13  Toplamlar ve Direkt Toplam

İki alt uzayın birleşimi genelde alt uzay değildi. Doğru kavram birleşim değil, toplamdır: bir uzaydan bir vektör, diğerinden bir vektör alıp toplamak. Bu bölümde toplamın her zaman alt uzay olduğunu görecek, ardından toplamın en düzenli hâlini — yazılışın tek türlü olduğu direkt toplamı — tanımlayacağız.

13.1 Alt Uzayların Toplamı

Teorem 13.1 (Toplam Bir Alt Uzaydır) \(U\) ve \(W\), \(V(K)\) vektör uzayının iki alt uzayı olsun.

\[U + W = \big\{ u + w : u \in U,\ w \in W \big\}\]

kümesi de \(V(K)\)’nin bir alt uzayıdır.

İspat

\(U\) ve \(W\) alt uzay olduğundan \(0_V \in U\) ve \(0_V \in W\)’dir; buradan

\[0_V = 0_V + 0_V \in U + W\]

olur ve \(U + W \neq \varnothing\)’dir. Ayrıca \(U, W \subseteq V\) ve \(V\) toplamaya göre kapalı olduğundan \(U + W \subseteq V\)’dir.

Toplama. \(u_1 + w_1\) ve \(u_2 + w_2\) kümenin iki elemanı olsun (\(u_i \in U\), \(w_i \in W\)). \(V\)’de toplama asosyatif ve komutatif olduğundan terimler yeniden gruplanabilir:

\[\big(u_1 + w_1\big) + \big(u_2 + w_2\big) = \underbrace{\big(u_1 + u_2\big)}_{\in\, U} + \underbrace{\big(w_1 + w_2\big)}_{\in\, W} \in U + W\]

Skalerle çarpma. \(k \in K\) için M2 aksiyomuyla

\[k(u + w) = \underbrace{ku}_{\in\, U} + \underbrace{kw}_{\in\, W} \in U + W\]

Ölçüt gereği \(U + W\) bir alt uzaydır.

\(\blacksquare\)

\(U \subseteq U + W\) ve \(W \subseteq U + W\)’dir (birinde \(w = 0_V\), diğerinde \(u = 0_V\) alınır); dolayısıyla \(U + W\), hem \(U\)’yu hem \(W\)’yi içeren bir alt uzaydır — üstelik böyle alt uzayların en küçüğüdür.

13.2 Direkt Toplam

Tanım 13.1 (Direkt Toplam) \(U\) ve \(W\), \(V(K)\)’nin alt uzayları olsun. Her \(v \in V\) için

\[v = u + w \qquad (u \in U,\ w \in W)\]

biçiminde bir ve yalnız bir türlü bir yazılış varsa, \(V\)’ye \(U\) ile \(W\)’nin direkt toplamı denir ve

\[V = U \oplus W\]

yazılır.

Tanımda iki şey birden isteniyor: yazılışın var olması ve tek olması. Aşağıdaki teorem bu ikisini denetlenmesi kolay iki koşula çevirir.

Teorem 13.2 (Direkt Toplam Ölçütü) \(V = U \oplus W\) olması için gerek ve yeter koşullar şunlardır:

  1. \(V = U + W\)
  2. \(U \cap W = \{0_V\}\)
İspat

Gereklik. \(V = U \oplus W\) olsun.

Her \(v \in V\) bir \(u + w\) olarak yazıldığından \(V \subseteq U + W\)’dir; \(U + W \subseteq V\) zaten geçerli olduğundan \(V = U + W\)’dir. Birinci koşul sağlanır.

Şimdi \(a \in U \cap W\) alalım. \(a\)’yı iki farklı biçimde yazabiliriz:

\[a = \underbrace{a}_{\in\, U} + \underbrace{0_V}_{\in\, W}, \qquad a = \underbrace{0_V}_{\in\, U} + \underbrace{a}_{\in\, W}\]

Yazılış tek olduğundan bu iki gösterilişin karşılıklı parçaları eşit olmalıdır: \(a = 0_V\). Demek ki \(U \cap W = \{0_V\}\)’dir (\(0_V\) her iki alt uzayda da bulunduğundan kesişim boş değildir).

Yeterlik. (1) ve (2) sağlansın. \(v \in V\) alalım. \(V = U + W\) olduğundan

\[v = u + w \qquad (u \in U,\ w \in W)\]

biçiminde bir yazılış vardır. Bunun tek olduğunu görelim: \(v = u' + w'\) ikinci bir yazılış olsun (\(u' \in U\), \(w' \in W\)). O hâlde

\[u + w = u' + w' \implies u - u' = w' - w\]

Sol taraf \(U\)’da, sağ taraf \(W\)’dedir ve ikisi eşit olduğundan bu ortak eleman \(U \cap W = \{0_V\}\)’dedir:

\[u - u' = w' - w = 0_V \implies u = u', \quad w = w'\]

Yazılış tek olduğundan \(V = U \oplus W\)’dir.

