MAT1041 · 1. hafta · - Introduction to Systems of Linear Equations
Lineer denklem sistemleri: Gauss ve Gauss-Jordan eleme
Bir lineer sistemi genişletilmiş matrise çevirip satır işlemleriyle REF ve RREF'e indirmeyi, tek çözüm, sonsuz çözüm ve tutarsızlığı ayırt etmeyi, parametreli sistemleri çözmeyi öğrenirsin. Vizenin en büyük bloğu.
linear equationsystem of linear equationsconsistentinconsistentaugmented matrixcoefficient matrixelementary row operationsrow echelon form (REF)reduced row echelon form (RREF)leading 1 (pivot)free variableback-substitutionGaussian eliminationGauss-Jordan eliminationhomogeneous systemtrivial solution
Lineer cebir dersinin ilk haftası, dönemin geri kalanının alet çantasıdır. Ters matris, determinant, rank, null space, özvektör: hepsi sonunda “bir sistemi satır işlemleriyle çöz” adımına iner. Vizede de puanın en büyük bloğu buradan gelir: bir 3×3 sistemi Gauss ile çöz, bir sistemin genel çözümünü Gauss-Jordan ile yaz, “for which k” sorusunu vaka vaka çöz.
Altın kurallar:
Her satır işlemini okun üstüne yaz (R2←R2−2R1). Hem kısmi puan hem hata kontrolü.
Satır işlemi bütün satıra uygulanır, sağ taraf sütunu dahil.
Tek seferde bir sütun: önce pivotun altını sıfırla, sonra sağa geç.
[000∣c] ile c=0 satırı çözüm yok demek. [000∣0] satırı ise zararsız.
Bulduğun çözümü denklemlere geri koy. 20 saniye sürer, puan kurtarır.
Lineer denklem ve sistem
x1,…,xn değişkenlerinde bir lineer denklem (linear equation) şu biçimdedir:
a1x1+a2x2+⋯+anxn=b.
Değişkenler sadece birinci kuvvetten görünür, birbirleriyle çarpılmaz, kök, sinüs, üstel içine girmez. 3x−2y+z=5 lineer; xy=2, x2+y=1, x+y=3 lineer değil.
Birden fazla lineer denklem bir lineer sistem (system of linear equations) oluşturur. Bir çözüm, bütün denklemleri aynı anda sağlayan sayı listesidir. Bir lineer sistemin çözüm kümesi için sadece üç ihtimal vardır:
Durum
Ad
2 değişkende geometri
Tam bir çözüm
consistent, unique
iki doğru tek noktada kesişir
Sonsuz çözüm
consistent, infinitely many
iki doğru çakışık
Çözüm yok
inconsistent
iki doğru paralel
“Tam iki çözüm” diye bir şey yoktur. İki çözüm varsa aralarındaki doğrunun her noktası da çözümdür.
Genişletilmiş matris ve satır işlemleri
Sistemi yazarken değişken isimlerini her satırda tekrarlamak gereksiz. Katsayıları ve sağ tarafı bir tabloya dökeriz. Katsayılar katsayı matrisi (coefficient matrix)A‘yı, sağ taraf eklenince genişletilmiş matris (augmented matrix)[A∣b]‘yi verir:
Bu üç işlemle birbirine dönüşebilen iki matrise satır denk (row equivalent) denir. Satır denk genişletilmiş matrislerin sistemlerinin çözüm kümesi aynıdır. Bütün yöntem buna dayanıyor.
REF ve RREF
Bir matris satır eşelon formunda (row echelon form, REF) ise:
Tamamen sıfır olan satırlar en alttadır.
Sıfır olmayan her satırın ilk sıfırdan farklı elemanı (öncü eleman, pivot) 1’dir.
Her pivot, üstündeki satırın pivotunun sağındadır (merdiven şekli).
Ayrıca her pivot sütununda pivot dışındaki bütün elemanlar 0 ise matris indirgenmiş satır eşelon formundadır (reduced row echelon form, RREF).
Sağdaki matris, soldakinin Gauss-Jordan ile pivot üstleri de sıfırlanmış hali. Bir matrisin birçok REF’i olabilir, ama RREF’i tektir. Bazı kitaplar REF tanımında pivotun 1 olmasını istemez; bu derste (problem kitabıyla uyumlu olarak) pivotu 1 yapıyoruz.
İPUCU · pivot sütunu ve serbest değişken. RREF’te pivot bulunan sütunların değişkenleri öncü değişkenlerdir (leading variables). Pivot olmayan sütunların değişkenleri serbest değişkendir (free variable). Serbest değişkene parametre (t, s) verirsin, öncüleri onlar cinsinden yazarsın.
Gauss eleme: tek çözüm
Gauss eleme (Gaussian elimination): genişletilmiş matrisi REF’e getir, sonra en alttan başlayarak geri yerine koy (back-substitution). Yukarıdaki sistemi çözelim.
Çözüm (x,y,z)=(1,2,2). Kontrol (3. denklem): −1+2+8=9.
