MAT1041 · 11. hafta · - The Kernel and Range of a Linear Transformation

Lineer dönüşümün çekirdeği (kernel) ve görüntüsü (range)

Bir lineer dönüşümün çekirdeğini ve görüntüsünü bulmayı, bunların baz ve boyutlarını (nullity, rank) hesaplamayı, boyut teoremini ve dönüşümün birebir (one-to-one), örten (onto) ya da izomorfizm olup olmadığını test etmeyi öğrenirsin.

kernelrange (image)rank of a transformationnullity of a transformationdimension theorem (rank-nullity)one-to-one (injective)onto (surjective)isomorphismisomorphic spaces

Geçen hafta bir lineer dönüşümün ne yaptığına baktık. Bu hafta iki soruyu soruyoruz: Neyi kaybediyor? ve Nereye ulaşabiliyor? Birincinin cevabı çekirdek (sıfıra giden her şey), ikincisinin cevabı görüntü (bütün çıktılar). Matris dönüşümlerinde bunlar 9. haftanın null space’i ve sütun uzayıdır; yani hesap tamamen tanıdık. Yeni olan dil: birebir, örten, izomorfizm ve bunları tek bir sayı denklemiyle bağlayan boyut teoremi.

Altın kurallar:

  1. Çekirdek tanım kümesinde, görüntü değer kümesinde yaşar.
  2. Matris dönüşümünde: çekirdek = null space, görüntü = sütun uzayı. Tek RREF ikisini de verir.
  3. Boyut teoremi: rank + nullity = tanım kümesinin boyutu.
  4. Birebir   ⟺  \iff çekirdek {0}\{\mathbf{0}\}. Örten   ⟺  \iff rank = değer kümesinin boyutu.

Tanımlar

T:V→WT : V \to W lineer olsun.

  • Çekirdek (kernel): ker⁡T={v∈V:T(v)=0}\ker T = \{\mathbf{v} \in V : T(\mathbf{v}) = \mathbf{0}\}.
  • Görüntü (range): range⁡T={T(v):v∈V}\operatorname{range}T = \{T(\mathbf{v}) : \mathbf{v} \in V\}.

İkisi de altuzaydır. Çekirdek için: T(0)=0T(\mathbf{0}) = \mathbf{0}; T(u)=T(v)=0T(\mathbf{u}) = T(\mathbf{v}) = \mathbf{0} ise T(u+v)=0T(\mathbf{u} + \mathbf{v}) = \mathbf{0} ve T(cu)=0T(c\mathbf{u}) = \mathbf{0}. Görüntü için: iki görüntünün toplamı T(u)+T(v)=T(u+v)T(\mathbf{u}) + T(\mathbf{v}) = T(\mathbf{u} + \mathbf{v}) yine bir görüntü.

Boyutlarına özel isimler verilir: nullity⁡T=dim⁡ker⁡T\operatorname{nullity}T = \dim\ker T, rank⁡T=dim⁡range⁡T\operatorname{rank}T = \dim\operatorname{range}T.

Matris dönüşümünde hesap

Örnek. T:R4→R3T : \mathbb{R}^4 \to \mathbb{R}^3, T(x)=AxT(\mathbf{x}) = A\mathbf{x}, A=[120−124110013]A = \begin{bmatrix} 1 & 2 & 0 & -1 \\ 2 & 4 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 3 \end{bmatrix}.

A→R2←R2−2R1[120−100130013]→R3←R3−R2[120−100130000]A \xrightarrow{R_2 \leftarrow R_2 - 2R_1} \begin{bmatrix} 1 & 2 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 1 & 3 \end{bmatrix} \xrightarrow{R_3 \leftarrow R_3 - R_2} \begin{bmatrix} 1 & 2 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}

Bu zaten RREF (pivotlar 1. ve 3. sütunda, pivot üstleri 0).