\(\blacksquare\)

13.3 Çözümlü Örnekler

Örnek 13.1 (Simetrik ve Antisimetrik Ayrışımı) \(V\), \(n\)-inci mertebeden reel kare matrislerin uzayı olsun.

\[U = \big\{ M \in V : M^{t} = M \big\}, \qquad W = \big\{ M \in V : M^{t} = -M \big\}\]

\(U\) simetrik, \(W\) antisimetrik matrislerin kümesidir. \(V = U \oplus W\) olduğunu gösteriniz.

Çözüm

Önce \(U\) ve \(W\)’nin birer alt uzay olduğunu görelim: \(O^{t} = O = -O\) olduğundan sıfır matris her ikisindedir ve transpoze işlemi \((kA + lB)^{t} = kA^{t} + lB^{t}\) ile lineer davrandığından her iki koşul da toplam ve skalerle çarpma altında korunur.

1. \(V = U + W\). \(A \in V\) keyfi bir matris olsun ve şu ayrışımı yazalım:

\[A = \frac{1}{2}\big(A + A^{t}\big) + \frac{1}{2}\big(A - A^{t}\big)\]

Birinci terim simetriktir:

\[\left[\frac{1}{2}\big(A + A^{t}\big)\right]^{t} = \frac{1}{2}\big(A^{t} + A\big) = \frac{1}{2}\big(A + A^{t}\big)\]

İkinci terim antisimetriktir:

\[\left[\frac{1}{2}\big(A - A^{t}\big)\right]^{t} = \frac{1}{2}\big(A^{t} - A\big) = -\frac{1}{2}\big(A - A^{t}\big)\]

Demek ki her \(A\) matrisi bir simetrik ile bir antisimetriğin toplamıdır: \(V = U + W\).

2. \(U \cap W = \{O\}\). \(A \in U \cap W\) olsun. O hâlde hem \(A^{t} = A\) hem de \(A^{t} = -A\)’dır; buradan

\[A = -A \implies 2A = O \implies A = O\]

(Reel sayılarda \(2 \neq 0\) olduğundan bölme yapılabilir.)

İki koşul da sağlandığından \(V = U \oplus W\)’dir.

\(\blacksquare\)

Örnek 13.2 (R³’te Bir Direkt Toplam) \(U = \big\{ (a,b,c) \in \mathbb{R}^{3} : a = b = c \big\}\) ve \(W = \big\{ (0,b,c) : b, c \in \mathbb{R} \big\}\) olsun. \(\mathbb{R}^{3} = U \oplus W\) olduğunu gösteriniz.

Çözüm

1. \(\mathbb{R}^{3} = U + W\). Keyfi bir \((a,b,c)\) vektörünü şöyle ayıralım:

\[(a,b,c) = \underbrace{(a,a,a)}_{\in\, U} + \underbrace{(0,\ b-a,\ c-a)}_{\in\, W}\]

Birinci terimin üç bileşeni de eşittir, ikinci terimin ilk bileşeni sıfırdır; ikisi de ait oldukları kümededir.

2. \(U \cap W = \{(0,0,0)\}\). \((a,b,c) \in U \cap W\) olsun. \(U\)’da olmak \(a = b = c\) demektir; \(W\)’de olmak \(a = 0\) demektir. İkisi birlikte \(a = b = c = 0\) verir.

İki koşul sağlandığından \(\mathbb{R}^{3} = U \oplus W\)’dir.

\(\blacksquare\)

Örnek 13.3 (Toplam Direkt Olmayabilir) \(U = \big\{ (a,b,0) : a,b \in \mathbb{R} \big\}\) ve \(W = \big\{ (0,b,c) : b,c \in \mathbb{R} \big\}\) olsun. \(\mathbb{R}^{3} = U + W\) olduğunu, fakat toplamın direkt olmadığını gösteriniz.

Çözüm

Toplam \(\mathbb{R}^{3}\)’tür. Her \((a,b,c)\) için

\[(a,b,c) = \underbrace{(a,b,0)}_{\in\, U} + \underbrace{(0,0,c)}_{\in\, W}\]

yazılabilir; dolayısıyla \(\mathbb{R}^{3} = U + W\)’dir.

Yazılış tek değildir. \((3,5,7)\) vektörünü iki farklı biçimde yazalım:

\[(3,5,7) = (3,1,0) + (0,4,7) = (3,-4,0) + (0,9,7)\]

Her iki ayrışımda da birinci terim \(U\)’da, ikinci terim \(W\)’dedir; ama ayrışımlar farklıdır. Demek ki \(\mathbb{R}^{3}\), \(U\) ile \(W\)’nin direkt toplamı değildir.

Bunun nedenini ölçüt açıkça gösterir:

\[U \cap W = \big\{ (0,b,0) : b \in \mathbb{R} \big\} \neq \{(0,0,0)\}\]

Kesişim yalnızca sıfır vektöründen ibaret olmadığı için tekliğin bozulması kaçınılmazdır: kesişimdeki herhangi bir \((0,t,0)\) vektörü birinci terimden çıkarılıp ikinciye eklenerek yeni bir ayrışım üretilebilir.

