Lineer Cebir · 5. Ünite: Doğrusal Dönüşümler (Linear Transformations)

Benzerlik (Similarity) ve Dönüşümlerin Geometrik Simülasyonları

Bir doğrusal dönüşümün matrisi, seçilen tabana (basis) bağlıdır: aynı dönüşüm farklı tabanlarda farklı sayı tablolarıyla yazılır. Benzerlik (similarity), bu farklı yazılışlar arasındaki ilişkidir: $B = P^{-1}AP$. Bu bölümde benzer matrislerin neden aynı iz, determinant, rank ve özdeğerlere sahip olduğunu ispatlayacak, benzerliği "aynı dönüşüm, farklı koordinat sistemi" olarak yorumlayacak ve köşegenleştirmeye (diagonalization) ilk bakışı yapacaksın. Simülasyonda iki koordinat sistemini yan yana görüp dönme, kayma ve izdüşüm gibi dönüşümleri birim kare üzerinde izleyeceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Aynı Dönüşüm, Farklı Gözlükler

  2. Taban Değişimi ve Dönüşümün Matrisi

  3. Benzer Matrisler ve Denklik Bağıntısı

  4. Benzerlik Değişmezleri: İspatlar

  5. Geometrik Anlam: Aynı Dönüşüm, İki Koordinat Sistemi

  6. Köşegenleştirilebilirliğe İlk Bakış

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Dönüşüm Galerisi: Dönme, Kayma, İzdüşüm, Yansıma

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Benzer matrisler (similar matrices)
Tersinir bir $P$ ile $B = P^{-1}AP$ olan $A$ ve $B$ matrisleri; aynı doğrusal dönüşümün iki farklı tabandaki matrisleridir.
Taban değişimi matrisi (change-of-basis matrix)
Sütunları yeni tabanın vektörleri olan tersinir $P$ matrisi; $[\vec{x}]_{\mathcal{B}} = P^{-1}\vec{x}$.
Koordinat vektörü (coordinate vector)
Bir vektörün $\mathcal{B}$ tabanı cinsinden yazılışındaki katsayıların sütunu $[\vec{x}]_{\mathcal{B}}$.
Benzerlik değişmezi (similarity invariant)
Benzer matrislerde aynı kalan nicelik: determinant, iz, rank, karakteristik polinom, özdeğerler.
Karakteristik polinom (characteristic polynomial)
$p_A(\lambda) = \det(\lambda I - A)$; kökleri özdeğerlerdir ve benzer matrislerde aynıdır.
Denklik bağıntısı (equivalence relation)
Yansıma, simetri ve geçişme özelliklerini sağlayan bağıntı; benzerlik bu türdendir.
Köşegenleştirilebilir (diagonalizable)
Bir köşegen matrise benzeyen matris; $n$ doğrusal bağımsız öz vektörü olmasına denktir.
Kusurlu matris (defective matrix)
Özdeğerlerinin cebirsel katlarını yeterince öz vektörle karşılayamayan, köşegenleştirilemeyen matris, örneğin kayma matrisi.
Jordan biçimi (Jordan form)
Köşegenleştirilemeyen matrislerin benzer olduğu en basit üst üçgen biçim.
Yönelim (orientation)
Determinantın işareti; negatif ise şekil aynalanır (yansıma).

Örnek soru

$A$ ve $B$ benzer $2\times2$ matrislerdir. $\operatorname{tr}A = 7$ ve $\det A = 10$ olduğuna göre $B$'nin özdeğerleri nelerdir?

  1. $7$ ve $10$
  2. $-5$ ve $-2$
  3. $5$ ve $2$
  4. $1$ ve $10$
  5. $3$ ve $4$

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: $5$ ve $2$
1. Benzer matrislerin iz ve determinantı aynıdır: $\operatorname{tr}B = 7$, $\det B = 10$.
2. $2\times2$ bir matrisin karakteristik polinomu $\lambda^2 - (\operatorname{tr})\lambda + \det$ olduğundan $\lambda^2 - 7\lambda + 10 = (\lambda-5)(\lambda-2) = 0$.
3. Kökler $5$ ve $2$'dir. Kontrol: $5+2 = 7$ ve $5\cdot2 = 10$.
Çeldiriciler: $7$ ve $10$ iz ile determinantın kendisini özdeğer sanmaktır; $-5$ ve $-2$ polinomun işaretini $\lambda^2 + 7\lambda + 10$ yazmaktır.

Lineer Cebir: tüm konular