Transkript
1 LİNEER CEBİR Ders Sorumlusu: Doç.Dr.Kemal HACIEFENDİOĞLU Ders Notu: Prof. Dr. Şaban EREN
2 1.BOLUM DOGRUSAL CEBIR VE DIFERANSIYEL DENKLEMLER LİNEER EŞİTLİKLER 1.1. LİNEER EŞİTLİKLERİN TANIMI x 1, x 2,..., x n 'in n değişkeni tanımladığını varsayalım. Eğer n değişkenden oluşan bir eşitlik, a 1x 1 + a 2x a nx n = b şeklinde ifade edilebiliyorsa bu eşitlik lineer (doğrusal) bir eşitlik olarak tanımlanmaktadır. Eşitlikte a 1, a 2,..., a n ve b sabitleri ifade etmektedir. Bir lineer eşitlikte, tüm değişkenler birinci dereceden olmalıdır. Değişkenler birbirinin çarpımı veya bölümü şeklinde ifade edilemezler. Eğer bir eşitlik lineer (doğrusal) değilse, doğrusal olmayan eşitlik olarak adlandırılır. Bölümlerimizde bundan sonra lineer ve doğrusal ifadeleri aynı anlamda kullanılacaktır.
3 1.2. LİNEER EŞİTLİKLER SİSTEMİ Lineer eşitlikler sistemi kapsamında; Lineer Eşitlikler Sisteminin Tanımı Lineer Eşitlikler Sisteminin Çözümü konuları işlenecektir Lineer Eşitlikler Sisteminin Tanımı n değişkenli iki veya daha fazla lineer eşitlikten oluşan bir sonlu kümeye lineer eşitlikler sistemi denir. Lineer denklem (eşitlikler) sistemimizde x 1 = s 1, x 2 = s 2, x 3 = s 3,...,x n = s n konulduğunda bu değerler tüm eşitlikleri sağlıyorsa, s 1, s 2,..., s n'e sistemin bir çözümüdür denir. Örneğin, yandaki doğrusal sistemde olduğu gibi, x 1 = s 1, x 2 = s 2, x 3 = s 3 gibi değerler her iki eşitliği de sağlıyorsa, s 1, s 2, s 3 kümesi ele alınan lineer eşitlikler sisteminin bir çözümüdür. Bu örnek için x 1 = 1, x 2 = 2 ve x 3 = -1 her iki eşitlikte de yerine konduğunda eşitlikleri sağladığından bir çözüm kümesini oluştururlar. Bir veya birden fazla çözümü mevcut olan sisteme (doğrusal eşitlikler sistemi) consistent denir. Eğer sistemin bir çözümü mevcut değil ise sisteme inconsistent denir Lineer Eşitlikler Sisteminin Tanımı (Devam) Doğrusal eşitlikler sisteminin çözümünde ortaya çıkacak durumları daha iyi görebilmek için iki bilinmeyenli (x, y), a 1 x + b 1 y = c 1 (l 1 doğrusu) a 2 x + b 2 y = c 2 (l 2 doğrusu) iki doğrusal eşitlik sistemini göz önüne alalım. Burada a 1, a 2, b 1, b 2, c 1 ve c 2 sabitlerdir. Her iki eşitlikte de x ve y değişkenlerinin katsayıları birlikte sıfır değildir. Eşitliklerin her biri xy düzleminde bir doğru ile ifade edilmektedir.
4 Sistemin çözümü, her iki eşitliği de sağlayan bir değer çifti (x, y) olduğundan, çözüm iki doğrunun ortak bir noktasına karşı gelmektedir. İki bilinmeyenli iki doğrusal eşitlikten oluşan doğrusal sistemimizin çözümüne ilişkin üç durum ortaya çıkmaktadır. Biz sadece iki değişkenli iki doğrusal eşitlikten oluşan bir doğrusal eşitlikler sistemini göz önüne aldık.
5 Genelde m eşitlik ve n bilinmeyenden oluşan sistemler göz önüne alınacaktır. Bu sistemlerin ya sadece bir çözümü, ya sonsuz sayıda çözümü veya hiçbir çözümü mevcut olmayabilir. m doğrusal eşitlik ve n bilinmeyenden oluşan bir doğrusal eşitlikler sistemi (Lineer sistem) a 11 x 1 +a 12 x a 1n x n = b 1 a 21 x 1 +a 22 x a 2n x n = b 2 : : : : : : : : a m1 x+ +a m2 x a mn x n = b m şeklinde yazılabilir. Burada x 1, x 2,..., x n bilinmeyenleri, a'lar ve b'ler sabitleri belirtmektedir Lineer Eşitlikler Sisteminin Çözümü Bir lineer eşitlikler sisteminin çözümünün elde edilmesinde kullanılan temel yaklaşım verilen sistemin aynı çözüm kümesine sahip fakat çözülmesi daha kolay yeni bir sistem ile değiştirilmesidir. Yeni sistem genel olarak aşağıda belirtilen işlemlerin bilinmeyenleri sistematik bir şekilde elimine edecek şekilde uygulanmasıyla elde edilir. Önceki sayfada verilen genel lineer denklem sisteminde her bir eşitlik bir satır olarak ifade edilmektedir. Dolayısıyla yukarıda verilen işlemler, şeklinde ifade edilir. Bu işlemler elementer sıra işlemleri olarak bilinir. Bu işlemlerin temel mantığı daha az bilinmeyenli alt denklemler elde ederek ve bulunan değerleri adım adım yerine koyarak tüm bilinmeyenlerin bulunmasıdır. Takip eden ekrandaki örnek bu işlemlerin lineer denklem sistemlerinin çözümünde nasıl kullanılacağını gösterecektir Örnek 2
6 Daha önce ifade edildiği gibi elementer satır dönüşümleri yardımıyla verilen lineer denklem sistemi her aşamada çözümü daha kolay olan ve aynı çözüm kümesine sahip yeni bir denklem sistemine dönüştürülmüş olur. Örneğin 1., 2., 3. ve 4. aşamalardaki lineer denklem sistemleri aynı çözüm kümelerine sahip denk sistemlerdir.
