle a_1 + b_1 , a_2 + b_2 , a_3 + b_3 \rangle \\
  \vec{a} - \vec{b} &= \langle a_1 - b_1 , a_2 - b_2 , a_3 - b_3 \rangle \\
  c\vec{a} &= \langle ca_1, ca_2, ca_3 \rangle, c \text{ is constant.} \end{aligned}$$

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Unit Vector

• $\left| \vec { a } \right| =1$인 $\vec{a}$ (or $\textbf{a}$)를 unit vector라고 함.

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Normalization

• 방향은 유지하되 norm인 1인 unit vector로 만드는 것
  $$
  \begin{aligned}
  \frac{1}{\left| \vec { a } \right| }\vec { a } \end{aligned}$$

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dot product (or inner product or scalar product)

• 내적 이라고 불리는 연산으로 다음과 같이 정의되며, 결과가 scalar 임.
  $$\begin{aligned}
  \vec { a } \cdot \vec { b } &=|| \vec { a } || || \vec { b } | | \cos { \theta } \\ \quad & = { a }_{ 1 }{ b }_{ 1 }+{ a }_{ 2 }{ b }_{ 2 }{ +a }_{ 3 }{ b }_{ 3 } \end{aligned}$$
• Column Vector 에서는 다음으로 정의됨: $\textbf{a}^\top \textbf{b}$
• 두 vector 사이의 angle(각)을 구하는데 많이 이용됨.
• 또는 두 vector 사이의 similarity를 구하는데 많이 이용됨 : 2023.07.23 - [.../Math] - [ML] Cosine Similarity

dot 곱은 엄밀히 애기하면, inner product의 한 종류이나 ML등에서는 같은 것으로 봐도 큰 문제 없음.

 

https://youtu.be/zSd7jd2HGhM?si=_N19F3HeciGtHmrZ

 

Inner product는 Projection과 매우 관계가 깊음.

2022.05.19 - [.../Math] - [Math] Orthogonal Projection (정사영)

[Math] Orthogonal Projection (정사영)

 

보다 자세한 건 다음을 참고:

2024.10.28 - [.../Math] - [Math] Inner Product (or Hermitian Inner Product, 내적)

[Math] Inner Product (or Hermitian Inner Product, 내적)

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Outer Product

Column Vector로 이 연산을 표현하면 다음과 같음.

$$\textbf{a}\textbf{b}^\top=C$$

• $\textbf{a}, \textbf{b}$는 Column Vector.
• $C$ 는 matrix 임.

즉, Outer Product는 벡터들을 통해 Matrix가 얻어짐.

 

아래의 Cross Product를 국내에선 외적이라고 많이 부르는데,
Outer Product는 Cross Product와 전혀 다른 연산임.
주의할것.

 

Outper Product 를 이용하여 Projection Matrix를 만들기도 함.

Vector $\mathbf{x}$를 Unit Vector $\mathbf{u}$에 Projection을 수행을
다음과 같은 Matrix-Vector Mulitplication으로 표현:

$$\text{Project}_{\mathbf{u}} \mathbf{x} = \dfrac{ \mathbf{u}\mathbf{u}^\top}{\|u\|^2} \mathbf{x} = \mathbf{u}\mathbf{u}^\top \mathbf{x}$$

2022.05.19 - [.../Math] - [Math] Orthogonal Projection (정사영)

[Math] Orthogonal Projection (정사영)

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Cross Product (Vector Product)

