Lineer Cebir · 2. Ünite: Determinantlar

Cramer Kuralı ve Determinantın Hacim/Alan Yorumu

Determinant bir matrisin tek bir sayıya özetlenmesidir; ama bu sayı üç farklı işi aynı anda görür: $A\vec{x}=\vec{b}$ sisteminin çözümünü oranlarla verir (Cramer kuralı), tersi kofaktörlerden kurar (adjugat) ve sütun vektörlerinin gerdiği paralelkenar ya da paralelyüzün işaretli alanını/hacmini ölçer. Bu bölümde üç yüzü de türeterek birleştireceğiz; sonunda determinantın neden "ölçek çarpanı" olduğunu ve değişken değiştirmedeki Jacobian determinantına nasıl uzandığını göreceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Determinant Üç Soruya Aynı Anda Cevap Verir

  2. Cramer Kuralı: Türetme ve Formül

  3. Kofaktör, Adjugat ve Ters Matris Formülü

  4. Determinantın Geometrisi: Alan ve Hacim

  5. Yönelim: Determinantın İşareti ve Jacobian Önizlemesi

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Ne Zaman Cramer ve Adjugat? Maliyet ve Sağlamlık

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Cramer kuralı (Cramer's rule)
$\det(A)\neq0$ olan $n\times n$ bir $A\vec{x}=\vec{b}$ sisteminin çözümünü $x_i=\det(A_i)/\det(A)$ oranıyla veren formül; $A_i$, $A$'nın $i$. sütununun $\vec{b}$ ile değiştirilmiş halidir.
Minör (minor)
$A$'dan $i$. satır ve $j$. sütun silinince kalan $(n-1)\times(n-1)$ alt matrisin determinantı $M_{ij}$.
Kofaktör (cofactor)
$C_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ij}$; minörün satranç tahtası işaret desenine göre işaretlenmiş hali.
Adjugat / klasik ek (adjugate, classical adjoint)
Kofaktör matrisinin transpozesi, $\text{adj}(A)=C^{T}$; $A\,\text{adj}(A)=\det(A)\,I$ özdeşliğini sağlar.
Ters matris formülü
$\det(A)\neq0$ iken $A^{-1}=\text{adj}(A)/\det(A)$; $2\times2$ için $\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}^{-1}=\frac{1}{ad-bc}\begin{bmatrix}d&-b\\-c&a\end{bmatrix}$.
Paralelkenar ve paralelyüz (parallelogram, parallelepiped)
İki ya da üç vektörün gerdiği şekil; alanı/hacmi sütun vektörlerinden oluşan matrisin determinantının mutlak değeridir.
Yönelim (orientation)
Determinantın işareti: $\det>0$ sağ-el (iki boyutta saat yönünün tersi) yönelimini korur, $\det<0$ ters çevirir, $\det=0$ şekli düşük boyuta çöker.
Skaler üçlü çarpım (scalar triple product)
$\vec{a}\cdot(\vec{b}\times\vec{c})=\det[\vec{a}\ \vec{b}\ \vec{c}]$; işaretli paralelyüz hacmi.
Jacobian determinantı (Jacobian determinant)
Bir koordinat dönüşümünün türev matrisinin determinantı; küçük bir hücrenin alan/hacim ölçek çarpanıdır ($dA=|\det J|\,du\,dv$). Kutupsal koordinatlarda $r$.
Kayma (shear)
Bir vektöre diğerinin katını eklemek; paralelkenarın alanını ve determinantı değiştirmez.

Örnek soru

$\begin{aligned}2x+3y&=8\\ x-y&=-1\end{aligned}$ sisteminin çözümünde $x$ kaçtır? (Cramer kuralı ile çözün.)

  1. $-5$
  2. $-1$
  3. $1$
  4. $2$
  5. $5$

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: $x=1$
1. Katsayı matrisi $A=\begin{bmatrix}2&3\\1&-1\end{bmatrix}$, $\vec{b}=(8,-1)$. Determinant: $\det(A)=2(-1)-3(1)=-5\neq0$, dolayısıyla Cramer kuralı uygulanır.
2. İlk sütun $\vec{b}$ ile değiştirilir: $\det(A_1)=\det\begin{bmatrix}8&3\\-1&-1\end{bmatrix}=8(-1)-3(-1)=-8+3=-5$.
3. $x=\dfrac{\det(A_1)}{\det(A)}=\dfrac{-5}{-5}=\mathbf{1}$ (ve benzer biçimde $y=2$).
Çeldiriciler: $-5$ paydaki ya da paydadaki determinantın kendisidir (bölme yapılmamış), $2$ ise $y$'nin değeridir, $-1$ işaret hatasıdır.

Lineer Cebir: tüm konular