\(\blacksquare\)

İpucuKesişim, tekliğin ölçüsüdür

Son iki örnek yan yana konduğunda direkt toplamın ne anlama geldiği netleşir: toplam her zaman vardır, tek olan yazılıştır. Kesişim ne kadar büyükse yazılış o kadar çok çeşitlenir; kesişim yalnızca sıfır vektörüne indiğinde her vektörün tek bir adresi kalır.

13.4 Alıştırma

Alıştırma 13.1 (Toplam ve Direkt Toplam)  

  1. \(U = \big\{ (a,b,0) : a,b \in \mathbb{R} \big\}\) ve \(W = \big\{ (0,0,c) : c \in \mathbb{R} \big\}\) için \(\mathbb{R}^{3} = U \oplus W\) olduğunu gösteriniz.

  2. \(U = \{(a,b) \in \mathbb{R}^{2} : b = a\}\) ve \(W = \{(a,b) \in \mathbb{R}^{2} : b = -a\}\) için \(\mathbb{R}^{2} = U \oplus W\) olduğunu gösterip \((5,1)\) vektörünün ayrışımını bulunuz.

  3. \(V = \{f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\}\) uzayında \(U\) çift fonksiyonların, \(W\) tek fonksiyonların kümesi olsun. \(V = U \oplus W\) olduğunu gösteriniz.

Çözüm

a) Önce ikisinin de alt uzay olduğunu not edelim; her biri bileşenlerinden bazılarının sıfır olmasıyla tanımlıdır ve bu koşul toplam ile skalerle çarpma altında korunur.

Toplam: Her \((a,b,c) \in \mathbb{R}^{3}\) için

\[(a,b,c) = (a,b,0) + (0,0,c)\]

olduğundan \(\mathbb{R}^{3} = U + W\)’dir.

Kesişim: \((a,b,c) \in U \cap W\) olsun. \(U\)’da olmak \(c = 0\), \(W\)’de olmak \(a = b = 0\) demektir; ikisi birlikte \((a,b,c) = (0,0,0)\) verir.

Demek ki \(\mathbb{R}^{3} = U \oplus W\)’dir. (Önceki örnekten farkı: orada ikinci uzay \((0,b,c)\) biçimindeydi ve \(b\) bileşeni her iki uzayda da serbestti.)

b) \(U\), \(y = x\) doğrusu; \(W\), \(y = -x\) doğrusudur. İkisi de başlangıçtan geçtiğinden birer alt uzaydır.

Toplam: \((a,b)\) verilsin; \((a,b) = (s,s) + (t,-t)\) olacak \(s,t\) arıyoruz:

\[s + t = a, \qquad s - t = b \implies s = \frac{a+b}{2}, \quad t = \frac{a-b}{2}\]

Her \((a,b)\) için bu \(s\) ve \(t\) bulunduğundan \(\mathbb{R}^{2} = U + W\)’dir.

Kesişim: \((a,b) \in U \cap W\) ise \(b = a\) ve \(b = -a\); buradan \(a = -a\), yani \(a = 0\) ve \(b = 0\)’dır.

Demek ki \(\mathbb{R}^{2} = U \oplus W\)’dir. \((5,1)\) için \(s = \dfrac{5+1}{2} = 3\) ve \(t = \dfrac{5-1}{2} = 2\):

\[(5,1) = (3,3) + (2,-2)\]

c) \(f\) çift ise \(f(-x) = f(x)\), tek ise \(f(-x) = -f(x)\)’tir. Her iki koşul da lineer olduğundan \(U\) ve \(W\) birer alt uzaydır.

Toplam: Keyfi bir \(f\) için

\[f(x) = \underbrace{\frac{f(x) + f(-x)}{2}}_{g(x)} + \underbrace{\frac{f(x) - f(-x)}{2}}_{h(x)}\]

yazalım. \(g(-x) = \dfrac{f(-x) + f(x)}{2} = g(x)\) olduğundan \(g\) çifttir; \(h(-x) = \dfrac{f(-x) - f(x)}{2} = -h(x)\) olduğundan \(h\) tektir. Demek ki \(V = U + W\)’dir.

Kesişim: \(f \in U \cap W\) ise her \(x\) için \(f(x) = f(-x) = -f(x)\), yani \(2f(x) = 0\) ve \(f(x) = 0\)’dır. Demek ki \(f\) sıfır fonksiyonudur.

Sonuç: \(V = U \oplus W\). Bu, simetrik–antisimetrik matris ayrışımının fonksiyonlardaki tam karşılığıdır; ikisinde de aynı \(\frac{1}{2}(A \pm A^{t})\) hilesi kullanılmıştır.

\(\blacksquare\)

Alt uzayları toplayarak yenilerini üretmeyi öğrendik. Peki elimizde birkaç vektör varsa, onların ürettiği en küçük alt uzay hangisidir? Bu soru bizi dersin merkezindeki kavrama götürür: lineer kombinezonlar ve doğuran kümeler.