Doğrusal denklem dizgesi

Burada üç çeşit değişken , ile bulunur ve bu üç değişken üç ayrı doğrusal denklem içindedir ve böylece doğrusal denklemler (sistemi) dizge elde edilir.

Burada n-tane bilinmeyen değişkendir. bu değişkenlerin katsayılarıdır. Her katsayının altında bulunan ilk sayı denklem sayısına ve ikincisi değişken tipinin sayısına tekabül eder; örneğin üçüncü denklemdeki birinci değişken 'in katsayısıdır. terimleri ise her denklem için sabit terimleri verir.

Çok kere katsayılar ve bilinmeyen değişkenler reel sayılardır. Fakat ileri matematikte bunlar karmaşık sayılar, tam sayılar, polinomlar ve hatta soyut cebirsel yapılar bile olabilirler.

Bu genel doğrusal denklemler dizgesini uygun bir şekilde ifade edilmesi vektörler halinde olur: Bu ifade şeklinde her bir değişken bir doğrusal bileşimde bir ağırlık olarak bir sütun vektör ile ifade edilmektedir.

burada A m×n matrisi, x içinde n tane ifade bulunan bir sütun vektörü ve b içinde m tane sabit ifade olan bir sütun vektörü olur.

Bir doğrusal denklem dizgenin çözümü, bilinmeyen değişkenlere (yani değişkenlerine) tüm doğrusal denklemleri aynı zamanda tatmin eden reel sayısal değerler tahsis edilmesidir. Tüm mümkün çözümlerin bir matematiksel kümesine çözüm kümesi adı verilir.

Üç değişkenli bir dizge için her doğrusal denklem üç boyutlu bir uzayda bir düzlem olurlar ve çözüm kümesi bu düzlemlerin kesişmesidir. Böylece çözüm kümesi ya bir düzlem, ya tek bir doğru, ya tek bir nokta ya da boş küme olur.

n sayıda değişken halinde, her bir doğrusal denklem bir n-boyutlu uzayda bir hiperdüzlem olarak ortaya çıkar. Çözüm kümesi bu hiperdüzlemlerin kesişmeleridir ve n-ye kadar herhangi bir boyutta düzlük olabilir.

Genellikle, eğer dizgede denklem sayısı bilinmeyen değişken sayısından daha küçükse ise, dizge için sonsuz sayıda çözüm bulunur. Fakat bazen tek bir "seyrek çözüm" bulma imkânı da vardır. Yani kullandığımız notasyona göre m < n ise, sonsuz çözüm vardır. Bu çeşit dizgelere kararsız dizge (underdetermined system) adı verilir.

Genellikle, eğer dizgede denklem sayısı değişken sayısı ile aynı ise, tek bir tane çözüm bulunur; yani m = n ise tek ve tek bir çözüm bulunur.

Genellikle, eğer dizgede denklem sayısı değişken sayısıdan daha büyük ise hiçbir sçözüm bulunmaz; yani m > n ise hiçbir çözüm bulunmaz.

Verilen gösterimede; birinci dizgenin sonsuz sayıda çözümü bulunur; yani bunun noktaları mavi renkli doğru üzerindedir. İkinci dizgede tek bir çözüm bulunur; yani iki doğrunun kesişme noktası çözümdür. Üçüncü sistemde bulunan üç doğrunun ortaklaşa hiçbir noktaları bulunmaz.

Fakat şunu unutmamak gerekir; bütün bu sonuçlar sadece genellikle doğrudur. İki denklemeli ve iki değişkenli bir dizgenin hiçbir çözümü olmaması mümkündür; bu hal her iki doğru birbirine paralel ise ortaya çıkar. Üç denklemle iki değişkenli bir dizgenin çözümü olması mümkündür; bu hal eğer üç doğru birbiriyle tek noktada kesişirlerse ortaya çıkar. Genel olarak; bir doğrusal denklemler dizgesi beklenenden değişik davranış göstermesi eğer denklemler "doğrusal olarak bağımlı" iseler veya iki veya daha çok sayıda denklemlerin "tutarsız" olmaları halinde ortaya çıkar.