7 1.3. MATRİSLER Matrisler kapsamında; Matris Tanımı İki Matrisin Eşitliği Matrisin Bir Sayı (Skalar) ile Çarpılması Matris Toplamının ve Skalar Çarpımının Özellikleri İki Matrisin Çarpımı Matris Çarpımının Özellikleri Özel Matrisler konuları işlenecektir Matris Tanımı m satır ve n sütundan oluşan soldaki tabloya matris adı verilir. Matristeki her bir sayıya eleman denir. Soldaki matriste m n tane eleman vardır. Matrisin yatay bir doğru boyunca sıralanan elemanlarına sıra elemanları, dikey bir doğru boyunca sıralanan elemanlarına sütun elemanları denir. Soldaki matris m sıra ve n sütundan oluşmaktadır. Matristeki bir elemanın yerini belirlemede iki indis kullanılır. Bunlardan biri elemanın hangi satırda, diğeri de hangi sütunda olduğunu belirtir. Örneğin a ij elemanı, elemanın i'inci sıra ve j'inci sütunda olduğunu belirtir. Benzer şekilde a 23 elemanı ikinci satır ve üçüncü sütundadır. Matris genelde [a ij] şeklinde ifade edilir. m satır ve n sütundan oluşan bir matrise m n matris denir. Eğer matrisin satır ve sütun sayıları birbirine eşit ise, örneğin m=n ise, matrise kare matris adı verilir. Örneğin matrisinde satır ve sütun sayıları m = n = 3 olduğundan bu bir kare matrisidir. a 11 = 1, a 22 = 4, a 33 = -3 elemanlarına matrisin asal köşegeni denir. Satır matris: Bir satırdan oluşan matrise satır matris denir. Örneğin A = [1, 7, -2, 3] satır matristir. Bir satır ve dört sütundan oluşmuştur. 1 4 matristir. Sütun matris: Bir sütundan oluşan bir matrise sütun matris denir.
8 Örneğin matrisi sütun matristir. Üç satır ve bir sütundan oluşmuştur. 3 1 matristir Örnek İki Matrisin Eşitliği A ve B gibi iki matrisin boyutları, yani satır ve sütun sayıları ve elemanları benzer ise; iki matris eşittir (A = B)
9 denir İki Matrisin Toplamı İki Matrisin Toplamı: A ve B boyutları aynı olan iki matris olsun. A+B toplamı, matrislerin karşılıklı elemanlarının toplamı olarak oluşan bir matristir ve C=A+B şeklinde ifade edilir. İki matrisin birbirinden çıkarılması için toplama özelliklerinin olması gerekir. Gerçekte iki matrisin birbirinden
10 çıkarılması demek, bu matrislerden birinin (-1) ile çarpılıp diğeriyle toplanması demektir: A-B = A + (-1)B İki matrisin birbirinden çıkarılmasında da matrislerin karşılıklı elemanları çıkarılır Matrisin Bir Sayı (Skalar) İle Çarpılması Solda görülen A matrisini göz önüne alalım Matris Toplamının ve Skalar Çarpımının Özellikleri Örnek 12
11
12 İki Matrisin Çarpımı Eğer A = [a ij] m n ve B=[b ij] n p boyutlu matrisler ise A ve B'nin çarpımı AB = C = [c ij] m p boyutlu bir matristir. Burada çarpımın gerçekleşebilmesi için A matrisinin sütun sayısı (n) ile B matrisinin satır sayısı (n)'nın aynı olması gerekir. Örneğin A matrisi 4 3 ve B matrisi 3 5 boyutlu matrisler ise A B mümkündür ve AB = C matrisi 4 5 boyutlu bir matristir. Eğer A matrisi 4 3 ve B matrisi 2 5 boyutlu ise A matrisinin sütun sayısı (n=3) ile B matrisinin satır sayısı (n=2) aynı olmadığından matrislerin çarpım işlemi gerçekleşmez. A=[a ij] ve B=[b ij] matrislerinin çarpımı sonucunda (AB) oluşan C=[c ij] matrisinin elemanları, eşitliği yardımıyla elde edilir. Çarpım işleminin nasıl gerçekleştiğini anlayabilmek için ilgili matris çarpımını aşağıdaki şekilde yazarsak A matrisinin i'inci sıra elemanları ile B matrisinin j'inci sütun elemanlarının çarpımlarının toplamı bize C matrisinin c ij'inci elemanını verecektir.
13 C matrisinin diğer elemanları da benzer şekilde A matrisinin ilgili satır elemanları ile B matrisinin ilgili sütun elemanlarının çarpımının toplamı şeklinde elde edilir Örnek Örnek 14
14 Matris Çarpımının Özellikleri Örnek 15
15
16 Özel Matrisler Özel Matrisler kapsamında; Sıfır Matris Transpoze Matris Kare Matris
17 Köşegen Matris Skalar Matris Birim Matris Üç Köşegenli Matris Üst Üçgen Matris Alt Üçgen Matris Simetrik Matris Antisimetrik (skew-symmetric) Matris konuları işlenecektir Sıfır Matris Tüm elemanları sıfır olan matristir. Eğer ele alınan sıfır matris m n boyutlu ise m 0 n şeklinde yazılmalıdır Transpoze Matris Bir matrisin transpozesini elde etmek için matrisin satır ve sütunları yer değiştirir. Eğer matrisimiz A ise transpozesi A T 'dir. ÇÖZÜM: Örnekten görüldüğü gibi A matrisinin 1.sıra elemanları A T matrisinin 1.sütun elemanları, A matrisinin 2.sıra elemanları A T matrisinin 2.sütun elemanları olarak yer değiştirmiştir Kare Matris Satırlarının sayısı sütunlarının sayısına eşit olan matrise kare matris denir.
