19  Determinant ve Özellikleri

Üç özellikten her şey — hacim, tersinirlik, Jacobian

NotBölüm bilgisi

19.1 Bu Derste Ne Var?

Kare matrislere geçiş. Determinant = her kare matrise atanan bir sayı. Hedef: A tersinir ⟺ det A ≠ 0 + özdeğerlere hazırlık (Ders 21).

3 tanımlayıcı özellik:

  1. \(\det(I) = 1\).
  2. Satır takası → işaret değişir.
  3. Her satırda lineer.

Bu üç özellikten tüm formüller ve sonuçlar türer.

“Determinant of A is zero exactly when A is singular.” — Strang, 28:28

flowchart LR
    P1["det(I) = 1"] --> CORE["⭐ 3 tanımlayıcı özellik"]
    P2["satır takası: ±"] --> CORE
    P3["satır-lineer"] --> CORE
    CORE --> P4["eşit satır → 0"]
    CORE --> P5["eliminasyon korur<br/>det A = det U"]
    CORE --> P7["üçgensel = pivot çarpımı"]
    P7 --> P8["det = 0 ⟺ tekil"]
    CORE --> P9["det(AB) = det(A)det(B)<br/>det(A⁻¹) = 1/det(A)"]
    CORE --> P10["det(Aᵀ) = det(A)"]

    P8 --> VOL["💡 det = hacim ölçeği"]
    P9 --> ML["Jacobian zinciri<br/>normalizing flows<br/>log-det Σ (Gaussian)"]

    style CORE fill:#fff3e0,stroke:#e67e22,stroke-width:3px
    style ML fill:#fce4ec,stroke:#c2185b,stroke-width:2px
flowchart LR
    P1["det(I) = 1"] --> CORE["⭐ 3 tanımlayıcı özellik"]
    P2["satır takası: ±"] --> CORE
    P3["satır-lineer"] --> CORE
    CORE --> P4["eşit satır → 0"]
    CORE --> P5["eliminasyon korur<br/>det A = det U"]
    CORE --> P7["üçgensel = pivot çarpımı"]
    P7 --> P8["det = 0 ⟺ tekil"]
    CORE --> P9["det(AB) = det(A)det(B)<br/>det(A⁻¹) = 1/det(A)"]
    CORE --> P10["det(Aᵀ) = det(A)"]

    P8 --> VOL["💡 det = hacim ölçeği"]
    P9 --> ML["Jacobian zinciri<br/>normalizing flows<br/>log-det Σ (Gaussian)"]

    style CORE fill:#fff3e0,stroke:#e67e22,stroke-width:3px
    style ML fill:#fce4ec,stroke:#c2185b,stroke-width:2px
Şekil 19.1: 3 özellik → 10 sonuç. det = hacim, tersinirlik testi, Jacobian, flow modellerinin temeli.
İpucuBuilder Notu — Determinant ML’in Sessiz Kahramanı
  • det = Jacobian hacim ölçeği → change of variables; normalizing flows log-det = olasılık düzeltmesi.
  • det(AB) = det(A)det(B) → zincir kuralı, flow katmanlarında log-det toplamı.
  • log|det Σ| → Gaussian likelihood, entropi, Bayesian model seçimi.
  • det ≈ 0 → multicollinearity / kötü-koşullu / bilgi kaybı teşhisi.
  • det Q = ±1 → ortogonal dönüşümler hacmi korur.

19.2 Özellik 1, 2 — det(I) = 1, Satır Takası

Permütasyon matrisi: \(\det(P) = \pm 1\) (takas paritesine göre).

“The determinant of a permutation is one or minus one, depending whether the number of exchanges was even or odd.” — Strang, 5:03

19.3 Özellik 3 — Satır-Lineerlik

3A: \(\begin{vmatrix} ta & tb \\ c & d \end{vmatrix} = t \begin{vmatrix} a & b \\ c & d \end{vmatrix}\).

3B: \(\begin{vmatrix} a+a' & b+b' \\ c & d \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} a & b \\ c & d \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} a' & b' \\ c & d \end{vmatrix}\).

UYARI: \(\det(A + B) \neq \det A + \det B\)! Lineerlik sadece tek satırda, diğerleri sabitken.

19.4 Özellik 4 — Eşit Satır → det = 0

İki eşit satırı takas et → işaret değişmeli (det → −det) ama matris aynı kaldı (det → det):

\[ \det = -\det \implies \det = 0 \]

Saf mantık ispatı, n×n için geçerli.

