Rozwinięcie Laplace'a - Polski Serwis Naukowy

Rozwinięcie Laplace'a - wzór rekurencyjny określający wyznacznik $n$ -tego stopnia macierzy kwadratowej o wymiarach $n \times n$ . Wyznacznik $\det A$ macierzy $A_{n\times n}$ znajduje się z następującego wzoru: $\det A = \sum_{j=1}^n a_{ij}A_{ij}$

gdzie: $i$ jest ustalone i określa wiersz macierzy, względem którego następuje rozwinięcie $a_{ij}\;$ - element macierzy w $i$ -tym wierszu i $j$ -tej kolumnie $A_{ij}\;$ - dopełnienie algebraiczne elementu $a_{ij}\;$ powstałe z przemnożenia czynnika $(-1)^{i+j}$ przez minor elementu $a_{ij}$

Prawa strona powyższego wzoru nazywana jest rozwinięciem względem $i$ -tego wiersza. Można analogicznie sformułować wyznacznik poprzez rozwinięcie względem $j$ -tej kolumny.

Kombinacja liniowa – jedno z podstawowych pojęć algebry liniowej i powiązanych z nią działów matematyki. W dalszej części pojęcie to będzie omawiane głównie w kontekście przestrzeni liniowych nad ciałem z uogólnieniami na końcu artykułu.

Pierre Simon de Laplace (ur. 23 marca 1749 w Beaumont-en-Auge, zm. 5 marca 1827 w Paryżu) – francuski matematyk, astronom, geodeta i fizyk, jeden z twórców teorii prawdopodobieństwa, zwolennik subiektywnej interpretacji prawdopodobieństwa, na podstawie której dokonał m.in. obliczeń masy Saturna, które odbiegają od współcześnie uznanej wartości o mniej niż 1%. W 1772 został profesorem Akademii Wojskowej, następnie w 1785 został członkiem Paryskiej Akademii Nauk. W 1790 został dyrektorem Urzędu Miar i Wag. W 1799 przez krótki czas był Ministrem Spraw Wewnętrznych Francji.

Twierdzenie Laplace'a pozwala obliczyć wyznacznik macierzy unikając korzystania z bardzo czasochłonnej metody opartej na definicji wyznacznika.

Przykład

Przy obliczaniu wyznacznika korzystamy z twierdzenia Laplace'a tak długo, aż uzyskamy macierze, których wyznaczniki można obliczyć wprost (drugiego, trzeciego stopnia). Dobrze jest przy tym skorzystać z faktu, iż dodanie lub odjęcie od dowolnego wiersza/kolumny innego wiersza/kolumny lub kombinacji liniowej tychże nie zmienia wartości wyznacznika i tym sposobem wyzerować jak najwięcej elementów pewnego wiersza/kolumny.

Macierz – w matematyce układ liczb, symboli lub wyrażeń zapisanych w postaci prostokątnej tablicy. Choć słowo „macierz” oznacza najczęściej macierz dwuwskaźnikową, to możliwe jest rozpatrywanie macierzy wielowskaźnikowych (zob. notacja wielowskaźnikowa). Macierze jednowskaźnikowe nazywa się często wektorami wierszowymi lub kolumnowymi, co wynika z zastosowań macierzy w algebrze liniowej. W informatyce macierze modeluje się zwykle za pomocą (najczęściej dwuwymiarowych) tablic.

Przekształcenie lub odwzorowanie liniowe – w algebrze liniowej odwzorowanie między przestrzeniami liniowymi zachowujące ich strukturę (tzw. homomorfizm), a więc działania dodawania wektorów i mnożenia przez skalar. Dokładniej, jest to każda funkcja addytywna i jednorodna.