Çekirdek. x1+2x2−x4=0x_1 + 2x_2 - x_4 = 0, x3+3x4=0x_3 + 3x_4 = 0. x2=sx_2 = s, x4=tx_4 = t:

x=s(−2,1,0,0)+t(1,0,−3,1),ker⁡T bazı: {(−2,1,0,0), (1,0,−3,1)},nullity⁡T=2.\mathbf{x} = s(-2, 1, 0, 0) + t(1, 0, -3, 1), \qquad \ker T \text{ bazı: } \{(-2, 1, 0, 0),\ (1, 0, -3, 1)\}, \quad \operatorname{nullity}T = 2.

Görüntü. Pivot sütunlarının orijinalleri:

range⁡T bazı: {(1,2,0), (0,1,1)},rank⁡T=2.\operatorname{range}T \text{ bazı: } \{(1, 2, 0),\ (0, 1, 1)\}, \qquad \operatorname{rank}T = 2.

Görüntü R3\mathbb{R}^3‘te bir düzlem. Denklemi: [A∣b][A \mid \mathbf{b}]‘yi aynı işlemlerle indirince son satırın sağında b3−b2+2b1b_3 - b_2 + 2b_1 kalır, yani görüntü b3=b2−2b1b_3 = b_2 - 2b_1. Örneğin (1,3,1)=T(…)(1, 3, 1) = T(\ldots) ama (1,0,0)(1, 0, 0) görüntüde değil.

Kontrol: 2+2=4=dim⁡R42 + 2 = 4 = \dim\mathbb{R}^4.

Boyut teoremi

VV sonlu boyutlu, T:V→WT : V \to W lineer ise

rank⁡T+nullity⁡T=dim⁡V.\operatorname{rank}T + \operatorname{nullity}T = \dim V.

Sezgi: tanım kümesinin her boyutu ya çekirdekte “ezilir” ya da görüntüde “yaşar”. Matrisler için bu, 9. haftadaki rank-nullity teoreminin aynısı (nn = sütun sayısı = dim⁡V\dim V).

Sınavda sıkça sadece sayılar verilir (Q4, Q5): bir boyut verildiyse diğeri teoremden çıkar.

Birebir, örten, izomorfizm

KavramTanımTest
Birebir (one-to-one)T(u)=T(v)⇒u=vT(\mathbf{u}) = T(\mathbf{v}) \Rightarrow \mathbf{u} = \mathbf{v}ker⁡T={0}\ker T = \{\mathbf{0}\}, nullity 0
Örten (onto)her w∈W\mathbf{w} \in W bir görüntürank⁡T=dim⁡W\operatorname{rank}T = \dim W
İzomorfizm (isomorphism)birebir ve örtenikisi birden

Neden birebir   ⟺  \iff çekirdek sıfır? T(u)=T(v)  ⟺  T(u−v)=0  ⟺  u−v∈ker⁡TT(\mathbf{u}) = T(\mathbf{v}) \iff T(\mathbf{u} - \mathbf{v}) = \mathbf{0} \iff \mathbf{u} - \mathbf{v} \in \ker T. Çekirdekte sadece 0\mathbf{0} varsa u=v\mathbf{u} = \mathbf{v}.

Matris dönüşümü T(x)=AxT(\mathbf{x}) = A\mathbf{x}, AA m×nm \times n için:

Koşul
Birebirrank⁡A=n\operatorname{rank}A = n (her sütunda pivot, sütunlar bağımsız)
Örtenrank⁡A=m\operatorname{rank}A = m (her satırda pivot, sütunlar Rm\mathbb{R}^m‘i gerer)
İzomorfizmm=nm = n ve det⁡A≠0\det A \neq 0

Örnekte rank 2: n=4≠2n = 4 \neq 2, birebir değil; m=3≠2m = 3 \neq 2, örten değil.

İPUCU · boyutlar eşitse tek test yeter. dim⁡V=dim⁡W=n\dim V = \dim W = n ise boyut teoremi şunu söyler: nullity 0   ⟺  \iff rank nn. Yani birebir   ⟺  \iff örten. Kare matriste tek bir determinant hesabı ikisine de cevap verir (Q7).