18 Köşegen Matris Sol tarafta görülen matrisi göz önüne alalım. Asal Köşegen: Burada a 11, a 22, a 33,..., a nn elemanlarına asal köşegen elemanları denir. Yandaki kare matriste a 11 = 1, a 22 = 5 ve a 33 = 9 elemanları asal köşegen elemanlarıdır. Köşegen Matris: Asal köşegen dışında kalan elemanları sıfır olan kare matrise köşegen matris denir Örnek Örnek 19
19 Skalar Matris Asal köşegen elemanları birbirine eşit olan köşegen matrise skalar matris denir Birim Matris Köşegen bir matriste asal köşegen elemanları 1'e eşitse bu matrise birim matris denir. Eğer matris n n boyutlu ise bu I n ile gösterilir Üç Köşegenli Matris Bir kare matrisin asal köşegeni ve ona bitişik köşegenlerdeki elemanları hariç diğer elemanları sıfır ise bu matrise Üç Köşegenli Matris (tridiogonal) adı verilir. Bu köşegenlerin bazı elemanları (tümü değil), sıfır değeri olabilir.
20 Üst Üçgen Matris Bir kare matrisin asal köşegeninin altında kalan tüm elemanları sıfır ise bu matrise üst üçgen matris denir Alt Üçgen Matris Bir kare matrisin asal köşegeninin üstünde kalan tüm elemanları sıfır ise bu matrise alt üçgen matris denir Simetrik Matris Bir kare matriste A T =A ise matris simetrik matris'tir denir.
21 A T =A olduğundan A matrisi simetrik matris'tir denir. Örneklerden de görüldüğü gibi asal köşegene göre simetrik elemanlar birbirine eşittir Örnek 26 A T A olduğundan A matrisi simetrik değildir Antisimetrik (skew-symmetric)matris Bir kare matriste A T =-A şartı gerçekleşiyorsa, A matrisine antisimetrik matris denir.
22 Buradan A T = -A olduğu görülür. Dolayısıyla A matrisi antisimetriktir denir. Antisimetrik bir matriste asal köşegene göre simetrik elemanlar, birbirlerine mutlak değerce eşit fakat ters işaretlidirler. 1.BOLUM DEĞERLENDİRME SORULARI
23
24
25
26
27 2.BOLUM DOGRUSAL CEBIR VE DIFERANSIYEL DENKLEMLER LİNEER SİSTEMLERİN MATRİS KULLANILARAK ÇÖZÜMÜ 2.1. LİNEER DENKLEM SİSTEMLERİNİN MATRİS NOTASYONU GÖSTERİMİ m eşitlik (denklem) ve n bilinmeyenden oluşan lineer denklem sisteminin matrisler ile gösterimi aşağıda gösterildiği gibidir. Daha önce de belirtildiği gibi x 1, x 2,..., x n bilinmeyenleri, a'lar ve b'ler ise sabitleri ifade etmektedir Arttırılmış (Augmented) Matris matrisine arttırılmış matris denir.
28 2.2. SATIR EŞDEĞER MATRİSLER Bu kısımda elementer satır işlemleri tanımı ve bir matrisin satır eşdeğer matris şeklinde ifade edilmesi örnekleriyle birlikte incelenecektir Elementer Matris İşlemleri Tanımı Bir Matrisin Satır Eşdeğer Matris Şeklinde İfade Edilmesi Elementer Satır İşlemleri Tanımı Bir A matrisindeki elementer satır işlemleri aşağıdaki işlemlerden biri olarak tanımlanmaktadır Örnek 4
29 Matrislere ilişkin elementer satır dönüşümleri (işlemleri) yapıldığında her defasında A matrisinin başından başlama zorunluluğu yoktur.
30 Örnek 5
31 Bir Matrisin Satır Eşdeğer Matris Şeklinde İfade Edilmesi Bir matris eğer aşağıda belirtilen kurallar sağlanırsa satır eşdeğer matris (Row echelon form) şeklindedir denir Örnek 6, 7, 8, 9, 10 ve 11
32
33
34 2.3. GAUSS ve GAUSS-JORDAN ELİMİNASYON YÖNTEMLERİ Lineer denklem sistemlerinin çözümünü elde etmede kullanılan birçok yöntem vardır. İzleyen kısımlarda bu yöntemlerden ikisi olan Gauss ve Gauss-Jordan yöntemleri tanıtılacaktır. Burada n n boyutlu lineer denklem sistemleri ele alınacaktır. Daha sonraki bölümlerde m n boyutlu lineer denklem sistemlerinin çözümlerinden bahsedilecektir Gauss Yöntemi şeklinde verilen bir lineer denklem sisteminin katsayılar matrisi A'nın ve arttırılmış matrisin 'nin şeklinde tanımlandığı önceki bölümde ele alınmıştı.
35 Elementer satır dönüşümleri yardımıyla arttırılmış matris 'nin A katsayılar kısmı asal köşegen elemanlar 1 olan bir üst üçgen matris haline dönüştürülürse matrisi yandaki şeklini alır. Verilen katsayılar matrisinin elementer satır dönüşümleri yardımıyla yanda belirtilen eşdeğer bir matrisine dönüştürülerek lineer denklem sisteminin çözümünün elde edilmesi işlemi Gauss Eliminasyon Yöntemi olarak bilinmektedir Örnek 12
36 Örnek 13
37 Gauss-Jordan Eliminasyon Yöntemi artırılmış matrisinin, elementer satır dönüşümleri yardımıyla, asal köşegen elemanları 1 olan yandaki matrise dönüştürüldüğünü varsayalım. Verilen katsayılar matrisinin elementer satır dönüşümleri yardımıyla yanda verilen eşdeğer bir matrise dönüştürülerek lineer denklem sisteminin çözümünün elde edilmesi işlemi Gauss-Jordan Eliminasyon Yöntemi olarak bilinmektedir Örnek 14
38 2.4. TERS MATRİS Bu kısımda matrisin tersinin tanımı ve ters matrislerin özellikleri incelenecektir Matris Tersinin Tanımı Ters Matrislerin Özellikleri Matris Tersinin Tanımı A ve B n n boyutlu matrisler olsun. A ve B matrisleri AB = BA = I n bağıntısını sağlıyorsa B'ye A'nın tersi denir ve B=A -1 ile gösterilir. A da B'nin tersidir ve A=B -1 yazılır.
39 Her n n boyutlu bir kare matrisin tersinin mevcut olması gerekmez Örnek 16
40 Örnek 17
41 Ters Matrislerin Özellikleri Ters Matrislerin Özellikleri kapsamında ters matrislerle ilgili 4 adet özellik üzerinde durulup, her biriyle ilgili örnekler verilecektir Özellik 1,2 ve 3
42 Örnek 18
43 Örnek Örnek 20
44 Özellik 4 olarak eldeedilir.
