Bir kümenin baz olup olmadığını test etmeyi, denklemlerle verilen bir altuzayın bazını ve boyutunu bulmayı, bir kümeden baz ayıklamayı ve bir vektörün bir baza göre koordinatlarını hesaplamayı öğrenirsin.
basisstandard basisdimensionfinite-dimensionalcoordinate vectorcoordinates relative to a basispivot columnssolution spaceunique representation
Geçen hafta iki soru sorduk: “Bu vektörler uzayı gerer mi?” ve “Gereksiz vektör var mı?”. İkisine de “evet gerer, hayır gereksiz yok” diyen bir kümeye baz denir. Baz, bir uzayın koordinat sistemidir: her vektör bazın elemanlarıyla tek bir şekilde yazılır. Bazdaki eleman sayısı ise uzayın boyutudur. Bu iki kavram, rank (hafta 9) ve lineer dönüşümlerin matrisleri (hafta 12) için zemin.
Altın kurallar:
Baz = bağımsız + gerer.
Boyutu biliyorsan işin yarısı biter: n boyutlu uzayda n bağımsız vektör otomatik olarak gerer.
Denklemle verilen altuzayın bazı: denklemleri çöz, serbest değişkenlere göre ayır.
Kümeden baz seçerken pivot sütunlara karşılık gelen orijinal vektörleri al.
Baz
V bir vektör uzayı, B={v1,…,vn}⊆V olsun. B hem
lineer bağımsız, hem de
V‘yi geriyor
ise V‘nin bir bazıdır (basis).
Neden önemli? Tek temsil.B bir bazsa her v∈V için v=c1v1+⋯+cnvn yazılışı tektir. İki farklı yazılış olsaydı, farkları sıfırın trivial olmayan bir kombinasyonu olurdu ve bağımsızlık bozulurdu.
Standart bazlar
Uzay
Standart baz
Boyut
Rn
e1=(1,0,…,0),…,en
n
Pn
{1,x,x2,…,xn}
n+1
M2,2
[1000],[0010],[0100],[0001]
4
Mm,n
tek bir 1, gerisi 0 olan matrisler
mn
{0}
boş küme
0
Bir uzayın sonsuz sayıda bazı vardır. Standart baz sadece en kolay olanı.
Boyut
Teorem.V‘nin bir bazı n elemanlıysa, V‘nin her bazı n elemanlıdır. Bu ortak sayıya V‘nin boyutu (dimension) denir: dimV=n.
Arkasındaki fikir: n vektörle gerilen bir uzayda n‘den fazla vektör her zaman bağımlıdır. Sonuçlar (dimV=n):
Elindeki küme
Sonuç
n‘den fazla vektör
bağımlı, baz değil
n‘den az vektör
V‘yi germez, baz değil
tam n vektör, bağımsız
baz (germeyi kontrol etmeye gerek yok)
tam n vektör, V‘yi geriyor
baz (bağımsızlığı kontrol etmeye gerek yok)
Rn‘de n vektör için tek test: sütun matrisinin determinantı.
Örnek 1.B={(1,2,0),(0,1,1),(1,0,2)}, R3 için baz mı?
det120011102=1(2−0)−0+1(2−0)=4=0.
Evet, baz.
Koordinat vektörü
B={v1,…,vn} bir baz ve v=c1v1+⋯+cnvn ise v‘nin B‘ye göre koordinat vektörü
[v]B=(c1,…,cn).
Sıra önemli: baz sıralı bir kümedir. Bulmak için sistemi çöz. Örnek 1’deki B ve v=(3,5,3):
Standart bazda koordinatlar bileşenlerin kendisidir: P2‘de 4−x+3x2‘nin {1,x,x2}‘ye göre koordinatı (4,−1,3). 12. haftada iki baz arasındaki koordinat değişimini (transition matrix) göreceğiz.
Bir altuzayın bazını bulmak
Denklemlerle verilmiş altuzay.W={(x,y,z,w):x+y−2z+w=0}, R4‘te.
x = -y + 2z - w; y = r, z = s, w = t serbest(x,y,z,w) = r(-1,1,0,0) + s(2,0,1,0) + t(-1,0,0,1)
Baz {(−1,1,0,0),(2,0,1,0),(−1,0,0,1)}, dimW=3. Bu yöntemle çıkan vektörler otomatik bağımsızdır: her biri, diğerlerinin 0 olduğu bir serbest konumda 1 taşır.
Genel kural: W={x:Ax=0} ise dimW = serbest değişken sayısı = değişken sayısı − pivot sayısı.
Matris ve polinomlarda aynı yol: koşulu katsayılarla yaz, çöz, serbest katsayılara göre ayır (Q6, Q7).
TUZAK · boyutu denklem sayısıyla karıştırmak.dimW=n−(denklem sayısı) sadece denklemler bağımsızsa doğru. Q12’de 3 denklem var ama biri diğer ikisinin toplamı; boyut 4−2=2, 4−3=1 değil. Her zaman REF’e indirip pivotları say.
