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AI 2026.04.28 · 12 min read Advanced

Kernel은 왜 Positive Definite여야 하는가

PD kernel의 정의부터 Mercer 분해, characteristic·universal 성질까지 — '함수를 내적으로 표현할 수 있다'는 보장이 SVM, GP, MMD 전체를 어떻게 떠받치는지 추적한다.


Kernel method의 모든 것은 한 가지 가정 위에 세워진다: “kk가 positive definite(PD)이다.” 이 조건이 단순한 기술적 요건처럼 보이지만, 실제로는 feature map의 존재, SVM dual QP의 볼록성, GP covariance의 Cholesky 분해 가능성을 모두 한꺼번에 보장한다. 그렇다면 왜 하필 이중합 ∑i,jαiαjk(xi,xj)≥0\sum_{i,j} \alpha_i \alpha_j k(x_i, x_j) \geq 0이라는 조건이 그 모든 것의 열쇠가 되는가?

PD kernel의 정의 — 왜 이중합인가

집합 X\mathcal{X} 위의 함수 k:X×X→Rk : \mathcal{X} \times \mathcal{X} \to \mathbb{R}가 positive semi-definite kernel이 되려면 두 가지를 만족해야 한다: 대칭성 k(x,y)=k(y,x)k(x, y) = k(y, x), 그리고 임의의 유한 부분집합 {x1,…,xn}\{x_1, \ldots, x_n\}과 스칼라 {αi}\{\alpha_i\}에 대해

∑i=1n∑j=1nαiαjk(xi,xj)≥0.\sum_{i=1}^n \sum_{j=1}^n \alpha_i \alpha_j k(x_i, x_j) \geq 0.

이 조건이 나오는 이유는 간단하다. 만약 k(x,y)=⟨ϕ(x),ϕ(y)⟩Hk(x, y) = \langle \phi(x), \phi(y) \rangle_\mathcal{H}로 표현된다면, 이중합은 곧 ∥∑iαiϕ(xi)∥H2\left\| \sum_i \alpha_i \phi(x_i) \right\|_\mathcal{H}^2이고, norm 제곱은 항상 음이 아니다. 역으로 이 성질이 성립하면 feature map을 거꾸로 구성할 수 있다는 것이 Moore-Aronszajn 정리의 내용이다.

그람 행렬 관점에서 보면 더 간결하다. nn개 점의 그람 행렬 Kij:=k(xi,xj)K_{ij} := k(x_i, x_j)를 정의하면 이중합은 이차형식 α⊤Kα\alpha^\top K \alpha이다. 따라서:

k is PD  ⟺  K⪰0 (모든 유한 샘플에서).k \text{ is PD} \iff K \succeq 0 \text{ (모든 유한 샘플에서)}.

명제 1 · Gram 양정치성과 PD kernel의 동치

대칭 함수 k:X×X→Rk : \mathcal{X} \times \mathcal{X} \to \mathbb{R}에 대해 다음은 동치이다: (1) kk는 PD kernel이다. (2) 임의의 유한 부분집합에 대한 그람 행렬 KK는 K⪰0K \succeq 0이다.

▷ 증명

(1)⇒(2)(1) \Rightarrow (2): 임의의 α∈Rn\alpha \in \mathbb{R}^n에 대해 α⊤Kα=∑i,jαiαjk(xi,xj)≥0\alpha^\top K \alpha = \sum_{i,j} \alpha_i \alpha_j k(x_i, x_j) \geq 0. 대칭성에 의해 K=K⊤K = K^\top이므로 K⪰0K \succeq 0.

(2)⇒(1)(2) \Rightarrow (1): α⊤Kα≥0\alpha^\top K \alpha \geq 0이 곧 PD 정의의 조건이다. □\square

∎

PD의 따름정리로 Cauchy-Schwarz 부등식 k(x,y)2≤k(x,x)⋅k(y,y)k(x, y)^2 \leq k(x, x) \cdot k(y, y)가 자동으로 성립한다. n=2n = 2인 2×22 \times 2 그람의 행렬식이 ≥0\geq 0이어야 하기 때문이다.

