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

Gauss ve Gauss-Jordan Yok Etme Yöntemleri

Doğrusal denklem sistemleri mühendislikte, ekonomide ve bilgisayar grafiklerinde her yerde karşımıza çıkar; yüzlerce bilinmeyenli sistemleri el ya da bilgisayarla çözmenin tek sistematik yolu satır indirgemedir. Bu konuda üç temel satır işlemini, basamak form (echelon form) ile indirgenmiş basamak formu (reduced echelon form), pivot konumlarını, Gauss yok etme (Gaussian elimination) ve Gauss–Jordan algoritmalarını, geri yerine koyma (back-substitution) ile serbest değişkenli parametrik çözümü Lay ve Strang düzeyinde geliştireceğiz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Büyük Sistemleri Sistematik Çözmek

  2. Genişletilmiş Matris ve Üç Temel Satır İşlemi

  3. Basamak Form, İndirgenmiş Basamak Form ve Pivotlar

  4. Gauss Yok Etme ve Gauss–Jordan Algoritması

  5. Çözüm Kümesinin Okunması: Serbest Değişkenler ve Parametrik Çözüm

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Geometrik Yorum ve Simülasyonda Deneyler

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  9. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Genişletilmiş matris (augmented matrix)
Katsayı matrisi ile sağ taraf sütununun yan yana yazıldığı $[A\,|\,\mathbf{b}]$ matrisi; doğrusal sistemin tüm bilgisini taşır.
Temel satır işlemi (elementary row operation)
Satır değiştirme, bir satırı sıfırdan farklı bir sayıyla çarpma ve bir satıra başka bir satırın katını ekleme işlemlerinden biri; çözüm kümesini değiştirmez ve tersi de temel işlemdir.
Basamak form (row echelon form, REF)
Sıfır satırları altta, her öncü girişi bir üst satırınkinin sağında olan matris biçimi; tek değildir.
İndirgenmiş basamak form (RREF)
Basamak formda öncü girişlerin $1$ ve bu girişlerin sütunundaki diğer tüm girişlerin $0$ olduğu biçim; her matris için tektir.
Pivot konumu / pivot sütunu (pivot position/column)
RREF'teki öncü $1$'lerin bulunduğu konumlar ve bunları içeren sütunlar; pivot sayısı rankı verir.
Serbest değişken (free variable)
Pivotsuz bir sütuna karşılık gelen bilinmeyen; istenen değeri alabilir ve diğer değişkenleri (temel değişkenleri) belirler.
Gauss yok etme (Gaussian elimination)
Satır işlemleriyle matrisi basamak forma getiren ileri aşama; çözüm geri yerine koyma ile bulunur.
Gauss–Jordan yok etme
İleri aşamaya ek olarak pivotları $1$ yapıp üstlerini de sıfırlayan geri aşamayı içeren, matrisi RREF'e getiren yöntem.
Geri yerine koyma (back-substitution)
Basamak formun son denkleminden başlayıp temel değişkenleri sırayla çözerek yukarı çıkma işlemi.
Parametrik çözüm (parametric solution)
Sonsuz çözümlü sistemde temel değişkenlerin serbest değişkenler (parametreler) cinsinden yazıldığı genel çözüm; özel çözüm + doğrultu vektörleri biçimindedir.
Tutarsız sistem (inconsistent system)
Çözümü olmayan sistem; basamak formda $[0\ \cdots\ 0\,|\,b]$, $b\neq0$ satırı bulunur.

Örnek soru

Aşağıdakilerden hangisi bir temel satır işlemi değildir?

  1. İki satırın yerini değiştirmek
  2. Bir satırı sıfırdan farklı bir sayıyla çarpmak
  3. Bir satırın bütün girişlerini $0$ ile çarpmak
  4. Bir satıra başka bir satırın bir katını eklemek
  5. Bir satıra başka bir satırı olduğu gibi eklemek

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: Bir satırın bütün girişlerini $0$ ile çarpmak
1. Üç temel işlem: satır değiştirme, sıfırdan farklı bir sayıyla ölçekleme ve $S_i \leftarrow S_i + c\,S_j$ ($i\neq j$) satır toplama.
2. Her temel işlemin tersi yine bir temel işlemdir; bu yüzden çözüm kümesi korunur.
3. Satırı $0$ ile çarpmak denklemi $0=0$ yapar. İşlem tersinmezdir (eski satır geri getirilemez), bilgi kaybolur ve çözüm kümesi büyüyebilir.
Son seçenek $c=1$ için satır toplamanın özel hâlidir; bu yüzden geçerlidir.

Lineer Cebir: tüm konular