Bir kümeden baz ayıklamak
S={v1,…,vk} verildi; spanS için S‘nin elemanlarından bir baz istendi.
Vektörleri sütun yap.
REF’e indir, pivot sütunları belirle.
Pivot sütunlara karşılık gelen orijinal vektörler baz; sayıları dimspanS.
n boyutlu uzayda n vektör için hem germe hem bağımsızlık ispatı yazmak
Biri yeter
REF’in sütunlarını baz olarak yazmak
Orijinal vektörler
Boyutu denklem sayısından çıkarmak
Pivot say: bağımlı denklem olabilir
Koordinat vektöründe baz sırasını karıştırmak
[v]B bazın verildiği sırayla
{0}‘ın bazını {0} yazmak
Boş küme; 0 içeren küme bağımlı
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
Soru 1kolay
What are dimM2,3 and dimP3?
Cevabı göster
6 and 4
M2,3: her konumda 1, diğerleri 0 olan 6 matris standart baz. dim=2⋅3=6.P3: standart baz {1,x,x2,x3}, 4 eleman. Tuzak: derece 3 ama boyut 3+1=4.
Soru 2kolay
Is {(1,2),(2,4)} a basis for R2?
Cevabı göster
No
(2,4)=2(1,2): bağımlı. det[1224]=0. İki vektör de tek bir doğru üzerinde, R2'yi germiyorlar.
Soru 3orta
Is {(1,0,1),(2,1,0),(1,1,2)} a basis for R3?
Cevabı göster
Yes
3 vektör, dimR3=3: bağımsızlık (ya da germe) tek başına yeter. Sütun matrisi 101210112, 1. sütundan: 1(2−0)−0+1(2−1)=3=0.
Soru 4orta
Find a basis and the dimension of W={(x,y,z):x−3y+2z=0}.
Cevabı göster
Basis {(3,1,0),(−2,0,1)}, dimW=2
x=3y−2z, y=s, z=t serbest: (3s−2t,s,t)=s(3,1,0)+t(−2,0,1). İki vektör gerer ve bağımsız (2. ve 3. bileşenlere bak). Bir denklem, 3 değişken: dim=3−1=2.
Soru 5orta
Find a basis and the dimension of W={(a,b,c,d):a+b=0,c−2d=0} in R4.
Cevabı göster
Basis {(−1,1,0,0),(0,0,2,1)}, dimW=2
a=−b, c=2d. b=s, d=t: (−s,s,2t,t)=s(−1,1,0,0)+t(0,0,2,1). İki bağımsız denklem, 4 değişken: dim=4−2=2.
Soru 6orta
What is the dimension of the subspace of 3×3 symmetric matrices?
Cevabı göster
6
Simetrik matris köşegen (3 eleman) ve köşegen üstü (3 eleman) ile tamamen belirlenir; alttakiler ayna. Her serbest konum için bir baz matrisi: 3+3=6. Genel: 2n(n+1).
Soru 7orta
Find a basis and the dimension of W={p∈P2:p(1)=0}.
Cevabı göster
Basis {x−1,x2−1}, dimW=2
p=a+bx+cx2, p(1)=a+b+c=0⇒a=−b−c.p=−b−c+bx+cx2=b(x−1)+c(x2−1). İki polinom bağımsız (dereceleri farklı).dimP2=3, bir koşul: 3−1=2.
Soru 8orta
Find the coordinate vector of v=(5,3) relative to the basis B={(1,1),(1,−1)}.
Doğrulama: Baz testleri node'da BigInt kesirlerle determinant ve rank ile, altuzay bazları tam RREF'ten null space olarak, koordinat vektörleri tam çözümle bulundu; pivot sütunlar RREF'ten okundu ve parametreli baz sorusunda det = k² − 1 birçok k değerinde kontrol edildi (verify/MAT1041/08.mjs).
Deftere not kartı
BAZ: hem lineer bağımsız hem V'yi gerer.
Her v, baz vektörlerinin TEK bir kombinasyonu → koordinatlar.
Bütün bazlar aynı sayıda eleman içerir → dim V.
dim Rⁿ = n, dim P_n = n+1, dim M_mn = mn, dim {0} = 0.
dim simetrik n×n = n(n+1)/2.
dim V = n iken: n bağımsız vektör → baz; n vektör geriyor → baz (biri yeter).
n'den fazla → bağımlı; n'den az → germez.
Rⁿ'de n vektör baz ⇔ det ≠ 0.
Altuzay bazı (denklemlerle verilmiş): çöz, serbest değişkenlere s,t ver, vektörleri ayır.
dim = değişken sayısı - bağımsız denklem sayısı = serbest değişken sayısı.
Kümeden baz ayıkla: sütun yap, REF, PİVOT sütunlarının ORİJİNAL vektörleri.
[v]_B: c1b1 + ... + cnbn = v sistemini çöz.
W ⊆ V → dim W ≤ dim V; eşitse W = V.