45 Örnek MATRİS TERSİ YÖNTEMİ KULLANARAK LİNEER DENKLEM SİSTEMLERİNİN ÇÖZÜMÜ
46 n eşitlik ve n bilinmeyenden oluşan lineer denklem sisteminin AX=B şeklinde gösterildiğini varsayalım Örnek 22 ve Örnek 23
47
48 2.BOLUM DEĞERLENDİRME SORULARI
49
50
51
52
53
54 3.BOLUM DOGRUSAL CEBIR VE DIFERANSIYEL DENKLEMLER DETERMİNANTLAR 3.1. DETERMİNANTIN TANIMI Toplamdaki işaret j i 'lerin permütasyonu çift (0, 2, 4,...) ise (+) tek (1, 3, 5,...) ise (-) olarak verilir. A 1 1 boyutlu bir matris ise, det (A) = a 11 = a 11 'dir DETERMİNANTLARIN ELDE EDİLMESİ Bu kısımda bir matrisin determinant değerinin elde edilmesi gösterilecek, ikinci ve üçüncü dereceden determinantların hesaplanması örnekleriyle beraber sunulacaktır İkinci Dereceden Determinantlar Üçüncü Dereceden Determinantlar İkinci Dereceden Determinantlar Örnekler
55 3.2.2 Üçüncü Dereceden Determinantlar 3 3 boyutlu matrisinin determinantı şeklinde yazılır ve SARRUS ya da köşegen açılımı kuralı olarak bilinen bir kuralla elde edilir. Bu kurala göre determinantı elde etmek için verilen matrisin elemanları şeklinde yazıldıktan sonra bu matrisin ilk iki sütunu bu matrise eklenir ve ek matrisi elde edilir.
56 Örnekler 3.3. DETERMİNANTLARIN ÖZELLİKLERİ
57 Özellik 1 Özellik 1: Bir determinantta bir satır (ya da sütun) elemanlarının tümü sıfır ise determinant değeri sıfırdır Özellik 2 Özellik 2: Bir determinantla eğer iki satır (ya da sütun)'ın elemanları aynı değere sahipse determinant değeri sıfırdır.
58 Özellik 3 Özellik 3: Determinantın bir satırının (ya da sütununun) tüm elemanlarının bir k sabiti ile çarpımı sonucu elde edilen determinant değeri, determinant değerinin k sabiti ile çarpımına eşdeğerdir Özellik 4 elde edilir. Özellik 4. Bir determinantta bir satırın (veya sütunun) bir sabitle çarpılıp diğer bir satıra (veya sütuna) eklenmesi, determinant değerini değiştirmez.
59 Özellik 5 Özellik 5: Bir determinantta iki satır (ya da iki sütun) birbiriyle yer değiştirirse determinantın sadece işareti değişir Özellik 6 Özellik 6: Bir determinantın tüm satır ve sütunları yer değiştirirse determinantın değeri değişmez. Diğer bir ifadeyle det(a T ) = det(a) 'dır.
60 3.4. ELEMENTER SATIR DÖNÜŞÜMLERİ YARDIMI İLE DETERMİNANT DEĞERİNİN ELDE EDİLMESİ n n boyutlu bir kare matriste a 11 a a nn elemanlarının bulunduğu köşegen asal köşegen olarak tanımlanır. Bu asal köşegenin altındaki tüm elemanların değerleri sıfır ise matrisimiz üst köşegen matris (ya da echelon form) veya üst üçgen matris olarak tanımlanır.
61 Asal köşegenin üstündeki tüm elemanların değerleri sıfır ise matrisimiz alt köşegen matris veya alt üçgen matris olarak tanımlanır Örnek 15, 16 ve Determinant Değerinin Elde Edilebilmesi İçin Matrisin Üst Üçgen veya Alt Üçgen Hale Dönüştürülmesi
62 Matrislere ilişkin determinantların değerinin daha kolay elde edilebilmesi için, matrislerin üst üçgen, alt üçgen hale dönüştürülmesi kolaylık sağlamaktadır Örnek 18, 19 ve DETERMİNANTLARIN EŞÇARPAN (KOFAKTÖR) AÇILIMI İLE ELDE EDİLMESİ Bu kısımda bir matrisin determinant değerinin eşçarpan açılımı ile elde edilmesi gösterilecektir. Bunun için önce minör ve kofaktör tanımı ve kofaktör açılımı gösterilecektir Minör Tanımı
63 Kofaktör (Cofactor) veya Eşçarpan Tanımı Kofaktör Açılımı Minör Tanımı A=[a ij ], n n boyutlu bir kare matris olsun. Eğer i'inci sıra ve j'inci sütun silinecek olunursa geriye kalan (n-1) (n-1) boyutlu matrisin determinantına a ij elemanının Minor'ü denir Kofaktör (Cofactor) veya Eşçarpan Tanımı Eğer M ij bir A kare matrisindeki a ij elemanının minorü ise, a ij 'nin kofaktörü C ij = (-1) i+j M ij dir. Burada i ilgili elemanın satır numarasını, j de sütun numarasını belirtmektedir.
64 Kofaktör Açılımı Determinant, herhangi bir satırdaki (ya da sütundaki) elemanların, kendi eşçarpanlarıyla (kofaktörleriyle) çarpımlarının toplamına eşittir. Bu teknik kofaktör açılımı olarak bilinmektedir.
65 Kofaktör açılımı tekniğiyle determinant değerinin daha kolay bir şekilde elde edilmesini sağlamak için satır dönüşümleri yardımıyla ilgili determinant fazla sayıda sıfırlar içeren bir şekle dönüştürülür. Böylece çarpımların sonucu sıfır olacağından, sıfır olan elemanlara ilişkin kofaktörlerin elde edilmesine gerek kalmayacak dolayısıyla işlemler kolaylaşacaktır. Örneğin determinantını göz önüne alalım. Eğer 1.sıra elemanlarına ilişkin kofaktörleri kullanarak determinantı hesaplamak istersek, det(a)=5.c C C 13 Eğer 2. sütun elemanlarının kofaktörlerini kullanarak determinantı hesaplamak istersek, det(a)=0.c C C 32 elde edilir.