• 외적 이라고 많이 기재(일본식 용어)되는데...
  이는 구분되는 다른 연산인 outer product로 오해하는 문제가 발생하기 때문에 권하지 않음.
• 주로 3차원 vector에서만 사용되며, operands에 해당하는 vector 들에 직교하는 vector를 결과로 냄.
  • 물리 등에서 회전, 방향 등에 관련된 문제에서 많이 사용됨.
  • Linear Algebra 의 Outer Product는 결과가 Matrix로 나오며,
    다차원  Vector를 Operand로 삼는 Cross Product와 구분되는 다른 연산임.
  • 기하학적으로는 두 벡터가 이루는 평행사변형의 넓이가 Cross Product의 크기임.
• Cross Product 연산으로 다음과 같이 정의되며, 결과가 Vector 임. $$\begin {aligned}
  \vec { a } \times \vec { b } &=\left( { \left| \vec { a } \right| }\left| \vec { b } \right| \sin { \theta } \right) \vec { n } \\
  \quad &= \begin{vmatrix} \vec {i} & \vec {j} & \vec {k} \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3\end{vmatrix} \\
  \quad &= \vec {i} \begin{vmatrix} a_2 & a_3 \\ b_2 & b_3 \end{vmatrix} + \vec {j} \begin{vmatrix} a_3 & a_1 \\ b_3 & b_1 \end{vmatrix} + \vec {k} \begin{vmatrix} a_1 & a_2 \\ b_1 & b_2 \end{vmatrix} \\
  \quad &= \vec{i}(a_2b_3-a_3b_2)+\vec{j}(a_3b_1-a_1b_3)+\vec{k}(a_1b_2-a_2b_1)
  \\ \end {aligned}$$
• Cross Product 연산을 Matrix Multiplication로 표현하기도 함: Machine Vision 에서 많이 애용됨.
  • 자세한 건 다음 url 참고: 2024.06.28 - [.../Linear Algebra] - [LA] Matrix Multiplication for Cross Product
• 여기서 $\vec{n}$ 은 unit normal vector이며 right hand law에 따른 방향을 가지며 $\vec{a}$ 와 $\vec{b}$ 에 orthogonal(수직)임.

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Orthogonality

• $\vec{a}\ne \vec{0}$와 $\vec{b}\ne \vec{0}$가 성립하면서,
• $\vec{a}$와 $\vec{b}$의 inner product가 0일 경우,
• 이 두 vector가 orthogonal(직교)하다 라고 함.

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Cartesian Coordinate System(or Rectangular Coordinate System)에서 Vector표현.

• 벡터 $\mathbf{v}$를 다음과 같은 직교좌표계에서 나타낼 경우,
  $\textbf{i,j,k}$를 x축, y축, z축의 positive direction을 방향으로 하는
  orthonormal vectors 들의 표기로 삼고, 
  이들을 basis 로 이용하여 표현.
  $$
  \vec{v}=a\vec{i}+b\vec{j}+c\vec{k}
  $$

• Orthonormal Vector : 단위 벡터이며 서로에 대해 orthogonal이며 basis 로 사용됨.
• $\vec{i},\vec{j},\vec{k}$는 서로 orthogonal함.
• 최소한 linearly independent를 만족해야 basis로 사용가능.

2024.02.04 - [.../Math] - [Math] Cartesian Product (or Descartes Product, Product Set)

[Math] Cartesian Product (or Descartes Product, Product Set)

 

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Directional cosine (방향여현) & Directional angles

• $\vec{v}$ 의 directional angles $\alpha,\beta,\gamma$는 다음과 같이 정의됨.
  • $\alpha$ is the angle b/w $\vec{v}$ and the positive x-axis ($0 \le \alpha \le \pi$)
  • $\beta$ is the angle b/w $\vec{v}$ and the positive y-axis ($0 \le \beta \le \pi$)
  • $\gamma$ is the angle b/w $\vec{v}$ and the positive z-axis ($0 \le \gamma \le \pi$)
• $\vec{v}$의 directional cosines $\lambda, \mu, \nu$는 다음과 같이 정의됨.
  • $\lambda = \cos{\alpha} = \frac{a}{\left|\vec{v}\right|}$
  • $\mu = \cos{\beta} = \frac{b}{\left|\vec{v}\right|}$
  • $\nu = \cos{\gamma} = \frac{c}{\left|\vec{v}\right|}$

다음이 성립함.
$$\begin{aligned}\left\|\vec {v}\right\|_2 = A = |\vec {v}| &= \sqrt{a^2+b^2+c^2}\\&=A\sqrt{\lambda^2+\mu^2+\nu^2} \\ \therefore \sqrt{\lambda^2+\mu^2+\nu^2} &= 1\\ \end{aligned}$$

 

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같이보면 좋은 자료들

2022.03.28 - [.../Math] - [Math] Vector (2) : Vector Function

[Math] Vector (2) : Vector Function

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2025.01.21 - [.../Linear Algebra] - [Summary] Linear Algebra (작성중)

[Summary] Linear Algebra (작성중)

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