Boyut engelleri

  • dim⁡V<dim⁡W\dim V < \dim W: rank ≤dim⁡V<dim⁡W\le \dim V < \dim W, örten olamaz (R3→R4\mathbb{R}^3 \to \mathbb{R}^4).
  • dim⁡V>dim⁡W\dim V > \dim W: nullity ≥dim⁡V−dim⁡W>0\ge \dim V - \dim W > 0, birebir olamaz (R4→R3\mathbb{R}^4 \to \mathbb{R}^3).

İzomorfik uzaylar

VV‘den WW‘ye bir izomorfizm varsa VV ile WW izomorfiktir: aynı yapı, farklı kıyafet. Teorem: sonlu boyutlu iki uzay izomorfiktir   ⟺  \iff boyutları eşittir. Bu yüzden P3P_3, M2,2M_{2,2} ve R4\mathbb{R}^4 “aynı” uzaydır; polinom ve matris sorularını katsayı vektörlerine çevirip çözmemiz bu yüzden meşru.

Soyut uzaylarda çekirdek ve görüntü

Yöntem: koşulu katsayılarla yaz, denklemi çöz.

  • D:P3→P2D : P_3 \to P_2 türev: çekirdek sabitler (nullity 1), rank 4−1=34 - 1 = 3, örten.
  • T:M2,2→RT : M_{2,2} \to \mathbb{R}, T(A)=tr⁡AT(A) = \operatorname{tr}A: çekirdek izi sıfır matrisler (boyut 3), rank 1, örten.
  • T(A)=A−ATT(A) = A - A^T: çekirdek simetrik matrisler (boyut 3), görüntü ters simetrikler (boyut 1). Q8.

Sık yapılan hatalar

YanlışDoğrusu
Çekirdeği değer kümesinde aramakÇekirdek VV‘de: T(v)=0T(\mathbf{v}) = \mathbf{0} olan v\mathbf{v}‘ler
Görüntü bazı olarak RREF sütunlarını yazmakOrijinal pivot sütunlar
Boyut teoreminde dim⁡W\dim W kullanmakdim⁡V\dim V (tanım kümesi)
“Örten” için nullity’ye bakmakRank’ı dim⁡W\dim W ile karşılaştır
R4→R3\mathbb{R}^4 \to \mathbb{R}^3 için birebirlik aramakBoyut engeli: imkansız
ker⁡T={0}\ker T = \{\mathbf{0}\}‘ın bazını {0}\{\mathbf{0}\} yazmakBaz boş küme, boyut 0
Çekirdekte 0\mathbf{0} var diye birebir demekÇekirdek sadece 0\mathbf{0} olmalı

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

Find the kernel of T:R2→R2T : \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}^2, T(x,y)=(x−y, 2x−2y)T(x, y) = (x - y,\ 2x - 2y).

Cevabı göster
ker⁡T=span⁡{(1,1)}\ker T = \operatorname{span}\{(1, 1)\}

T(x,y)=(0,0)T(x, y) = (0, 0): x−y=0x - y = 0 ve 2x−2y=02x - 2y = 0, ikisi aynı denklem. y=ty = t, x=tx = t.
Çekirdek y=xy = x doğrusu. Nullity 1.

Soru 2orta

Let T(x)=AxT(\mathbf{x}) = A\mathbf{x} with A=[1−212−34]A = \begin{bmatrix} 1 & -2 & 1 \\ 2 & -3 & 4 \end{bmatrix}. Find a basis for ker⁡T\ker T.

Cevabı göster
{(−5,−2,1)}\{(-5, -2, 1)\}

R2←R2−2R1R_2 \leftarrow R_2 - 2R_1: (0,1,2)(0, 1, 2). R1←R1+2R2R_1 \leftarrow R_1 + 2R_2: (1,0,5)(1, 0, 5).x1=−5tx_1 = -5t, x2=−2tx_2 = -2t, x3=tx_3 = t. Kontrol: A(−5,−2,1)T=(−5+4+1, −10+6+4)=(0,0)A(-5, -2, 1)^T = (-5 + 4 + 1,\ -10 + 6 + 4) = (0, 0).

Soru 3orta

For the same TT, find the range of TT. Is TT onto?