66 Her iki durumda da ilgili satır ve sütunlarda fazla sayıda sıfır bulunduğundan işlemlerimiz kolaylaşmıştır. Elementer satır dönüşümleri yapıldığı gibi elementer sütun dönüşümleri de yapılabilir. Bu şekilde verilen determinantlar determinant özelliklerinin uygulanabileceği determinantlar haline dönüştürülebilir. 2.BOLUM DEĞERLENDİRME SORULARI
67
68
69
70
71 4.BOLUM DOGRUSAL CEBIR VE DIFERANSIYEL DENKLEMLER MATRİS VE DETERMİNANTLARA İLİŞKİN DİĞER ÖZELLİKLER 4.1. DETERMİNANT DEĞERİ YARDIMIYLA MATRİS TERSİNİN MEVCUT OLUP OLMAMASININ BELİRLENMESİ Örnek Örnek 2
72 Cramer Kuralının Tanımlanması n eşitlik ve n bilinmeyenden oluşan bir AX=B lineer denklem sisteminde det (A) 0 şartı sağlanıyorsa sistemin tek bir çözümü mevcuttur ve bu çözüm dır. Burada A, lineer denklem sisteminin katsayılar matrisini belirtmektedir. B matrisi dır.
73 A 1 matrisi 1.sütun elemanlarının eşitliğin sağındaki B matrisi ile yer değiştirmesi sonucu elde edilen katsayılar matrisini, A 2 matrisi 2.sütun elemanlarının, eşitliğin sağındaki B matrisi ile yer değiştirmesi sonucu elde edilen katsayılar matrisini, A n ise n inci sütun elemanlarının eşitliğin sağındaki B matrisi ile yer değiştirmesi sonucu elde edilen katsayılar matrisini belirtmektedir. Konuya açıklık kazandırmak için AX=B lineer denklem sistemimizi şeklinde yazabiliriz. eşitlikleri şeklinde ifade edilmektedir. Görüldüğü gibi x 1 için A katsayılar matrisinin 1.sütun elemanları, x 2 için 2.sütun elemanları B matris elemanları ile yer değiştirmiştir Örnek 3
74 4.2. KARE MATRİSİN ADJOINT MATRİSİ
75 Örnek 4
76 Örnek 5
77 Adj (A) Kullanılarak A -1 in Elde Edilmesi
78 Örnek 6 veya
79 Örnek 7
80
81 Örnek 8
82 4.BOLUM DEĞERLENDİRME SORULARI
83
84
85
86
87
88 5.BOLUM DOGRUSAL CEBIR VE DIFERANSIYEL DENKLEMLER VEKTÖRLER 5.1. SKALER VE VEKTÖREL BÜYÜKLÜKLER Kütle, sıcaklık, elektrik yükü, alan, hacim gibi sadece pozitif ve negatif sayılarla ifade edilen büyüklüklere skaler (scalar) büyüklükler denir. Sadece bir gerçel sayı ile ifade edilemeyip, buna ek olarak doğrultu, yön ve hatta konumlarının da bilinmesi şartı ile belirtilebilir büyüklüklere vektörel büyüklükler denir (kuvvet, hız, ivme, moment, yer değiştirme,... gibi). Vektör: Vektörel büyüklükler vektör adı verilen yönlü doğru parçaları ile gösterilirler. Vektör, belirli bir uzunluğa, belirli bir doğrultuya ve belirli bir yöne sahip bulunan bir doğru parçasıdır. Vektörler işaretleri ile veya (AB, V, F, a) ile gösterilirler. A noktası vektörün başlangıç noktası ve B noktası da uç noktası adını alır. Örneğin aşağıdaki Şekil 5.1'de gösterilmektedir. (veya AB) vektörü Vektörün başlangıç ve uç noktaları arasındaki uzunluğa vektörün uzunluğu veya modülü denir ve mod = şeklinde gösterilir. Başlangıç noktasından uç noktasına giden yön vektörün yönüdür. Bunu belirtmek için AB'nin üzerine A'dan B'ye giden bir ok konur ve şeklinde gösterilir. Serbest vektörler doğrultu, yön ve modülünü muhafaza ederek uzayda ötenebilen vektörlerdir. Diğer bir deyişle başlangıç noktası sabit olmayan vektörlerdir. Bağlı vektörler başlangıç noktası sabit olan (değiştirilemeyen) vektörlerdir. Aksi belirtilmediği sürece bundan sonra ele alınan vektörler serbest vektörler olacaktır.
89 5.2. VEKTÖRLERİN EŞİTLİĞİ ve gibi iki vektörü göz önüne alalım: ve vektörlerinin başlangıç noktaları farklı, fakat doğrultu, yön ve büyüklükleri (modülleri) aynı ise, ve vektörü eşittir denir ve = yazılır. Bu durum Şekil 5.2'de görülmektedir VEKTÖRLERİN TOPLAMI VE FARKI Bu kısımda vektörlerin toplamı ve çıkarılması incelenecektir İki Vektörün Toplamı İki Vektör Farkı İki Vektörün Toplamı ve gibi iki vektörümüzün verildiğini varsayalım. İki vektörün toplamı, = + şeklinde ifade edilir. Bu durum Şekil 5.3'te görülmektedir. vektörünün başlangıç noktası, vektörünün uç noktasına getirilir. Elde edilen = vektörüne ve vektörlerinin toplamı (bileşke) denir. + = + şeklinde de ifade edilebilir İki Vektör Farkı ve gibi iki vektörün verildiğini varsayalım, - farkı ve (- ) vektörlerinin toplamı olup
90 şeklinde ifade edilir. Bu durum Şekil 5.4'te görülmektedir VEKTÖRLERİN BİR SKALER İLE ÇARPIMI Bu kısımda aşağıdaki başlıklar üzerinde durulacaktır: Bir Vektörün Bir Skaler ile Çarpımı Skaler Çarpım Çeşitleri Vektörlerin 0xyz Eksen Takımı Üzerinde Tanımlanması Birim Vektörleri vektörünün bileşenlerinin elde edilmesi İki Vektörün Skaler Çarpımı İki Vektör Arasındaki Açı Vektörel Çarpım Vektörlerinin Karışık Çarpımı Lineer Kombinasyon Tanımı Bir Vektörün Bir Skaler ile Çarpımı vektörünün m gibi bir pozitif sayı ile çarpımı olan m vektörü vektörü ile aynı doğrultu ve yöne sahip olup sadece modülü vektörünün m katına eşittir. Yani, m = m 'dır. Eğer m < 0 ise yani m sayısı negatif ise ve m vektörlerinin doğrultuları aynı, fakat yönleri birbirinin tamamen tersidir. m'nin değişik değerleri için bu durumlar Şekil 5.5'te görülmektedir.
