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

Doğrusal Dönüşümlerin Çekirdeği (Kernel) ve Görüntü Uzayı (Range)

Bir doğrusal dönüşüm iki soruyu cevaplar: hangi girdileri sıfıra çökertir, hangi çıktılara ulaşabilir? İlk sorunun cevabı çekirdek (kernel), ikincisinin cevabı görüntü uzayı (image / range) olarak adlandırılır ve ikisi de birer alt uzaydır. Bu bölümde her iki uzayı tanımlayıp matris dönüşümleri için hesaplayacak, birebirlik ve örtenliği bu uzaylarla karakterize edecek ve rank-nullity teoremini $\dim V=\dim\ker T+\dim\operatorname{Im}T$ ispat düzeyinde kuracağız.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Bir Dönüşüm Neyi Kaybeder, Neye Ulaşır?

  2. Çekirdek (Kernel) ve Alt Uzay Olması

  3. Görüntü Uzayı (Image / Range) ve Alt Uzay Olması

  4. Matris Dönüşümlerinde Çekirdek ve Görüntünün Hesabı

  5. Birebirlik, Örtenlik ve Çekirdek-Görüntü İlişkisi

  6. Rank-Nullity Teoremi (Boyut Teoremi)

  7. Simülasyonla Keşif: Üç Mod, Tek Teorem

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Çekirdek (kernel, null space)
$T:V\to W$ dönüşümünde $T(\vec{v})=\vec{0}$ olan bütün $\vec{v}\in V$ vektörlerinin kümesi $\ker T$; $V$'nin alt uzayıdır.
Görüntü uzayı (image, range)
$T$'nin aldığı bütün değerlerin kümesi $\operatorname{Im}T=\{T(\vec{v})\}$; $W$'nin alt uzayıdır. Matris için sütun uzayına eşittir.
Sütun uzayı (column space)
$A$'nın sütunlarının gerdiği uzay $\operatorname{Col}(A)$; $T(\vec{x})=A\vec{x}$ dönüşümünün görüntüsüdür.
Rank (kerte)
Görüntü uzayının boyutu $\dim\operatorname{Im}T$; matriste bağımsız sütun (ya da satır) sayısıdır.
Nullity (sıfırlık)
Çekirdeğin boyutu $\dim\ker T$; $A\vec{x}=\vec{0}$ sistemindeki serbest değişken sayısıdır.
Birebir (injective)
Farklı girdileri farklı çıktılara gönderen dönüşüm; doğrusal dönüşümde ancak ve ancak $\ker T=\{\vec{0}\}$ iken.
Örten (surjective)
Görüntüsü bütün değer uzayı olan dönüşüm: $\operatorname{Im}T=W$.
Rank-nullity teoremi
Sonlu boyutlu $V$ için $\dim V=\dim\ker T+\dim\operatorname{Im}T$ eşitliği.
İzomorfizm (isomorphism)
Hem birebir hem örten doğrusal dönüşüm; ters dönüşümü vardır ve $\ker T=\{\vec{0}\}$, $\operatorname{Im}T=W$ olur.

Örnek soru

$T:V\to W$ doğrusal bir dönüşüm olsun. $T$'nin çekirdeği $\ker T$ aşağıdakilerden hangisidir?

  1. $\{T(\vec{v}) : \vec{v}\in V\}$
  2. $\{\vec{v}\in V : T(\vec{v})=\vec{0}_W\}$
  3. $\{\vec{w}\in W : T(\vec{w})=\vec{0}\}$
  4. $\{\vec{v}\in V : T(\vec{v})=\vec{v}\}$
  5. $\{\vec{0}_V\}$

Doğru cevap: B

Çözüm

Cevap: $\{\vec{v}\in V : T(\vec{v})=\vec{0}_W\}$
1. Çekirdek, tanım uzayı $V$'deki vektörlerden, $T$ altında değer uzayının sıfır vektörüne giden hepsinin kümesidir.
2. Bu küme her zaman $\vec{0}_V$'yi içerir ($T(\vec{0})=\vec{0}$), ama genelde onunla sınırlı değildir.
Çeldiriciler: $\{T(\vec{v})\}$ görüntü uzayı $\operatorname{Im}T$'dir. $\vec{w}\in W$ için $T(\vec{w})$ yazmak anlamsızdır, çünkü $T$ yalnızca $V$'de tanımlıdır. $T(\vec{v})=\vec{v}$ koşulu sabit noktaları verir. $\{\vec{0}\}$ yalnızca $T$ birebir olduğunda çekirdeğe eşittir.

Lineer Cebir: tüm konular