Obliczmy wyznacznik następującej macierzy czwartego stopnia: $\ A = \begin{bmatrix} 0 & 1 & 2 & 7 \\ 1 & 2 & 3 & 4 \\ 5 & 6 & 7 & 8 \\ -1 & 1 & -1 & 1 \end{bmatrix}$

Wygenerujmy jak najwięcej zer w ostatnim wierszu (z wyjątkiem np. ostatniego wyrazu): dodajmy czwartą kolumnę do pierwszej oraz trzeciej, zaś odejmijmy ją od drugiej: $\ A = \begin{bmatrix} 0+\color{Brown} 7 & 1-\color{Brown} 7 & 2+\color{Brown} \color{Brown} 7 & \color{Brown} 7 \\ 1+\color{Brown} 4 & 2-\color{Brown} 4 & 3+\color{Brown} 4 & \color{Brown} 4 \\ 5+\color{Brown} 8 & 6-\color{Brown} 8 & 7+\color{Brown} 8 & \color{Brown} 8 \\ -1+\color{Brown} 1 & 1-\color{Brown} 1 & -1+\color{Brown} 1 & \color{Brown} 1 \end{bmatrix}\ = \begin{bmatrix} 7 & -6 & 9 & 7 \\ 5 & -2 & 7 & 4 \\ 13 & -2 & 15 & 8 \\ 0 & 0 & 0 & {\color{blue} 1} \end{bmatrix}$

Redukujemy w ten sposób wyznacznik macierzy czwartego stopnia do iloczynu skalara, oraz wyznacznika macierzy trzeciego stopnia. Stosując rozwinięcie Laplace'a względem czwartego wiersza (pamiętać należy o znakach wyliczanych minorów) dostaniemy: $\det A = (-1)^{4+1} \cdot 0 \cdot \begin{vmatrix} -6 & 9 & 7 \\ -2 & 7 & 4 \\ -2 & 15 & 8 \end{vmatrix} + (-1)^{4+2} \cdot 0 \cdot \begin{vmatrix} 7 & 9 & 7 \\ 5 & 7 & 4 \\ 13 & 15 & 8 \end{vmatrix} + (-1)^{4+3} \cdot 0 \cdot \begin{vmatrix} 7 & -6 & 7 \\ 5 & -2 & 4 \\ 13 & -2 & 8 \end{vmatrix} + (-1)^{4+4} \cdot {\color{blue} 1} \cdot \begin{vmatrix} 7 & -6 & 9 \\ 5 & -2 & 7 \\ 13 & -2 & 15 \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 7 & -6 & 9 \\ 5 & -2 & 7 \\ 13 & -2 & 15 \end{vmatrix}$

Zredukujmy raz jeszcze współczynniki macierzy kolumnowo — odejmijmy pierwszą od ostatniej, następnie trzecią dodajmy do drugiej: $\det A = {\color{blue} 1} \cdot \begin{vmatrix} 7 & -6 & 9 \\ 5 & -2 & 7 \\ 13 & -2 & 15 \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 7 & -6 & 2 \\ 5 & -2 & 2 \\ 13 & -2 & 2 \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 7 & {\color{red} -4} & 2 \\ 5 & 0 & 2 \\ 13 & 0 & 2 \end{vmatrix}$ .

Ponownie korzystamy z rozwinięcia Laplace'a, tym razem względem drugiej kolumny: $\det A = (-1)^{1+2} \cdot ({\color{red} -4}) \cdot \begin{vmatrix} 5 & 2 \\ 13 & 2 \end{vmatrix} = 4 \cdot \begin{vmatrix} 5 & 2 \\ 13 & 2 \end{vmatrix}$ .

Z kolei zredukujemy współczynniki w ostatnim wierszu, odejmując pierwszy wiersz od drugiego: $\det A = 4 \cdot \begin{vmatrix} 5 & 2 \\ 13 & 2 \end{vmatrix} = 4 \cdot \begin{vmatrix} 5 & 2 \\ {\color{OliveGreen} 8} & 0 \end{vmatrix}$ .

i po raz ostatni korzystamy z twierdzenia, tym razem rozwijając względem drugiego wiersza: $\det A = 4 \cdot (-1)^{2+1} \cdot {\color{OliveGreen} 8} \cdot \begin{vmatrix} 2 \end{vmatrix} = 4 \cdot (-1) \cdot 8 \cdot 2 = -64$ .

Zobacz też

macierz,

wyznacznik,

operator liniowy.