Lineer Cebir · 1. Ünite: Doğrusal Denklem Sistemleri ve Matrisler

Doğrusal Denklem Sistemlerine Giriş ve Geometrik Yorumlar

Mühendislikte bir devrenin akımlarını, ekonomide bir üretim planını, bilgisayar grafiğinde bir dönüşümü bulmak çoğu zaman aynı soruya iner: birden çok doğrusal denklemi aynı anda sağlayan sayıları bulmak. Bu bölümde doğrusal denklem sistemini (system of linear equations) tanımlayacak, aynı sisteme satır resmi (row picture) ve sütun resmi (column picture) olmak üzere iki geometrik gözle bakacak, genişletilmiş matris (augmented matrix) gösterimini kuracak ve çözüm kümesinin neden yalnızca üç türden biri olabileceğini (tek, sonsuz ya da hiç çözüm) göstereceğiz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Doğrusal Sistemler Her Yerde

  2. Doğrusal Denklem ve Doğrusal Sistem

  3. Satır Resmi: Doğrular ve Düzlemlerin Kesişimi

  4. Sütun Resmi: Vektörlerin Doğrusal Birleşimi

  5. Matris Gösterimi ve Genişletilmiş Matris

  6. m Denklem, n Bilinmeyen: Genel Tablo

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Simülasyonla Keşif ve Çözüm Sınıflarının Özeti

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Özet ve Sonraki Konulara Bağlantı

Anahtar terimler

Doğrusal denklem (linear equation)
a₁x₁ + ⋯ + aₙxₙ = b biçiminde, bilinmeyenlerin yalnızca sayılarla çarpılıp toplandığı denklem; çarpım, kuvvet ya da fonksiyon içermez.
Doğrusal sistem (system of linear equations)
Aynı n bilinmeyen üzerinde yazılmış m doğrusal denklemin topluluğu; çözüm, tüm denklemleri birlikte sağlayan n-lidir.
Satır resmi (row picture)
Her denklemi bir doğru ya da düzlem olarak çizip çözümü bunların ortak noktaları olarak yorumlayan geometrik bakış.
Sütun resmi (column picture)
Sistemi x₁a₁ + ⋯ + xₙaₙ = b vektör denklemi olarak okuyup çözümü sütun vektörlerinin doğrusal birleşimi olarak yorumlayan bakış.
Doğrusal birleşim ve kapsam (linear combination, span)
Vektörlerin skalerlerle çarpılıp toplanmasıyla elde edilen vektör; tüm birleşimlerin kümesine kapsam denir. Sistem, b kapsamda ise tutarlıdır.
Genişletilmiş matris (augmented matrix)
Katsayı matrisinin sağına sağ taraf sütununun eklenmesiyle oluşan [A | b] matrisi; sistemin tüm bilgisini taşır.
Tutarlı / tutarsız (consistent / inconsistent)
En az bir çözümü olan sisteme tutarlı, hiç çözümü olmayana tutarsız denir; tutarsızlık indirgenmiş matriste [0 ⋯ 0 | c], c ≠ 0 satırı olarak görünür.
Rank (rank)
İndirgenmiş basamak biçimindeki sıfırdan farklı satır sayısı. rank A < rank [A|b] ise çözüm yok; eşitse ve n'ye eşitse tek çözüm, n'den küçükse sonsuz çözüm.
Serbest değişken (free variable)
Öncü (pivot) sütun taşımayan değişken; istenen her değeri alabilir ve diğer değişkenleri belirler. Sayısı n − rank A'dır.
Homojen sistem (homogeneous system)
Sağ tarafı sıfır olan Ax = 0 sistemi; aşikâr çözüm x = 0 olduğundan her zaman tutarlıdır.

Örnek soru

Aşağıdaki denklemlerden hangisi $x$, $y$, $z$ değişkenlerinde bir doğrusal denklemdir?

  1. $xy+z=3$
  2. $2x-3y+z=5$
  3. $x^2+y+z=1$
  4. $\sin x+y=0$
  5. $\sqrt{x}+y+z=2$

Doğru cevap: B

Çözüm

Cevap: $2x-3y+z=5$
1. Doğrusal denklemde değişkenler yalnızca bir katsayıyla çarpılıp toplanır: $a_1x_1+a_2x_2+a_3x_3=b$.
2. $2x-3y+z=5$ bu biçimdedir ($a_1=2$, $a_2=-3$, $a_3=1$, $b=5$).
3. Diğerleri değişkenlerin çarpımı ($xy$), kuvveti ($x^2$), trigonometrik fonksiyonu ($\sin x$) ya da kökünü ($\sqrt{x}$) içerir; bunların hiçbiri doğrusal değildir.
Cevap: $2x-3y+z=5$. En sık hata, $x^2$ gibi birinci dereceden olmayan terimlerin de "katsayılı toplama" sayılabileceğini sanmaktır.

Lineer Cebir: tüm konular