MAT1041 · 10. hafta · - Introduction to Linear Transformations
Lineer dönüşümlere giriş
Bir fonksiyonun lineer dönüşüm olup olmadığını iki koşulla test etmeyi, matris dönüşümlerini, düzlemdeki izdüşüm, yansıma ve dönmeyi, türev ve iz gibi soyut örnekleri ve bir lineer dönüşümü bir bazın görüntülerinden hesaplamayı öğrenirsin.
linear transformationmappingdomaincodomainimagepreimageadditivityhomogeneitymatrix transformationzero transformationidentity transformationprojectionreflectionrotationdifferential operator
Şimdiye kadar vektör uzaylarını tek tek inceledik. Bu hafta uzaylar arasındaki fonksiyonlara geçiyoruz. Her fonksiyon ilginç değil: lineer cebirin ilgilendiği fonksiyonlar, toplamayı ve skalerle çarpmayı koruyan fonksiyonlardır. Bunlara lineer dönüşüm denir ve şaşırtıcı bir gerçekle karşılaşacağız: Rn‘den Rm‘ye her lineer dönüşüm aslında bir matrisle çarpmadır. Kalan haftaların (çekirdek, görüntü, dönüşüm matrisi, özdeğer) hepsi bu fikrin devamı.
Altın kurallar:
İlk test: T(0)=0 mı? Değilse lineer değil, bitti.
T(0)=0 çıktıysa yetmez: iki koşulu genel olarak ispatla ya da karşı örnek bul.
T(x)=Ax biçiminde yazabiliyorsan lineerdir.
Bir bazın görüntüleri verildiyse önce vektörü o bazda yaz, sonra lineerliği kullan.
Tanım
V ve W vektör uzayları olsun. T:V→W fonksiyonu, her u,v∈V ve her c∈R için
T(u+v)=T(u)+T(v) (toplamayı korur),
T(cu)=cT(u) (skalerle çarpmayı korur)
sağlıyorsa bir lineer dönüşümdür (linear transformation). V tanım kümesi (domain), W değer kümesi (codomain). T(v), v‘nin görüntüsü (image); T(v)=w olan bütün v‘ler w‘nin ön görüntüsü (preimage).
İki koşul tek satırda: T(au+bv)=aT(u)+bT(v). Lineer dönüşüm lineer kombinasyonları lineer kombinasyonlara götürür.
Hemen çıkan özellikler
T(0)=0 (c=0 al).
T(−v)=−T(v), T(u−v)=T(u)−T(v).
T(c1v1+⋯+cnvn)=c1T(v1)+⋯+cnT(vn).
İlki en kullanışlı eleme testi: T(0)=0 ise dönüşüm lineer değildir.
Örnek 2 (hayır). Öteleme T(x,y)=(x+2,y): T(0,0)=(2,0). Düzlemde her şeyi sağa kaydırmak geometrik olarak “düzgün” görünse de lineer değil.
Dönüşüm
Lineer mi?
Gerekçe
(x,y)↦(3x,x−y)
evet
sabit katsayılı kombinasyonlar
(x,y)↦(x+1,y)
hayır
T(0)=0
(x,y)↦(x2,y)
hayır
T(2e1)=(4,0)=2T(e1)
(x,y)↦(xy,x)
hayır
çarpım; Q4
(x,y)↦(∣x∣,y)
hayır
T(−e1)=(1,0)=−T(e1)
p↦p′ (Pn→Pn−1)
evet
türev kuralları
A↦AT
evet
(A+B)T=AT+BT
A↦trA
evet
iz toplamaya ve skalere uyar
A↦detA
hayır
det(2I)=4=2
TUZAK · “T(0) = 0, demek ki lineer”. Bu sadece gerekli bir koşul. (x,y)↦(xy,x) sıfırı sıfıra götürür ama lineer değildir. Karşı örneği iki koşuldan birinde ara.
Matris dönüşümleri
A bir m×n matris ise
T(x)=Ax
Rn‘den Rm‘ye bir lineer dönüşümdür, çünkü A(u+v)=Au+Av ve A(cu)=cAu. Boyutlara dikkat: girdi uzayı A‘nın sütun sayısıyla belirlenir.
Ön görüntü bulmak bir sistem çözmektir: Ax=w. Çözüm yoksa w‘nin ön görüntüsü boş; sonsuz çözüm varsa ön görüntü bir doğru ya da düzlem.