대표 kernel의 PD 증명 전략

실무에서 자주 쓰이는 kernel들이 실제로 PD인지는 세 가지 전략으로 증명한다.

전략 1 — Feature map 제시. k(x,y)=⟨ϕ(x),ϕ(y)⟩k(x, y) = \langle \phi(x), \phi(y) \rangle를 만족하는 ϕ\phi를 직접 보이는 방법이다. Linear kernel k(x,y)=x⊤yk(x, y) = x^\top y는 ϕ=id\phi = \text{id}로 즉각. Polynomial kernel (x⊤y+c)d(x^\top y + c)^d는 이항전개로 각 항 (x⊤y)j=⟨x⊗j,y⊗j⟩(x^\top y)^j = \langle x^{\otimes j}, y^{\otimes j} \rangle를 확인하면 된다.

전략 2 — PD-보존 연산. 이미 PD인 kernel에 합·곱·지수함수를 적용해도 PD가 유지된다. 곱의 경우 핵심은 Schur product theorem: 두 PSD 행렬 A,BA, B의 원소별 곱 A⊙BA \odot B도 PSD다. 이로부터 k1⋅k2k_1 \cdot k_2가 PD이고, ek=∑jkj/j!e^k = \sum_{j} k^j / j!도 PD임이 따라온다. Gaussian RBF의 PD 증명이 바로 이 경로다:

exp⁡ ⁣(−∥x−y∥22σ2)=e−∥x∥2/2σ2⋅exp⁡ ⁣(x⊤yσ2)⋅e−∥y∥2/2σ2.\exp\!\left(-\frac{\|x-y\|^2}{2\sigma^2}\right) = e^{-\|x\|^2/2\sigma^2} \cdot \exp\!\left(\frac{x^\top y}{\sigma^2}\right) \cdot e^{-\|y\|^2/2\sigma^2}.

가운데 exp⁡(x⊤y/σ2)\exp(x^\top y / \sigma^2)는 Taylor 전개 후 양계수 무한합, 나머지는 scalar conjugate 변환이다. 세 단계 모두 PD를 보존한다.

전략 3 — Bochner 정리. Shift-invariant kernel k(x−y)k(x-y)는 어떤 유한 음이 아닌 측도의 Fourier 변환일 때 정확히 PD다. Laplace kernel과 Matérn kernel은 각각 Cauchy-류, Whittle-류 spectral density를 가지며 이로써 PD가 따라온다.

⚠ Sigmoid kernel은 일반적으로 PD가 아니다

ksig(x,y)=tanh⁡(ax⊤y+c)k_{\text{sig}}(x, y) = \tanh(a x^\top y + c)는 (a,c)(a, c)의 일부 범위에서만 PD에 가깝다. 특정 c>0c > 0 설정에서는 그람 행렬의 최소 고유값이 음수가 되어 PD 조건을 위반한다. SVM에서 sigmoid kernel을 사용할 때 solver가 non-convex 문제에 빠지는 이유가 여기 있다.

Mercer 정리 — 무한차원 feature의 기원

“Gaussian RBF의 feature가 무한차원이다”라는 ML의 문구는 어디서 오는가? 답은 Mercer 정리에 있다.

컴팩트 측도공간 (X,μ)(\mathcal{X}, \mu) 위의 연속 PD kernel로부터 integral operator

(Tkf)(x):=∫Xk(x,y)f(y) dμ(y)(T_k f)(x) := \int_\mathcal{X} k(x, y) f(y) \, d\mu(y)

를 정의하면, TkT_k는 compact·self-adjoint·positive 작용소가 된다. 스펙트럴 정리에 의해 음이 아닌 고유값 λ1≥λ2≥⋯≥0\lambda_1 \geq \lambda_2 \geq \cdots \geq 0과 L2L^2에서 직교정규인 고유함수 {ϕn}\{\phi_n\}이 존재하고, kernel 자체가 이로부터 재조립된다:

k(x,y)=∑n=1∞λnϕn(x)ϕn(y)(일양 수렴).k(x, y) = \sum_{n=1}^\infty \lambda_n \phi_n(x) \phi_n(y) \quad \text{(일양 수렴)}.