Cevabı göster
range⁡T=R2\operatorname{range}T = \mathbb{R}^2; yes, onto

Rank = pivot sayısı = 2. Görüntü R2\mathbb{R}^2'nin 2 boyutlu altuzayı, yani R2\mathbb{R}^2'nin kendisi. Örten.
Boyut teoremi: rank⁡+nullity⁡=2+1=3=dim⁡R3\operatorname{rank} + \operatorname{nullity} = 2 + 1 = 3 = \dim\mathbb{R}^3.

Soru 4orta

T:R4→R3T : \mathbb{R}^4 \to \mathbb{R}^3 is linear and rank⁡T=2\operatorname{rank}T = 2. Find nullity⁡T\operatorname{nullity}T. Is TT one-to-one?

Cevabı göster
Nullity 2; not one-to-one

Boyut teoremi: nullity⁡=dim⁡(tanım ku¨mesi)−rank⁡=4−2=2\operatorname{nullity} = \dim(\text{tanım kümesi}) - \operatorname{rank} = 4 - 2 = 2.
Çekirdek sıfırdan büyük, birebir değil.

Soru 5orta

T:R5→R3T : \mathbb{R}^5 \to \mathbb{R}^3 is linear with nullity⁡T=2\operatorname{nullity}T = 2. Is TT onto?

Cevabı göster
Yes

rank⁡=5−2=3=dim⁡R3\operatorname{rank} = 5 - 2 = 3 = \dim\mathbb{R}^3. Görüntü R3\mathbb{R}^3'ün 3 boyutlu altuzayı, yani tamamı. Örten.

Soru 6orta

Let D:P3→P2D : P_3 \to P_2, D(p)=p′D(p) = p'. Find ker⁡D\ker D, nullity⁡D\operatorname{nullity}D and rank⁡D\operatorname{rank}D.

Cevabı göster
ker⁡D\ker D = constant polynomials; nullity 1, rank 3

p′=0  ⟺  pp' = 0 \iff p sabit. Çekirdek bazı {1}\{1\}, nullity 1.dim⁡P3=4\dim P_3 = 4, boyut teoremi: rank =4−1=3=dim⁡P2= 4 - 1 = 3 = \dim P_2. Yani DD örten: her derecesi en fazla 2 polinom bir polinomun türevi.

Soru 7orta

Is T:R3→R3T : \mathbb{R}^3 \to \mathbb{R}^3, T(x,y,z)=(x+y, y+z, x+z)T(x, y, z) = (x + y,\ y + z,\ x + z) an isomorphism?

Cevabı göster
Yes

Standart matris [110011101]\begin{bmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 1 \end{bmatrix}, det⁡=1(1−0)−1(0−1)+0=2≠0\det = 1(1 - 0) - 1(0 - 1) + 0 = 2 \neq 0.
Kare ve tersinir: çekirdek {0}\{\mathbf{0}\} (birebir), görüntü R3\mathbb{R}^3 (örten). İzomorfizm.

Soru 8zor

Let T:M2,2→M2,2T : M_{2,2} \to M_{2,2}, T(A)=A−ATT(A) = A - A^T. Find dim⁡ker⁡T\dim\ker T and dim⁡range⁡T\dim\operatorname{range}T.

Cevabı göster
dim⁡ker⁡T=3\dim\ker T = 3, dim⁡range⁡T=1\dim\operatorname{range}T = 1

T(A)=O  ⟺  A=ATT(A) = O \iff A = A^T: çekirdek simetrik matrisler, bazı {[1000],[0110],[0001]}\left\{\begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{bmatrix}, \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix}, \begin{bmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}\right\}, boyut 3.
Boyut teoremi: rank =4−3=1= 4 - 3 = 1. Gerçekten T[abcd]=(b−c)[01−10]T\begin{bmatrix} a & b \\ c & d \end{bmatrix} = (b - c)\begin{bmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{bmatrix}.

Soru 9zor

Let T:P2→RT : P_2 \to \mathbb{R}, T(p)=p(1)T(p) = p(1). Find a basis for ker⁡T\ker T and determine whether TT is onto.

