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Laplacescher Entwicklungssatz

Determinante - ist eine Zahl, die eine Matrix charakterisiert. An ihr kannst Du gewisse Eigenschaften einer Matrix erkennen, z.B. Drehmatrizen haben Determinante +1. Nicht-invertierbare Matrizen Determinante 0. In folgenden Fällen kann Determinante hilfreich sein:

Du kannst nur Determinanten von n×n-Matrizen - also von quadratischen Matrizen - berechnen; z.B. 3x3 oder 4x4-Matrizen. Die Determinante einer Matrix \( A \) notierst Du entweder so: \( det\left( A \right) \) oder so \( |A| \).

Determinante berechnen: Laplace-Formel

Bei der Berechnung einer Determinante mittels Laplace'schem Entwicklungssatz, führst Du eine größere "Ausgangsdeterminante" auf nächst kleinere Determinante zurück. Dies machst Du mit allgemeiner Formel für sogenannte Zeilenentwicklung: \[ det\left( A \right) = \sum_{j=1}^n{(-1)^{i+j}a_{ij}|A_{ij}|} \] Oder mit der Formel für Spaltenentwicklung: \[ det\left( A \right) = \sum_{i=1}^n{(-1)^{i+j}a_{ij}|A_{ij}|} \] Die schrecklichen Formeln sagen Dir: Entwickle eine n×n-Matrix nach der i-ten Zeile (bei Zeilenentwicklung) oder nach der j-ten Spalte (bei Spaltenentwicklung). Erklären wir mal die Formel für Entwicklung nach einer Zeile:

  • \( (-1)^{i+j} \) - ist ein wechselndes Vorzeichen (+) oder (-)
  • \( a_{ij} \) - ist ein Matrix-Eintrag aus der i-ten Zeile und j-ten Spalte
  • \( |A_{ij}| \) - ist Determinante einer Untermatrix, die entsteht, wenn Du i-te Zeile und j-te Spalte streichst
  • \( \sum_{j=1}^n \) - Summenzeichen heißt: Du startest bei der ersten Spalte. Also setzt Du in die Laplace-Formel j=1 ein und multiplizierst alles. (Dabei ist i fest, nämlich die Nummer Deiner gewählten Zeile): \( (-1)^{i+1}a_{i1}|A_{i1}| \). Danach gehst Du zur nächsten Spalte j=2 über: \( (-1)^{i+2}a_{i2}|A_{i2}| \). Da über Variable j summiert wird, rechnest Du diese zwei Ausdrücke zusammen: \[ (-1)^{i+1}a_{i1}|A_{i1}| + (-1)^{i+2}a_{i2}|A_{i2}| \]. Das Gleiche machst Du mit allen weiteren Spalten, die noch übrig geblieben sind: \[ det\left( A \right) = (-1)^{i+1}a_{i1}|A_{i1}| + ... + (-1)^{i+n}a_{in}|A_{in}| \]

Auf diese Weise berechnest Du eine Determinante mit Laplace-Entwicklung!

Beispiel: So verstehst Du die Formel

Nehmen wir eine 3x3-Matrix \( M \). Das heißt: n (Maximale Anzahl von Spalten) ist 3. Nehmen wir mal an: Du hast Dich für Entwicklung nach der zweiten Zeile entschieden: i=2. Einsetzen in die Formel ergibt:\[ det\left( M \right) = \sum_{i=1}^3{(-1)^{2+j}m_{2j}|M_{2j}|} \] So! Jetzt setzt Du j=1 und gehst bis zur letzten Spalte j=3. Dabei addierst Du alle Spalten j auf: \[ det\left( M \right) = (-1)^{2+1}m_{21}|M_{21}|+(-1)^{2+2}m_{22}|M_{22}|+(-1)^{2+3}m_{23}|M_{23}| \] Die entstandenen Unterdeterminanten \( |M_{21}|, |M_{22}|, |M_{23}| \) berechnest Du mit der Laplace-Formel genauso; bis Du am Ende reine Zahlen hast, die Du zusammenrechnen kannst. Das Ergebnis ist Determinante \( det\left( M \right) \) der jeweiligen 3x3-Matrix.

2x2, 3x3 und 4x4 Determinanten mit Laplace

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