91 Skaler Çarpım Çeşitleri Modülü sıfır olan vektöre sıfır vektör adı verilir. - ile vektörünün doğrultusuna ve modülüne sahip, fakat vektörünün tamamen aksi yönünde olan vektör gösterilir. birim vektörü, vektördür. vektörü ile aynı doğrultu ve yöne sahip olan ve modülü 1 olan bir Vektörlerin 0xyz Eksen Takımı Üzerinde Tanımlanması Aynı koordinat sisteminde verilmiş = (a 1, a 2, a 3 ) ve = (b 1, b 2, b 3 ) vektörlerinin eşit olabilmesi a 1 = b 1, a 2 = b 2, a 3 = b 3 olması ile mümkündür. Bileşenlerinin hepsi sıfır olan bir vektöre, sıfır vektör denir. = (0, 0, 0)
92 Birim Vektörleri vektörleri, Ox, Oy, Oz eksenleri doğrultusundaki birim vektörlerdir. Buna göre = (1, 0, 0), = (0, 1, 0) ve = (0, 0, 1)'dir. Bir vektörün bir skalerle çarpımı ve vektörlerin toplamı kuralından yararlanarak, bir vektörünün analitik ifadesi olarak yazılabilir. Bu durum Şekil 5.6'da görülmektedir. Bileşenleri ile verilmiş bir vektörünün modülü, şeklindedir Örnekler
93 dur. bulunur.
94 Vektörünün Bileşenlerinin Elde Edilmesi Eğer vektörünün başlangıç noktası P 1 (x 1, y 1, z 1 ) ve uç noktası P 2 (x 2, y 2, z 2 ) ise vektörünün bileşenleri = (x 2 x 1, y 2 y 1, z 2 z 1 ) dır. Dolayısıyla vektörü şeklindedir.
95 İki Vektörün Skaler Çarpımı ve gibi iki vektörün skaler çarpımı, bu vektörlerin a ve b büyüklükleriyle vektörler arasındaki açısının kosinüsü çarpımına eşittir: = Cos Bu durum Şekil 5.7'de görülmektedir.
96 Şekil-5.7: İki vektörün skaler çarpımı İki vektörün skaler çarpımı bir skaler (sayı)dır. Skaler çarpımla ilgili olarak aşağıdaki kurallar geçerlidir: Örnek 6, 7 ve 8
97
98
99 İki Vektör Arasındaki Açı sıfırdan farklı vektörler olsun Örnek 9
100 Vektörel Çarpım Aralarındaki açı olan ve vektörlerini göz önüne alalım (Şekil-5.8) Bu iki vektörün vektörel çarpımı öyle bir vektörüdür ki bu vektörün büyüklüğü, verilen vektörlerin ve büyüklükleriyle, bunlar arasındaki açının sinüsü çarpımına eşittir. Bu çarpım, şeklinde gösterilir.
101 vektörünün doğrultusu, ve vektörlerinin oluşturdukları düzleme dik, yönü de sağ el kuralıyla bellidir. SAĞ EL KURALI: ifadesinde vektörü ve vektörlerinin her ikisine de diktir. Eğer ve vektörleri sıfır olmayan vektörler ise, nin yönü sağ el kuralı ile belirlenebilir., ve vektörleri arasındaki açı olsun ve vektörünün belirtilen yönde vektörü ile çakışıncaya kadar döndürüldüğünü varsayalım. Eğer sağ elin, şekilde gösterildiği gibi, dört parmağı dönüş yönünü gösterecek şekilde tutulursa baş parmak nin yönünü belirtir. Vektörel çarpım bir sayı değil bir vektördür. Vektörel çarpımla ilgili olarak aşağıdaki kurallar geçerlidir:
102 Örnek 10
103 Örnek 11
104 Vektörlerinin Karışık Çarpımı çarpımına karışık çarpım denir. Eğer ise karışık çarpım olarak elde edilir.
105 Lineer Kombinasyon Tanımı bulunur.
106 n boyutlu uzayda gibi m tane vektör göz önüne alalım. k 1, k 2,..., k m gerçel sayılar olmak üzere vektörü şeklinde ifade edilebiliyorsa, vektörü vektörlerinin lineer kombinasyonudur denir.
107 5.5. LİNEER BAĞIMLILIK ve BAĞIMSIZLIK Bu kısımda lineer bağımlılık ve bağımsızlık kavramları üzerinde durulacaktır Lineer Bağımlı Vektörler Lineer Bağımlı Vektörler n boyutlu uzayda gibi m tane vektör göz önüne alalım. bağıntısını sağlayacak şekilde, içlerinden en az bir tanesi sıfırdan farklı olan (yani tümü birden sıfır olmayan) k 1, k 2,..., k m sayıları mevcut ise bağımlıdır denir. vektörleri lineer Eğer eşitliği için sağlanıyorsa vektörleri lineer bağımsızdır denir.
108 5.BOLUM DEĞERLENDİRME SORULARI
109
110
111
112 6.BOLUM DOGRUSAL CEBIR VE DIFERANSIYEL DENKLEMLER LİNEER DENKLEM SİSTEMLERİNİN ÇÖZÜMÜ ve RANK KAVRAMI GİRİŞ 6.1. BİR MATRİSİN RANKI m satır ve n sütundan oluşan A matrisini gözönüne alalım. Bu matrisin bazı satır ve sütunlarını silmek suretiyle elde edilen r r boyutlu kare matrislerden hiç olmazsa birinin determinantı sıfırdan farklı, fakat r r'den daha yüksek boyutlu kare matrislerden her birinin determinantı sıfır ise r sayısına A matrisinin rankı denir.