Gauss-Jordan: sonsuz çözüm ve parametrik yazım
Gauss-Jordan eleme REF’ten sonra durmaz: pivotların üstünü de sıfırlar ve RREF’e varır. Avantajı: çözümü doğrudan okursun, geri yerine koyma yok. Dört değişkenli şu sisteme bak:
Son satır: (k−1)(k+2)z=k−1. Çarpanlara ayır ve her kökü ayrı incele:
k=1: son satır [000∣0]. z serbest, sonsuz çözüm: z=t, y=1−3t, x=2−y+z=1+4t.
k=−2: son satır [000∣−3]. Çözüm yok.
k=1,−2: tek çözüm.z=k+21, y=1−3z=k+2k−1, x=2−y+z=k+2k+6.
TUZAK · sadeleştirip kökü kaybetmek.(k−1)(k+2)z=k−1 denkleminde iki tarafı hemen k−1‘e bölüp "z=k+21" yazarsan k=1 durumunu kaybedersin. Önce kökleri ayır, sonra böl.
Homojen sistemler
Sağ tarafın tamamı sıfırsa sistem homojendir (homogeneous): Ax=0. Homojen sistem her zaman tutarlıdır, çünkü x=0 (trivial çözüm) hep sağlar. Soru, başka (nontrivial) çözüm olup olmadığıdır.
Serbest değişken varsa sonsuz sayıda nontrivial çözüm var.
Bilinmeyen sayısı denklem sayısından fazlaysa mutlaka serbest değişken vardır.
Homojen sistemde sağ taraf sütunu satır işlemleri boyunca hep 0 kalır; çoğu kişi onu hiç yazmadan sadece A‘yı indirger.
TUZAK · “az denklem, o zaman sonsuz çözüm”. Bu sadece tutarlı sistem için doğru. x+y+z=0, x+y+z=1 sisteminde 2 denklem 3 bilinmeyen var ama çözüm yok. Homojen sistemde ise tutarlılık bedava geldiği için iddia doğru.
Sık yapılan hatalar
Yanlış
Doğrusu
Sağ taraf sütununa satır işlemini uygulamamak
İşlem bütün satıra uygulanır
Eksik değişkenin yerini boş bırakmak
0 yaz, sütunlar kaymasın
[000∣0] satırını “çözüm yok” sanmak
Zararsız; serbest değişken bırakır
Tutarlılığı kontrol etmeden “sonsuz çözüm” demek
Önce [0⋯0∣c=0] satırı var mı bak
REF ile RREF’i karıştırmak
RREF’te pivot üstü de 0 ve pivotlar 1
k−1 gibi bir ifadeye düşünmeden bölmek
Önce k=1 durumunu ayrı incele
Serbest değişkeni yanlış seçmek
Pivotsuz sütunun değişkeni serbesttir
R2←3R2−R1 gibi karışık işlem yazmak
Sistemde sorun yok ama determinantta ×3 yapar; alışkanlık olarak Ri←Ri+cRj kullan
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
Soru 1kolay
Solve the system x+3y=7, 2x−y=0.
Cevabı göster
x=1,y=2
Genişletilmiş matris [123−170].R2←R2−2R1: (0,−7∣−14), yani −7y=−14, y=2. Geri koy: x=7−3(2)=1. Kontrol: 2(1)−2=0.
Soru 2kolay
Is (x,y,z)=(2,−1,1) a solution of the system x+y+z=2, 2x−y+3z=8, x+2y−z=−1?
Cevabı göster
Yes
Üç denkleme de koy: 2−1+1=2, 4+1+3=8, 2−2−1=−1. Üçü de sağlanıyor, yani evet, çözüm. Bir nokta ancak bütün denklemleri sağlıyorsa sistemin çözümüdür.
Soru 3kolay
Which of the following matrices is in reduced row echelon form? (A) 100020210 (B) 100300001 (C) 100400010−230 (D) 100210131
Cevabı göster
(C)
(A) 2. satırın öncü elemanı 2, 1 değil. (B) sıfır satır en altta değil. (D) REF ama RREF değil: pivot sütunlarında pivotun üstü sıfır değil. (C) öncü 1'ler sütun 1 ve 3'te, bu sütunlarda başka her yer 0, sıfır satır en altta. RREF. Sütun 2'deki 4 sorun değil: sütun 2 pivot sütunu değil (serbest değişken sütunu).
Soru 4orta
Solve by Gaussian elimination with back-substitution: x−y+2z=8, 2x+y−z=3, 3x+2y+z=9.
Cevabı göster
(3,−1,2)
R2←R2−2R1: (0,3,−5∣−13). R3←R3−3R1: (0,5,−5∣−15). Kesirden kaçmak için R3←51R3: (0,1,−1∣−3), sonra R2↔R3.R3←R3−3R2: (0,0,−2∣−4), yani z=2. Geri koy: y−z=−3⇒y=−1. x=8+y−2z=8−1−4=3. Kontrol (3. denklem): 9−2+2=9.
Soru 5orta
Use Gauss-Jordan elimination to find the general solution of x−2y+z=1, 2x−3y+4z=5, x−y+3z=4.