Düzlemde geometrik dönüşümler
Dönüşüm
Matris
(3,5)‘in görüntüsü
x-eksenine izdüşüm (projection)
[1000]
(3,0)
y=x doğrusuna göre yansıma (reflection)
[0110]
(5,3)
x-eksenine göre yansıma
[100−1]
(3,−5)
θ kadar dönme (rotation)
[cosθsinθ−sinθcosθ]
k katı büyütme (dilation)
kI
(3k,5k)
Bir baz yetiyor
Lineer dönüşümün en güçlü özelliği: bir bazın görüntülerini bilmek, her şeyi bilmektir.{v1,…,vn}V‘nin bazıysa her v tek şekilde c1v1+⋯+cnvn yazılır ve
T(v)=c1T(v1)+⋯+cnT(vn).
Örnek 4 (standart baz).T:R3→R2, T(e1)=(1,2), T(e2)=(0,−1), T(e3)=(4,1).
Is T(x,y)=(xy,x) a linear transformation from R2 to R2?
Cevabı göster
No
T(0,0)=(0,0), bu test geçiliyor ama yetmez.T(2(1,1))=T(2,2)=(4,2), ama 2T(1,1)=2(1,1)=(2,2). Skalerle çarpma korunmuyor. Değişkenler çarpılıyorsa lineer değil.
Soru 5orta
Let T(v)=Av with A=[1−10321]. Find T(1,2,−1). What are the domain and codomain of T?
Cevabı göster
(−1,4); T:R3→R2
A2×3: girdi 3 bileşenli, çıktı 2 bileşenli. T:R3→R2.A(1,2,−1)T=(1+0−2,−1+6−1)=(−1,4).
Soru 6orta
Let T(x,y)=(x+y,x−y). Find the preimage of w=(5,1).
Cevabı göster
(3,2)
Ön görüntü: T(v)=w olan bütün v. x+y=5, x−y=1. Topla: 2x=6, x=3, y=2. Ön görüntü tek nokta: {(3,2)}.
Soru 7orta
T:R2→R2 is linear with T(1,0)=(2,3) and T(0,1)=(−1,4). Find T(3,−2).
T:R2→R2 is linear with T(1,2)=(3,−1) and T(2,5)=(1,1). Find a formula for T(x,y).
Cevabı göster
T(x,y)=(13x−5y,−7x+3y)
(x,y)=a(1,2)+b(2,5): a+2b=x, 2a+5b=y. R2−2R1: b=y−2x, sonra a=x−2b=5x−2y.T(x,y)=(5x−2y)(3,−1)+(y−2x)(1,1)=(13x−5y,−7x+3y). Kontrol: T(1,2)=(13−10,−7+6)=(3,−1).
Doğrulama: Lineer olan dönüşümler node'da 200 rastgele tamsayılı vektör çifti ve skalerle T(u+v) = T(u)+T(v), T(cu) = cT(u) eşitlikleri BigInt kesirlerle kontrol edilerek, lineer olmayanlar somut karşı örnek hesaplanarak test edildi; görüntü ve ön görüntüler tam matris çarpımı ve tam çözümle bulundu (verify/MAT1041/10.mjs).
Deftere not kartı
T: V → W lineer ⇔ (1) T(u+v) = T(u) + T(v) (2) T(cu) = cT(u)
tek satırda: T(au + bv) = aT(u) + bT(v)
Hızlı ELEME: T(0) ≠ 0 → lineer DEĞİL. (T(0) = 0 tek başına yetmez!)
Değil işaretleri: sabit terim (x+1), çarpım (xy), kare, |x|, sin, det.
Evet işaretleri: her bileşen değişkenlerin sabit katlarının toplamı → T(x) = Ax.
T(x) = Ax, A m×n → T: Rⁿ → Rᵐ (girdi = SÜTUN sayısı).
Görüntü T(v); ön görüntü: T(v) = w sistemini çöz (yok / tek / sonsuz).
T, bir bazın görüntüleriyle TAMAMEN belirlenir:
v = c1v1 + ... + cnvn → T(v) = c1T(v1) + ... + cnT(vn)
Düzlem: dönme θ [cos -sin; sin cos], x-eksenine izdüşüm [1 0; 0 0],
y=x'e göre yansıma [0 1; 1 0], x-eksenine göre yansıma [1 0; 0 -1].
Soyut: türev, integral, transpoz, iz LİNEER; det LİNEER DEĞİL.
T(-v) = -T(v), T(u - v) = T(u) - T(v).