113 Örnek 1 ve 2
114
115 Denk Matrisler Yöntemi Daha önceki bölümlerde verilen bir A matrisinin elementer satır/sütun dönüşümleri yardımıyla bir B matrisine dönüştürüldüğü A ve B matrislerine Denk matrisler dendiğinden bahsedilmişti Örnek 3
116 Lineer Bağımsızlık ve Rank
117 Konuyu hatırlamak için örnekleri inceleyelim Örnek 4, 5 ve 6
118
119 6.2. LİNEER DENKLEM SİSTEMLERİNİN ÇÖZÜMÜ m satır ve n sütundan oluşan bir lineer denklem sisteminin AX=B şeklinde ifade edildiğinden daha önce bahsedilmiş idi. Sistemin çözümüne ilişkin bazı yöntemler örneğin Gauss, Gauss-Jordan, Matris tersi, Cramer gibi ele alınmış ve bilinmeyenler vektörü X'e ilişkin çözüm değerleri elde edilmiş idi. Bu bölümde rank yardımıyla Lineer denklem sistemlerinin çözümü ele alınacak ve örneklerle konuya açıklık kazandırılmaya çalışılacaktır.
120 6.3. LİNEER HOMOJEN DENKLEM SİSTEMİ AX=B lineer denklem sisteminin çözümünün mevcut olması için gerek ve yeter şart A ve [AB] matrislerinin ranklarının aynı olmasıdır Örnek 7, 8, 9, 10, 11 ve 12
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131 Lineer Homojen Denklem Sistemi Burada katsayılar matrisi ve arttırılmış (genişletilmiş) matris [AB] ise [A0] olup şeklinde ifade edilir. Bilinmeyenler vektörü x ise dir. A ve [A0] matrislerinin rankları birbirine eşit olduğundan, bu sistemin daima x 1 =x 2 =...=x n = 0 olan bir çözümü vardır. Bu çözüme sıfır çözüm (trivial solution) denir. AX=0 Lineer homojen denklem sisteminin çözümüne ilişkin takip eden sayfalardaki kurallar geçerlidir.
132 Kural 1 1. A matrisinin rankı, r = n ise sistemin yalnız sıfır çözümü vardır Kural 2 2. A matrisinin rankı, r<n ise sıfır çözümden başka çözümler mevcuttur. Bu durumda r tane esas bilinmeyen (bağımlı değişken) ve r tane esas denklem seçilir. Seçilme kuralları Homojen olmayan lineer denklem sistemlerinde belirtildiği gibidir. Bu r tane esas bilinmeyen geriye kalan n-r tane bilinmeyen cinsinden ifade edilir. Çözümde n-r tane keyfi sabit vardır.
133
134 Kural 3 3. Denklem sayısı bilinmeyen sayısına eşit ise (m=n), sıfır çözümden başka bir çözümün mevcut olma şartı katsayılar determinantının sıfır olmasıdır.
135
136 Kural 4 4. Denklem sayısı bilinmeyen sayısından az ise yani m<n ise r<n olacağından, sistemin sıfır çözümünden başka çözümü mevcuttur.
137 bulunur CRAMER KURALI ve MATRİS TERSİ YÖNTEMLERİ ile LİNEER DENKLEM SİSTEMLERİNİN ÇÖZÜMÜNÜN EDİLMESİ Lineer Denklem Sistemlerinin çözümü konusuna açıklık kazandırmak ve konunun bütünlüğünü sağlamak amacıyla daha önceki bölümlerde ele alınan Cramer Kuralı ve Matris Tersi Yöntemleri yardımıyla lineer denklem sistemlerinin çözümüne ilişkin bazı örnekler verilecektir Cramer Kuralı Yardımı ile Lineer Denklem Sisteminin Çözümü Matris Tersi Yöntemi ile Lineer Denklem Sisteminin Çözümü Cramer Kuralı Yardımı ile Lineer Denklem Sisteminin Çözümü
138 Örnek 17
139 Matris Tersi Yöntemi ile Lineer Denklem Sisteminin Çözümü
140 AX=B şeklinde ifade edilen n denklem ve n bilinmeyenden oluşan bir lineer denklem sisteminin matris tersi yöntemi ile çözümünde aşağıdaki eşitlik kullanılır. Burada, x bilinmeyenler vektörünü, A -1, A katsayılar matrisinin tersini, B eşitliğin sağ tarafındaki sabit katsayılar vektörünü belirtmektedir. A katsayılar matrisinin tersinin mevcut olabilmesi için, det(a) 0 şartının gerçekleşmesi gerekir. A katsayılar matrisinin tersi A -1, ya da yöntemleri yardımıyla elde edilebilir. Hem Cramer ve hem de matris tersi yöntemlerinin uygulanabilmesi için lineer denklem sisteminin n denklem ve n bilinmeyenden oluşması, yani katsayılar matrisinin kare matris olması ve katsayılar matrisinin determinantının sıfırdan farklı olması yani matris tersinin mevcut olması gerekir Örnek 18
141
142 6.BOLUM DEĞERLENDİRME SORULARI
143
144
145
146
147
148 7.BOLUM DOGRUSAL CEBIR VE DIFERANSIYEL DENKLEMLER EIGEN DEĞERLERİ VE EIGEN VEKTÖRLERİ 7.1. EIGEN ve EIGEN VEKTÖR KAVRAMI A, n n boyutlu bir kare matris ve X de n bileşenli bir vektör olsun. Bu durumda, Y = A X çarpımı n boyutlu uzaydan kendi içerisine lineer bir dönüşüm olarak gözönüne alınabilir. AX = X olacak şekilde skalerleri ve farklı X vektörlerini bulma problemi, eigen-eigen vektör (özdeğer-özvektör) problemi olarak bilinmektedir. Genel olarak değerleri ve X vektörleri kompleks elemanlı olabilirler. Ancak burada reel sayılar içeren örnekler üzerinde durulacaktır. Fizik ve mühendislikteki titreşim ve denge problemleri, diferansiyel denklem sistemlerinin çözümlerinde hep eigen-eigen vektör problemleri ile karşılaşılmaktadır Karakteristik Determinant, Polinom ve Eşitlik Bazı kitaplarda det ( I A) yerine det (A - I) ifadesi kullanılmaktadır. Her iki durumda da aynı sonuçlar elde edilmektedir. n n boyutlu bir A matrisinin karakteristik polinomu, det ( I A) = n + c 1 n c n şeklindedir Örnek 1
