[문항 1] 다음 제시문을 근거로 하여 아래 논제에 답하시오.
M ( R ) = { ( a 1 a 2 a 3 a 4 ) ∣ a 1 , a 2 , a 3 , a 4 \displaystyle M(\mathbb R)=\Biggl\{\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix}\;\Biggm|\;a_1,a_2,a_3,a_4 M ( R ) = { ( a 1 a 3 a 2 a 4 ) a 1 , a 2 , a 3 , a 4 는 실수} \displaystyle \Biggr\} } 이다. 즉, M ( R ) \displaystyle M(\mathbb R) M ( R ) 은 실수를 성분으로 갖는 2 × 2 \displaystyle 2\times2 2 × 2 행렬 전체의 집합이다. 특히, O = ( 0 0 0 0 ) \displaystyle O=\begin{pmatrix}0&0\\0&0\end{pmatrix} O = ( 0 0 0 0 ) 을 영행렬이라고 한다.
(가) 행렬 A = ( a 1 a 2 a 3 a 4 ) \displaystyle A=\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix} A = ( a 1 a 3 a 2 a 4 ) 와 B = ( b 1 b 2 b 3 b 4 ) \displaystyle B=\begin{pmatrix}b_1&b_2\\b_3&b_4\end{pmatrix} B = ( b 1 b 3 b 2 b 4 ) 의 곱은 A B = ( a 1 a 2 a 3 a 4 ) ( b 1 b 2 b 3 b 4 ) = ( a 1 b 1 + a 2 b 3 a 1 b 2 + a 2 b 4 a 3 b 1 + a 4 b 3 a 3 b 2 + a 4 b 4 ) \displaystyle AB=\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix}\begin{pmatrix}b_1&b_2\\b_3&b_4\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}a_1b_1+a_2b_3&a_1b_2+a_2b_4\\a_3b_1+a_4b_3&a_3b_2+a_4b_4\end{pmatrix} A B = ( a 1 a 3 a 2 a 4 ) ( b 1 b 3 b 2 b 4 ) = ( a 1 b 1 + a 2 b 3 a 3 b 1 + a 4 b 3 a 1 b 2 + a 2 b 4 a 3 b 2 + a 4 b 4 ) 로 정의한다.
(나) 행렬 A = ( a 1 a 2 a 3 a 4 ) \displaystyle A=\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix} A = ( a 1 a 3 a 2 a 4 ) 의 전치행렬은 A t = ( a 1 a 3 a 2 a 4 ) \displaystyle A^t=\begin{pmatrix}a_1&a_3\\a_2&a_4\end{pmatrix} A t = ( a 1 a 2 a 3 a 4 ) 로 정의한다.
(다) 행렬 A = ( a 1 a 2 a 3 a 4 ) \displaystyle A=\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix} A = ( a 1 a 3 a 2 a 4 ) 의 대각합은 tr ( A ) = a 1 + a 4 \displaystyle \operatorname{tr}(A)=a_1+a_4 tr ( A ) = a 1 + a 4 로 정의한다.
(라) 두 행렬 A \displaystyle A A 와 B \displaystyle B B 의 행렬내적은 ⟨ A , B ⟩ = tr ( A B t ) \displaystyle \langle A,B\rangle=\operatorname{tr}(AB^t) ⟨ A , B ⟩ = tr ( A B t ) 로 정의한다.
(마) 행렬 A ∈ M ( R ) \displaystyle A\in M(\mathbb R) A ∈ M ( R ) 의 크기는 ∥ A ∥ = ( ⟨ A , A ⟩ ) 1 2 \displaystyle \|A\|=(\langle A,A\rangle)^{\frac12} ∥ A ∥ = (⟨ A , A ⟩ ) 2 1 로 정의한다.
(바) M ( R ) \displaystyle M(\mathbb R) M ( R ) 에 속하는 영행렬이 아닌 두 행렬 A \displaystyle A A 와 B \displaystyle B B 의 사잇각 θ \displaystyle \theta θ (0 ≤ θ ≤ π \displaystyle 0\le\theta\le\pi 0 ≤ θ ≤ π )는 cos θ = ⟨ A , B ⟩ ∥ A ∥ ∥ B ∥ \displaystyle \cos\theta=\frac{\langle A,B\rangle}{\|A\|\|B\|} cos θ = ∥ A ∥∥ B ∥ ⟨ A , B ⟩ 이 되게 정의한다.
1-1. 행렬 A ∈ M ( R ) \displaystyle A\in M(\mathbb R) A ∈ M ( R ) 가 영행렬이 아니면 행렬내적 ⟨ A , A ⟩ \displaystyle \langle A,A\rangle ⟨ A , A ⟩ 는 양의 실수임을 보이시오.(10점)
1-2. 행렬 A = ( 1 1 1 1 ) \displaystyle A=\begin{pmatrix}1&1\\1&1\end{pmatrix} A = ( 1 1 1 1 ) 와 B = ( 0 − 1 − 1 0 ) \displaystyle B=\begin{pmatrix}0&-1\\-1&0\end{pmatrix} B = ( 0 − 1 − 1 0 ) 의 사잇각을 구하시오. (8점)
1-3. ∥ A ∥ = 2 \displaystyle \|A\|=2 ∥ A ∥ = 2 인 행렬 A = ( a 1 a 2 a 3 a 4 ) \displaystyle A=\begin{pmatrix}a_1&a_2\\a_3&a_4\end{pmatrix} A = ( a 1 a 3 a 2 a 4 ) 의 개수를 구하시오.(단, a 1 , a 2 , a 3 , a 4 \displaystyle a_1,a_2,a_3,a_4 a 1 , a 2 , a 3 , a 4 는 정수이다.)(7점)