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

Doğrusal Dönüşümlere Giriş ve Temel Özellikler

Doğrusal dönüşüm (linear transformation), vektör uzayları arasında toplama ve skalerle çarpma işlemlerini koruyan fonksiyondur. Bilgisayar grafiklerindeki döndürme ve ölçekleme, sinyal işlemedeki filtreler ve analizdeki türev ile integral operatörleri aynı çerçevede incelenir. Bu konuda doğrusallığın tanımını, $T(\mathbf{0})=\mathbf{0}$ gibi zorunlu sonuçlarını, geometrik ve analitik örnekleri, bir dönüşümün doğrusal olup olmadığını sınama yöntemlerini ve dönüşümlerin bileşimini öğrenecek, sonunda verilen bir dönüşüm için doğrusallığı kanıtlayabilecek ya da karşı örnekle çürütebileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Yapıyı Koruyan Fonksiyonlar

  2. Tanım ve Temel Sonuçlar

  3. Matris Dönüşümleri ve Düzlemdeki Geometrik Örnekler

  4. Fonksiyon Uzaylarında Örnekler: Türev, İntegral ve Diğerleri

  5. Doğrusallığı Sınama Yöntemleri

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Dönüşümlerin Bileşimi

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Doğrusal dönüşüm (linear transformation)
Vektör uzayları arasında, $T(\alpha\mathbf{u}+\beta\mathbf{v})=\alpha T(\mathbf{u})+\beta T(\mathbf{v})$ koşulunu sağlayan fonksiyon; toplama ve skalerle çarpmayı korur.
Toplamsallık (additivity)
Her $\mathbf{u},\mathbf{v}$ için $T(\mathbf{u}+\mathbf{v})=T(\mathbf{u})+T(\mathbf{v})$ olması.
Homojenlik (homogeneity)
Her skaler $c$ ve vektör $\mathbf{v}$ için $T(c\mathbf{v})=cT(\mathbf{v})$ olması.
Sıfır vektörünün korunması
Her doğrusal dönüşümde $T(\mathbf{0})=\mathbf{0}$ olur; gerekli ama yeterli olmayan bir koşuldur.
Doğrusal operatör (linear operator)
Tanım ve değer uzayları aynı olan doğrusal dönüşüm, yani $T:V\to V$.
Matris dönüşümü (matrix transformation)
$T_A(\mathbf{x})=A\mathbf{x}$ ile tanımlanan dönüşüm; her matris dönüşümü doğrusaldır.
Afin dönüşüm (affine transformation)
$\mathbf{x}\mapsto A\mathbf{x}+\mathbf{b}$ biçimindeki dönüşüm; $\mathbf{b}\ne\mathbf{0}$ ise $T(\mathbf{0})\ne\mathbf{0}$ olduğundan doğrusal değildir.
Bileşim (composition)
$(T_2\circ T_1)(\mathbf{u})=T_2(T_1(\mathbf{u}))$; doğrusal dönüşümlerin bileşimi doğrusaldır ve matrisi $A_2A_1$'dir.
Karşı örnek (counterexample)
Bir koşulun sağlanmadığını gösteren tek bir somut girdi; bir dönüşümün doğrusal olmadığını kanıtlamaya yeter.
Kayma (shear)
$(x,y)\mapsto(x+ky,y)$ gibi alanı koruyan ama kareyi paralelkenara çeviren doğrusal dönüşüm.

Örnek soru

Aşağıdaki $T:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}^2$ dönüşümlerinden hangisi doğrusaldır?

  1. $T(x,y)=(x+1,\,y)$
  2. $T(x,y)=(2x-y,\,x+3y)$
  3. $T(x,y)=(x^2,\,y)$
  4. $T(x,y)=(xy,\,x)$
  5. $T(x,y)=(|x|,\,y)$

Doğru cevap: B

Çözüm

Cevap: $T(x,y)=(2x-y,\,x+3y)$
1. Her çıktı bileşeni $x$ ve $y$'nin birinci dereceden, sabit terimsiz bir birleşimi ise $T$ bir matris dönüşümüdür: $T(\mathbf{v})=\begin{pmatrix}2&-1\\1&3\end{pmatrix}\mathbf{v}$. Matris dönüşümleri her zaman doğrusaldır.
2. Diğer şıklar doğrusallığı bozar: $(x+1,y)$ için $T(0,0)=(1,0)\ne(0,0)$; $(x^2,y)$ için $T(2,0)=(4,0)\ne2T(1,0)$; $(xy,x)$ için $T(2,2)=(4,2)\ne2T(1,1)=(2,2)$; $(|x|,y)$ için $T(-1,0)=(1,0)\ne-T(1,0)$.
Doğru cevap B şıkkıdır. En güçlü çeldirici $(|x|,y)$'dir: $T(\mathbf{0})=\mathbf{0}$ sağlar ve $x\ge0$ için doğrusal gibi görünür, ama negatif $c$ ile homojenliği bozulur.

Lineer Cebir: tüm konular