149 Örnek 2
150 Örnek 3
151 Baz Düzlemde, doğrultuları farklı olan ve gibi iki vektörü göz önüne alalım. Şekil-7.1 Bu düzlemin herhangi bir 0 vektörü için =x +y eşitliğini sağlayan ve en az biri sıfırdan farklı x ve y sayıları bulunabilir. Çünkü, vektörleri üzerine köşegeni olan bir paralelkenar kurulabilir. Diğer bir deyişle, düzlemde, paralel olmayan iki vektör bir baz (basis) teşkil eder ve düzlemin bütün vektörleri bu baz vektörlerinin lineer bir kombinezonu olarak ifade edilebilir. Uzayda aynı bir düzleme paralel olmayan,, vektörlerini göz önüne alalım. Bu üç vektör bir baz (basis) teşkil eder, yani uzayın herhangi bir vektörü,, vektörlerinin lineer kombinezonu olarak ifade edilebilir (yani uzayda dört vektör lineer bağımlıdır). Çünkü,, vektörleri üzerine, köşegeni olan bir paralelyüzlü kurulabilir ve böylece = x + y + z
152 yazılabilir. Bu durum şekil-7.2.'de görülmektedir. Daha genel bir ifade ile aşağıdaki tanım yapılabilir: Tanım: Eğer V herhangi bir vektör uzayı ve S ={v 1, v 2,..., v n } bu uzaydaki vektörlerin bir kümesi ise, aşağıdaki şartların sağlanması durumunda S, V uzayı için bir bazdır (basis) denir. a) S lineer bağımsızdır. b) S, V'yi kapsar (spans) Teorem: Eğer S ={v 1, v 2,..., v n }, V vektör uzayı için bir baz ise, V'deki her v vektörü v = c 1 v 1 + c 2 v c n v n şeklinde sadece bir şekilde ifade edilebilir Örnek 4
153 elde edilir.
154 Eigen Değeri ve Eigen Vektörlerinin Elde Edilmesine İlişkin Prosedür Örnek 5
155
156 Örnek 6
157
158
159 7.2. EIGEN DEĞERLERİNİN ve VEKTÖRLERİNİN ÖZELLİKLERİ Bu kısımda; Eigen vektörlerinin bağımsızlılığı, Eigen değerlerinin özellikleri, Üçgen matrislerin eigen değerleri üzerinde durulacaktır Eigen Vektörlerinin Bağımsızlığı Eğer 1, 2,..., n n n boyutlu A matrisinin birbirinden farklı eigen değerleri ve B 1, B 2,..., B n bu değerlere karşı gelen eigen vektörlerinin bazları (bases) ise, B 1 UB 2 U...UB n birleşimi lineer bağımsız bir kümedir Eigen Değerlerinin Özellikleri
160 7.2.3.Üçgen Matrislerin Eigen Değerleri üst üçgen veya alt üçgen matrislerinin eigen değerlerinin aşağıda belirtildiği şekilde elde edilmesi işlemlerini kolaylaştıracaktır. Üst üçgen matrisi ele alacak olursak,
161 olarak bulunur. Dolayısıyla 'dan elde edilir. Teorem: Eğer A, n n boyutlu bir üçgen matris ise (üst üçgen, alt üçgen veya asal köşegen), A matrisinin eigen değerleri asal köşegen değerleridir. Örneğin, yandaki matris bir alt üçgen matris olup, eigen değerleri = 3, = 7 ve = 1'dir MATRİSLERİN DİYAGONAL HALİNE DÖNÜŞTÜRÜLMESİ Bu kısımda; Diyagonal (Asal köegen) haline dönüştürülebilen matrisler, Ortonormal Bazlar, Gram-Schmidt Yöntemi ele alınarak örnekler incelenecektir Diyagonal (Asal Köşegen) Haline Dönüştürülebilen Matrisler Örnek 8
162 Örnek Örnek 10
163
164 nxn Boyutlu Diyagonal Hale Dönüştürülebilir bir A Matrisinin Diyagonelleştirilmesine İlişkin Yöntem
165 Örnek 11
166
167 Örnek 12
168
169 Örnek 13
170 Ortonormal Bazlar Vektör uzaylarını ilgilendiren pekçok problemlerde problem çözücü vektör uzayı için uygun görünen bazı seçmede serbesttir. İçsel çarpım uzayında bir problemin çözümü genellikle vektörlerin birbirine ortogonal olduğu bir baz seçilerek kolaylaştırılabilir.
171 Örnek Ortogonal ve Ortonormal Bazlar Örnek 15
172
173 Gram-Schmidt Yöntemi Örnek 16
174
175 7.4. SİMETRİK MATRİSLERİN DİYAGONAL HALE DÖNÜŞTÜRÜLMESİ Daha önce de belirtildiği gibi, n n boyutlu bir A matrisi A=A T koşulu gerçekleşiyorsa simetriktir denir. Eğer sütunları ortonormal bir küme oluşturuyorsa A matrisi ortogonal'dir denir. Eğer A matrisi tersi alınabilir bir matris ise, A matrisinin ortogonal olabilmesi için sadece ve sadece A -1 = A T şartının sağlanması yeterlidir. Benzer şekilde, eğer A T A = I şartı sağlanıyorsa A matrisi ortogonaldir denir.
176 Eğer bir matris ortogonal ise bunu göstermenin en kısa yolu A T.A'nın elde edilmesidir. Eğer bu çarpım yani A T.A=I ise, A matrisi ortogonaldir denir Simetrik Matrislerin Özellikleri Örnek 19
177
178
179 nxn Boyutlu Simetrik A Matrisinin Ortogonal Olarak Diyagonal Hale Dönüştürülmesi Yöntemi
180 Örnek 20
181
182
183
184
185
186
187 6.BOLUM DEĞERLENDİRME SORULARI
188
189
190
191