Lineer Cebir · 3. Ünite: Vektör Uzayları (Vector Spaces)

Bir Matrisin Satır Uzayı, Sütun Uzayı ve Sıfır Uzayı (Null Space)

Bir $m\times n$ matris yalnızca bir sayı tablosu değildir; $\mathbb{R}^n$ içindeki iki ve $\mathbb{R}^m$ içindeki iki altuzayı belirleyen bir nesnedir. Bu bölümde satır uzayını (row space), sütun uzayını (column space), sıfır uzayını (null space) ve sol sıfır uzayını tanımlayıp her birinin tabanını RREF ile nasıl bulacağımızı öğreneceğiz. Sonunda rank ile nullity arasındaki bağı veren Rank-Nullity Teoremi ($\text{rank}+\text{nullity}=n$) ile $Ax=b$ sistemlerinin çözülebilirliğini ve çözüm kümesinin yapısını tek bir resimde yorumlayabileceksiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Ax = b Ne Zaman Çözülür, Çözümler Ne Kadar Geniştir?

  2. Üç Temel Altuzay: Tanımlar

  3. Tabanlar RREF ile Nasıl Bulunur?

  4. Rank, Nullity ve Rank-Nullity Teoremi

  5. Çözümlü Örnekler

  6. Dört Temel Altuzayın Büyük Resmi

  7. Simülasyonla Keşfedin

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  9. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Sütun uzayı (column space)
Matrisin sütunlarının tüm lineer kombinasyonlarından oluşan altuzay; $T(x)=Ax$ dönüşümünün görüntü kümesi (range). $\mathbb{R}^m$ içindedir.
Satır uzayı (row space)
Matrisin satırlarının gerdiği altuzay, $\text{Row}(A)=\text{Col}(A^T)$. $\mathbb{R}^n$ içindedir ve satır işlemleriyle değişmez.
Sıfır uzayı (null space)
$Ax=\vec{0}$ sisteminin tüm çözümlerinin kümesi; $T(x)=Ax$ dönüşümünün çekirdeği (kernel). $\mathbb{R}^n$ içindedir.
Sol sıfır uzayı (left null space)
$A^T y=\vec{0}$ denklemini sağlayan $y\in\mathbb{R}^m$ vektörlerinin kümesi; $\text{Null}(A^T)$ ve $\text{Col}(A)^{\perp}$ ile aynıdır.
Rank (derece)
Sütun uzayının boyutu; aynı zamanda satır uzayının boyutu ve RREF'teki pivot sayısıdır.
Nullity (sıfırlık)
Sıfır uzayının boyutu; serbest değişken sayısına, yani $n-\text{rank}(A)$ değerine eşittir.
Rank-Nullity Teoremi
$m\times n$ bir matris için $\text{rank}(A)+\text{nullity}(A)=n$.
Pivot ve serbest değişken
RREF'te her satırın ilk 1'inin bulunduğu sütun pivot, geri kalan sütunlar serbest sütundur; serbest değişkenler sıfır uzayının parametreleridir.
Özel çözüm (special solution)
Bir serbest değişkeni 1, diğerlerini 0 alıp elde edilen $Ax=0$ çözümü; bunlar sıfır uzayı için taban oluşturur.
Dört temel altuzay
$\text{Row}(A)$, $\text{Null}(A)$ ($\mathbb{R}^n$'de) ve $\text{Col}(A)$, $\text{Null}(A^T)$ ($\mathbb{R}^m$'de); boyutları $r,\;n-r,\;r,\;m-r$.

Örnek soru

$A$, $4\times6$ boyutunda ve $\text{rank}(A)=3$ olan bir matristir. $\text{nullity}(A)=\dim\text{Null}(A)$ kaçtır?

  1. $1$
  2. $2$
  3. $3$
  4. $6$
  5. $9$

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: $3$
1. Rank-Nullity Teoremi: $\text{rank}(A)+\text{nullity}(A)=n$, burada $n$ sütun sayısıdır.
2. $n=6$ ve $\text{rank}(A)=3$ olduğundan $\text{nullity}(A)=6-3=\mathbf{3}$.
Çeldiriciler: $1=m-\text{rank}=4-3$ sol sıfır uzayının boyutudur (satır sayısı kullanılmış), $2=n-m$ yalnızca tam satır ranklı matrisler için geçerli bir sayıdır, $9=\text{rank}+n$ toplamdır, $6$ ise $n$'nin kendisidir.

Lineer Cebir: tüm konular