19.5 Özellik 5, 6 — Eliminasyon ve Sıfır Satır

5: Eliminasyon (bir satırdan diğerinin katını çıkar) det’i korur. → \(\det A = \det U\).

6: Sıfır satır → \(\det = 0\) (Özellik 3A, \(t = 0\)).

19.6 Özellik 7 — Üçgensel = Pivot Çarpımı ⭐

\[ \det(U) = d_1 \cdot d_2 \cdots d_n \]

Pratik hesap: eliminasyon → pivotları çarp (satır takası varsa ±). 100×100 için bu kullanılır, ad − bc formülü değil.

Builder Notu: \(\log|\det A| = \sum \log|d_i|\) — Gaussian likelihood, normalizing flow her katman log-det, Bayesian model seçimi. Cholesky/LU pivotları verir.

19.7 Özellik 8 — det = 0 ⟺ Singular

  • Singular: eliminasyonda sıfır satır → Özellik 6 → \(\det = 0\).
  • Tersinir: tam pivot kümesi → Özellik 7 → \(\det \neq 0\).

\[ \det A = \pm (d_1 d_2 \cdots d_n) \]

2×2 doğrulama: \(\det = a(d - cb/a) = ad - bc\) ✓.

19.8 Özellik 9 — det(AB) = det(A)·det(B)

Sonuçlar:

  • \(\det(A^{-1}) = 1/\det(A)\).
  • \(\det(A^2) = \det(A)^2\).
  • \(\det(cA) = c^n \det(A)\) (her satırdan bir \(c\)).
import numpy as np

A = np.array([[1, 2, 0], [2, 5, 1], [0, 1, 3]], dtype=float)
B = np.array([[1, 0, 1], [0, 2, 0], [1, 0, 1]], dtype=float)

print(f"det(A) = {np.linalg.det(A):.4f}")
print(f"det(2A) = {np.linalg.det(2*A):.4f} = 2³·det(A) = {8*np.linalg.det(A):.4f}")
print(f"det(Aᵀ) = {np.linalg.det(A.T):.4f}")
print(f"det(A⁻¹) = {np.linalg.det(np.linalg.inv(A)):.4f} = 1/det(A) = {1/np.linalg.det(A):.4f}")
print(f"det(AB) = {np.linalg.det(A@B):.4f} = det(A)·det(B) = {np.linalg.det(A)*np.linalg.det(B):.4f}")

Builder Notu: \(\det(cA) = c^n \det(A)\) = hacim (3D’de 2× → 8×). \(\det(AB) = \det(A)\det(B)\) = Jacobian zincir kuralı. Normalizing flow’da log-det’ler toplanır.

19.9 Özellik 10 — det(Aᵀ) = det(A)

İspat: \(A = LU\)\(A^T = U^T L^T\); \(L, L^T\) köşegen 1, \(U, U^T\) aynı köşegen.

Büyük sonuç: Satır kuralları kolonlar için de geçerli (sıfır kolon → 0, kolon takası → ±, vs.).

19.10 Determinant = Hacim ⭐

  • 2×2: paralelkenar alanı.
  • 3×3: paralelyüz hacmi.
  • n×n: n-boyutlu kutu hacmi.

\(\det = 0\) → yassı kutu (sıfır hacim) → bağımlı.

\(\det(2A) = 2^n \det(A)\) → her kenar 2 kat → hacim \(2^n\) kat.

Builder Notu: Change of variables: \(p_Y(\mathbf{y}) = p_X(\mathbf{x}) |\det J|\). Normalizing flow’lar Jacobian’ı üçgensel (det = köşegen çarpımı, ucuz) tutar — RealNVP, Glow, autoregressive flows.

19.11 Bu Dersin Özeti

  1. Determinant kare matrise atanan sayı; tersinir ⟺ det ≠ 0.
  2. 3 özellik: \(\det I = 1\), satır takası ±, satır-lineerlik.
  3. Eşit satır → 0.
  4. Eliminasyon korur.
  5. Üçgensel = pivot çarpımı.
  6. det = 0 ⟺ singular.
  7. det(AB) = det(A)det(B).
  8. det(Aᵀ) = det(A).
  9. det = hacim ölçeği.
ÖnemliTek bir cümle

Determinant üç özellikle (\(\det I = 1\), satır takası ±, satır-lineerlik) tanımlanır; A tersinir ⟺ det A ≠ 0, \(\det A\) = pivot çarpımı, \(\det(AB) = \det(A)\det(B)\) — ve geometrik olarak hacim ölçeği (Jacobian, normalizing flows).