How many solutions does the system x+2y+z=3, 2x+3y+4z=5, 3x+5y+5z=9 have?
Cevabı göster
No solution (inconsistent)
R2←R2−2R1: (0,−1,2∣−1). R3←R3−3R1: (0,−1,2∣0).R3←R3−R2: (0,0,0∣1), yani 0=1. Sistem tutarsız. Sezgi: 3. denklemin sol tarafı ilk ikisinin toplamı, ama sağ taraf 3+5=8=9.
Soru 7orta
Consider the homogeneous system x1+x2+2x3−x4=0, 2x1+3x2+3x3+x4=0, x1+2x2+x3+2x4=0. How many free variables does the general solution have?
For which value of k is the system x+y+z=1, x+ky+z=1, x+y+kz=2 inconsistent? For the other values, find the unique solution.
Cevabı göster
k=1; otherwise x=k−1k−2,y=0,z=k−11
R2←R2−R1: (0,k−1,0∣0). R3←R3−R1: (0,0,k−1∣1).k=1: son satır (0,0,0∣1), yani 0=1. Tutarsız.k=1: (k−1)y=0⇒y=0, (k−1)z=1⇒z=k−11, x=1−y−z=k−1k−2. Bu sistemde sonsuz çözüm durumu hiç yok. k içeren ifadeye (k−1) ancak sıfır olmadığını varsaydıktan sonra böldük.
Soru 9zor
For which b1,b2,b3 is the system x+2y−z=b1, 2x+5y+z=b2, x+3y+2z=b3 consistent?
Cevabı göster
b3=b2−b1
R2←R2−2R1: (0,1,3∣b2−2b1). R3←R3−R1: (0,1,3∣b3−b1).R3←R3−R2: (0,0,0∣b3−b2+b1). Sol taraf tamamen sıfır, o yüzden sağ taraf da sıfır olmalı: b1−b2+b3=0, yani b3=b2−b1. Örnek: (1,3,2) tutarlı, (1,1,1) tutarsız.
Soru 10zor
Find the parabola y=ax2+bx+c that passes through (1,2), (2,3) and (3,6).
Cevabı göster
y=x2−2x+3
Her nokta bir denklem verir: a+b+c=2, 4a+2b+c=3, 9a+3b+c=6.R2−R1: 3a+b=1. R3−R2: 5a+b=3. Farkları: 2a=2, a=1, b=−2, c=2−1+2=3. Kontrol: x=3: 9−6+3=6.
Soru 11orta
True or false: A homogeneous system with more unknowns than equations always has a nontrivial solution.
Cevabı göster
True
Homojen sistem her zaman tutarlıdır (x=0 çözüm). Pivot sayısı en fazla denklem sayısı m kadar olur. Bilinmeyen sayısı n>m ise en az n−m≥1 serbest değişken kalır. Serbest değişkene sıfırdan farklı değer verince nontrivial çözüm çıkar.
Soru 12orta
For which values of a and b does the system x+2y=4, 3x+ay=b have infinitely many solutions?
Cevabı göster
a=6,b=12
R2←R2−3R1: (0,a−6∣b−12). Sonsuz çözüm için son satır 0=0 olmalı: a−6=0 ve b−12=0.a=6, b=12: tutarsız. a=6: tek çözüm.
Doğrulama: Bütün satır işlemleri ve ara matrisler node'da BigInt kesirlerle birebir uygulandı; çözümler tam (exact) RREF ile bulunup denklemlere geri konarak kontrol edildi, parametreli sorularda birçok k değeri için çözüm tipi ayrı ayrı test edildi (verify/MAT1041/01.mjs).
Deftere not kartı
Sistem → [A | b] genişletilmiş matris. Eksik değişken = 0 katsayı.
3 satır işlemi: Ri ↔ Rj, Ri ← cRi (c≠0), Ri ← Ri + cRj. Çözüm kümesi DEĞİŞMEZ.
REF: sıfır satırlar altta, her öncü eleman bir öncekinin sağında, pivot altı 0.
RREF: + öncü elemanlar 1 + pivot sütununda başka her yer 0. RREF tektir.
Gauss: REF + geri yerine koyma. Gauss-Jordan: RREF, çözümü direkt oku.
[0 0 0 | c], c≠0 → ÇÖZÜM YOK. [0 0 0 | 0] → zararsız, sil.
Tutarlıysa: serbest değişken = değişken sayısı - pivot sayısı.
0 serbest → tek çözüm; ≥1 serbest → sonsuz çözüm (serbest = t, s ...)
Parametre k: k'ya ASLA bölme. Son satır [0 0 f(k) | g(k)]:
f≠0 tek, f=0 ve g≠0 yok, f=0 ve g=0 sonsuz.
Homojen Ax=0: hep tutarlı; bilinmeyen > denklem → nontrivial çözüm var.
Pivotu 1 yap: satır değiştir ya da böl; kesirden kaç.
Kontrol: bulduğun çözümü ilk denklemlere geri koy.