Cevabı göster
Basis {x−1,x2−1}\{x - 1, x^2 - 1\}; onto

p=a+bx+cx2p = a + bx + cx^2, p(1)=a+b+c=0p(1) = a + b + c = 0. a=−b−ca = -b - c: p=b(x−1)+c(x2−1)p = b(x - 1) + c(x^2 - 1). Nullity 2.
Rank =3−2=1=dim⁡R= 3 - 2 = 1 = \dim\mathbb{R}: örten. (Sabit polinom p=rp = r her rr'yi verir.)

Soru 10orta

True or false: There is a linear transformation from R3\mathbb{R}^3 onto R4\mathbb{R}^4.

Cevabı göster
False

rank⁡T≤dim⁡(tanım ku¨mesi)=3<4\operatorname{rank}T \le \dim(\text{tanım kümesi}) = 3 < 4. Görüntü en fazla 3 boyutlu, R4\mathbb{R}^4'ü dolduramaz.
Genel: dim⁡V<dim⁡W\dim V < \dim W ise örten olamaz; dim⁡V>dim⁡W\dim V > \dim W ise birebir olamaz.

Soru 11zor

For which kk is T(x)=AxT(\mathbf{x}) = A\mathbf{x} one-to-one, where A=[123k24]A = \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 3 & k \\ 2 & 4 \end{bmatrix}?

Cevabı göster
k≠6k \neq 6

Birebir   ⟺  \iff çekirdek {0}\{\mathbf{0}\}   ⟺  \iff sütunlar bağımsız. İki sütun bağımlıdır ancak ve ancak biri diğerinin katıysa.(2,k,4)=2(1,3,2)(2, k, 4) = 2(1, 3, 2) ancak k=6k = 6 iken. k≠6k \neq 6: rank 2, birebir.

Soru 12orta

Let T(x,y)=(x, y, x+y)T(x, y) = (x,\ y,\ x + y). Is w=(1,2,3)\mathbf{w} = (1, 2, 3) in the range of TT?

Cevabı göster
Yes, w=T(1,2)\mathbf{w} = T(1, 2)

T(x,y)=(1,2,3)T(x, y) = (1, 2, 3): x=1x = 1, y=2y = 2, ve 3. bileşen x+y=3x + y = 3 tutuyor.(1,2,4)(1, 2, 4) olsaydı tutmazdı: görüntü z=x+yz = x + y düzlemi.

Doğrulama: Çekirdek bazları node'da BigInt kesirlerle tam RREF'ten null space olarak, görüntü bazları pivot sütunlarından bulundu; görüntüye ait olma koşulu birçok w vektörü için tam çözümle, rank/nullity ve birebirlik parametreli soruda birçok k değeriyle kontrol edildi; M₂₂ ve P₂ dönüşümleri katsayı vektörleri üzerinden matrisle temsil edilerek hesaplandı (verify/MAT1041/11.mjs).

Deftere not kartı

ker T = {v : T(v) = 0} ⊆ V (TANIM kümesinde), altuzay. range T = {T(v)} ⊆ W (DEĞER kümesinde), altuzay. T(x) = Ax ise: ker T = null(A), range T = col(A). ker bazı: Ax = 0 çöz. range bazı: PİVOT SÜTUNLARIN ORİJİNALİ. nullity T = dim ker, rank T = dim range. BOYUT TEOREMİ: rank T + nullity T = dim V (tanım kümesi). Birebir (one-to-one) ⇔ ker T = {0} ⇔ nullity 0. Örten (onto) ⇔ range T = W ⇔ rank T = dim W. İzomorfizm = birebir + örten. dim V = dim W ⇔ izomorfik. dim V = dim W ise: birebir ⇔ örten (biri yeter). Kare A: det ≠ 0 ⇔ izomorfizm. dim V < dim W → örten olamaz; dim V > dim W → birebir olamaz. w ∈ range? → T(v) = w sistemini çöz. Türev P_n → P_{n-1}: ker = sabitler, örten.