이를 ϕ(x):=(λnϕn(x))n≥1∈ℓ2\phi(x) := (\sqrt{\lambda_n} \phi_n(x))_{n \geq 1} \in \ell^2로 읽으면 k(x,y)=⟨ϕ(x),ϕ(y)⟩ℓ2k(x, y) = \langle \phi(x), \phi(y) \rangle_{\ell^2}이다. Gaussian RBF의 경우 고유값이 지수적으로 감쇠하므로 무한히 많은 Hermite 함수 모드가 필요하다 — 이것이 “implicit 무한차원 feature”의 정확한 의미다.

일양 수렴 보장이 중요한 이유가 있다. 유한 부분합 kN(x,y)=∑n=1Nλnϕn(x)ϕn(y)k_N(x, y) = \sum_{n=1}^N \lambda_n \phi_n(x) \phi_n(y)가 실제 kk를 균일하게 근사한다는 것이 Random Features 근사와 Nyström 방법의 이론적 근거이기 때문이다.

Characteristic과 Universal — 두 가지 강함의 척도

PD kernel 중에서도 두 가지 중요한 성질이 추가로 구분된다.

Characteristic kernel은 mean embedding μp:=EX∼p[k(⋅,X)]∈Hk\mu_p := \mathbb{E}_{X \sim p}[k(\cdot, X)] \in \mathcal{H}_k이 분포 pp를 단사적으로 표현할 때 성립한다: μp=μq⇒p=q\mu_p = \mu_q \Rightarrow p = q. 이 성질이 없으면 Maximum Mean Discrepancy가 의미를 잃는다. 서로 다른 두 분포인데도 MMD(p,q)=0\text{MMD}(p, q) = 0으로 오판하는 상황이 생긴다.

Universal kernel은 RKHS Hk\mathcal{H}_k가 컴팩트 X\mathcal{X} 위의 연속 함수 공간 C(X)C(\mathcal{X})에서 sup⁡\sup-노름으로 dense할 때 성립한다. 이는 “임의의 연속 함수를 원하는 정밀도로 근사할 수 있다”와 같으며, SVM의 consistency가 이에 기댄다.

두 성질의 관계는 비대칭적이다.

정리 2 · Universal은 Characteristic을 함의한다

컴팩트 X\mathcal{X}에서 universal kernel은 characteristic이다. 역은 일반적으로 성립하지 않는다.

Gaussian RBF와 Laplace, Matérn-ν\nu는 둘 다 만족한다. 이유는 공통적이다: 이 kernel들의 spectral density가 Rd\mathbb{R}^d 전체에서 양수이기 때문이다. Shift-invariant kernel에서 characteristic 성질은 정확히 “spectral measure의 support가 Rd\mathbb{R}^d 전체”와 동치다.

반면 Polynomial kernel (x⊤y+c)d(x^\top y + c)^d는 둘 다 아니다. RKHS가 차수 ≤d\leq d 다항식의 유한 차원 공간이므로 universal이 불가능하고, mean embedding이 분포의 dd차 모멘트까지만 포착하므로 같은 모멘트를 가진 서로 다른 분포를 구분하지 못한다.

정리

PD 조건은 단순한 수학적 형식이 아니다. 그 안에는 “feature map이 존재한다”는 기하적 보장, SVM dual의 볼록성, GP posterior의 수치 안정성이 전부 담겨 있다. kernel을 쓴다는 말은 곧 “내가 선택한 함수가 PD임을 알고 있다”는 뜻이다.

  • PD kernel   ⟺  \iff 모든 유한 샘플에서 그람 행렬 K⪰0K \succeq 0   ⟺  \iff k(x,y)=⟨ϕ(x),ϕ(y)⟩Hk(x,y) = \langle \phi(x), \phi(y) \rangle_\mathcal{H}인 feature map 존재.
  • 합·곱·지수·composition 연