Bir doğrusal denklem dizgesinin denklemleri bağımsızlık niteliği, dizgede bulunan denklem eşitliklerinin hiçbiri denklemden cebirsel olarak çıkartılaması halidir. Eğer denklemler bağımsızlarsa, her bir denklem değişkenler hakkında yeni bilgi kapsamaktadır ve bu denklemlerden herhangi birinin ortadan kaldırılması çözüm kümesinin boyutunu artır. Doğrusal denklemler için mantıksal bağımsızlık doğrusual bağımsızlık özelliğiyle ile aynıdır.

bağımsız değildirler; çünkü ikinci denklem birinci denklemin 2 ile çarpımı ile elde edilmiştir ve eğer bu iki denklem için grafik çizilirse iki doğru üste çakışıp tek bir doğru görüntüsü verirler.

Bu üç denklem dizgesi bağımsız değildir, çünkü üçüncü denklem ilk iki denklemin birbirine toplkamından elde edilmiştir. Gerçekten bu üç denklemden herhangi ikisinden üçüncü denklem çıkartılabilir ve bu üç denklemden herhangi tek bir tanesi ortadan kaldırılırsa çözüm kümesi hiç değişmeden aynı kalır. Bu üç doğru için grafik üçü de tek bir noktada kesişen üç doğru şeklindedir.

Bir doğrusal denklemler dizgesi denklemleri, eğer bir ortak çözüm varsa, "tutarlı" olur; aksi halde "tutarsız" olur. Eğer denklemler tutarlı iseler; denklemlerden bir çelişkilik ortaya çıkartmak imkânı bulunur; örneğin ifadesi gibi.

olur. Dikkat edilirse bu denklemlerden herhangi bir iki denklemli dizgenin bir ortak çözümü vardır. Aynı olgu her türlü sayıda denkelemler dizgesinde de oluşabilir.

Genel bir sonuç olarak, eğer bir doğrusal denklemler dizgesindeki denklemlerin sol tarafındaki ifadeler doğrusal olarak bağımlı olursa ve sabit terimler bağımlılık bağlantısını tatmin etmiyorlarsa, tutarsızlık ortaya çıkar. Eğer bir doğrusal denklemler dizgesinin sol tarafındaki ifadeler doğrusal olarak bağımsızlarsa, bu dizge her zaman tutarlı olur.

Aynı değişkenleri kullanan iki değişik doğrusal denklemler dizgesinin birbirleriye denk olması için ikinci dizgede bulunan denklemlerin her birinin, birinci dizgede bulunan denklemlerden cebir kullanılarak hesaplanıp elde edilebilmesi gerekir ve bunun aksinin de doğru olması gereklidir. Birbirine denk dizgeler değişken değerleri hakkında birbirine tıpatıp aynı bilgileri vermektedirler. Özellikle, eğer iki dizgenin tıpatıp aynı çözüm kümesi bulunuyorsa iki doğrusal denklemler dizgesi birbirlerine denktirler.

Eğer sonsuz sayıda çözüm bulunuyorsa bunu küme olarak ve küme notasyonu kullanarak ifade etmek çok güç olur. Tipik olarak değişkenlerden bazıları bağımsız (veya özgür veya parametre) olarak kabul edilirler ve herhangi bir değer alabilirler. Geride kalan değişkenler bağımsız değişkenlerin değerlerine bağlı olurlar.

Burada bağımsız değişkendir; ve değişkenleri ye bağlıdırlar. Çözüm kümesinde bulunan herhangi nokta önce için herhangi bir değer seçmekle ve sonra da ve için bu seçilen değere tekabül eden değerleri hesaplama şeklinde ortaya çıkartılır.

Bu değişken için birinci denkelmeden bulunan ifadeyi dizgenin diğer denklemelerinde bulunan ifadeleri içindeki o değişken yerine konulur ve böylece yeni bir denklemler dizgesi bulunur ve bu dizgede bir önce dizgeden bir değişken eksik olur.

Bu değeri diğer bir öneceki dizgede geriye koyup bir diğer değişkenin çözüm değerini bulun. Bu geriye koyup çözmeyi tüm değişkenler için çözüm bulana kadar tekrarlayınız.

i. satirin herhangi k katini j. satira eklemek. Bu islemi k * Satir_i + Satir_j -> Satir_j, ya da Satir (k*i+j->j) ile gösterelim.