19.12 Kontrol Soruları

\(r_2 - 2r_1 = (0, 1, 1)\). \(r_3 - r_2(\text{yeni}) = (0, 0, 2)\).

\(U\): pivotlar \(1, 1, 2\). det = 2.

  • \(\det(2A) = 2^4 \cdot 3 = 48\).
  • \(\det(A^{-1}) = 1/3\).
  • \(\det(A^T) = 3\).
  • \(\det(A^2) = 9\).

Dikkat: \(\det(2A) = 48\), \(2 \cdot 3 = 6\) değil.

\(r_1 + r_3 = (8, 10, 12) = 2 r_2\) → bağımlı.

Eliminasyon sıfır satır verir → det = 0 → singular.

Change of variables: \(p_Y(\mathbf{y}) = p_X(\mathbf{x}) \cdot |\det J|\) (hacim koruması).

Normalizing flow: Basit dağılım (Gaussian) → karmaşık dağılım, tersinir zincir.

Her adımın \(\log|\det J|\) log-olabilirliğe eklenir; \(\det(\prod) = \prod \det\) sayesinde toplam olur.

Flow’lar Jacobian’ı üçgensel tutar (det = köşegen çarpımı, ucuz). \(\det \to 0\) = bilgi kaybı yönü.

RealNVP, Glow, autoregressive flows bu temele dayanır.

19.13 Egzersizler

Egzersiz 1. \(A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 2 \end{pmatrix}\) determinantı.

Egzersiz 2. \(\det A = 5, \det B = 2\) (3×3): \(\det(AB), \det(2A), \det(A^{-1}B), \det(A^T A)\).

Egzersiz 3. İki eşit kolon → det? (Özellik 10.)

Egzersiz 4. (Python) Özellikleri doğrula.

Egzersiz 5. İspatla: Ortogonal \(Q\) için \(\det Q = \pm 1\). (İpucu: \(Q^T Q = I\) + \(\det Q^T = \det Q\).) Rotasyon \(+1\), yansıma \(-1\); hacim korunur.

19.14 Sonraki Ders İçin Hazırlık

Ders 19: Determinant Formülleri ve Kofaktörler

  • Büyük formül (\(n!\) terim, permütasyonlar).
  • Kofaktör açılımı.
  • Ters matris formülünün habercisi (Ders 20).
UyarıDers 19 öncesi
  • Egzersiz 5 (\(\det Q = \pm 1\)).
  • np.linalg.det ile özellikleri doğrula.

19.15 Anahtar Kavramlar (Cheat Sheet)

Özellik İfade Strang’da
1. \(\det I = 1\) Birim 2m33
2. Satır takası ± 3m27
3. Satır-lineer Sadece bir satır 7m08
4. Eşit satır → 0 11m43
5. Eliminasyon korur \(\det A = \det U\) 14m34
6. Sıfır satır → 0 19m07
7. Üçgensel Pivot çarpımı 22m42
8. det = 0 ⟺ singular 28m28
9. det(AB) \(= \det(A)\det(B)\), \(\det(cA) = c^n \det A\) 34m01
10. det(Aᵀ) = det(A) Satır → kolon 41m44

19.16 ML Bağlantıları Özeti

İpucu7 köprü
  1. det = hacim / Jacobian → Change of variables.
  2. det(AB) = det(A)det(B) → Flow log-det toplamı.
  3. det = 0 ⟺ tekil → Multicollinearity / kötü-koşullu.
  4. log|det Σ| → Gaussian likelihood, entropi.
  5. det(cA) = cⁿ det A → Hacim üstel.
  6. det Q = ±1 → Rotasyon/yansıma hacim korur.
  7. Permütasyon paritesi → Antisimetrik fonksiyonlar, DPP.
ÖnemliTek bir şey alıp gideceksen

3 özellikten tüm determinant teorisi türer; det = 0 ⟺ singular, \(\det\) = pivot çarpımı, \(\det(AB) = \det(A)\det(B)\); geometrik olarak hacim ölçeği (Jacobian, normalizing flows).