Not: bu islem A matrisini, I+ kE_ji matrisi ile soldan carpmaya karsilik gelmektedir. Burada I kosegen terimleri 1 olan m * m boyutundaki matrisi, E_ji, sadece j. satir ve i. sutundaki terimi 1 olan matrisi göstermektedir. Boylece incelenen doğrusal sistem Ax = b yerine (I+kE_ji)A x = (I+kE_ji)b doğrusal sistemi olmaktadır.

Bu islem i ve j indeksleri haric diğer indekslerde sadece kosegen terimleri 1, diğer durumlarda (i,j) ve (j,i) terimleri 1 olan matris ile A matrisini soldan carpmak ile elde edilir. Boylece incelenen doğrusal sistem Ax = b yerine (I-E_ii-E_jj+E_ij+E_ji)A x = (I-E_ii-E_jj+E_ij+E_ji)b doğrusal sistemi olmaktadır.

Eger ilk sutun (ya da herhangi bir j. sutun) sadece sifirlardan olusuyorsa o zaman ilk degisken (ya da j. degisken) aslında denklem sistemi tarafından kısıtlanmamaktadır. Yani bu degiskenin herhangi bir degeri alabilir. Herhangi degeri alabilen degiskenlere serbest degisken denir.

Bu adimdan sonra olusan matrisin 1. satir ve j1. sutunundaki sifirdan farklı sayı A olsun. (Matristeki bu tip terimlere pivot ya da eksen terimleri denir. Cozumler bu Ikinci satirdan baslamak üzere j1. sutunda sifir olmayan ilk terim B olsun ve bu terim i_2. satirda yer alsin.

4. j_1. sutundaki islem bittikten sonra yukaridaki adımları degistirilmis A matrisinin j1 den büyük sutunları ve 1den büyük satırlarından olusan matrise uygula.

Bu işlemlerin sonunda (j_1,1) (j_2,2) (j_k,k) pivot konumları olsun. En son sifirdan farklı satirdan baslayip yukari cikarak doğrusal sistemin çözümune ulasabiliriz.

Bu kural 1750'de "Introduction à l'analyse des lignes courbes algébriques (Cebirsel eğrilerinin analizine giriş)" adlı eserinde bu teoremi açıklayan Gabriel Cramer (1704–1752) anısına isimlendirilmiştir.

Cramer kuralı aynı sayıda değişken ile denklem bulunan doğrusal denklem dizgesinin çözüm kümesini bulmak için kullanılabilen bir ifade ortaya çıkaran bir doğrusal cebir teoremidir. Bu teorem kullanılarak çözüm tek ve tek bir çözüm kümesi bulunan doğrusal denklem dizgesi için geçerlidir. Bu halde her bir değişken için çözüm iki kare determinantın oranı olarak verilir; bu oranda pay katsayılar matrisinden o değişkene karşıt sütununun, denklemin sağ-tarafında olan sabitler vektörü ile ikame edilmesiyle elde edilen kare matrisin determinantı ve payda ise katsayılar kare matrisi determinantıdır.

Bu örnekte, determinantların içinde hangi elemanlar bulunduğunun hemen anlaşılması içcin, katsayılar "mavi" renkli; bilinmeyenler "siyah" renkli ve katsayılar "yeşil" renkli yazılmıştır.

Her homojen dizgenin en aşağı bir tane çözümü vardır; bu her değişkenin 0'a eşit olduğu çözüm kümesidir. Bu çözüme sıfır çözümü veya önemsiz (trivial) çözüm adı verilir.

Eğer u bir homojen dizgenin bir çözümünü ifade etmekte ise ve z herhangi bir skaler değer ise; o zamanvektör çarpımı da homojen dizgenin bir çözümüdür.

Bu çözüm kümesi nitelikleri, R'''<sup>n</sup> nin bir Euclid-tipi altuzayı için gerekli nitelikler ile tıpatıp aynıdır. Özellikle, bir homojen dizgenin çözüm kümesi buna tekabül eden A'' matrisinin sıfır uzayı ile aynıdır.