توسع لاپلاس

في الجبر الخطي، توسع لاپلاس Laplace expansion, المسمى على اسم پيير-سيمون لاپلاس، also called cofactor expansion, is an expression of the determinant of an $n \times n$ -matrix $B$ as a weighted sum of minors, which are the determinants of some $(n - 1) \times (n - 1)$ -submatrices of $B$ . Specifically, for every $i$ , the Laplace expansion along the $i$ th row is the equality خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \begin{align} \det(B)&= \sum_{j=1}^{n} (-1)^{i+j} b_{i,j} m_{i, j}, \end{align}} where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle b_{i,j}} is the entry of the $i$ th row and $j$ th column of $B$ , and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle m_{i,j}} is the determinant of the submatrix obtained by removing the $i$ th row and the $j$ th column of $B$ . Similarly, the Laplace expansion along the $j$ th column is the equality خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \begin{align} \det(B)&= \sum_{i=1}^{n} (-1)^{i+j} b_{i,j} m_{i, j}. \end{align}} (Each identity implies the other, since the determinants of a matrix and its transpose are the same.)

The coefficient خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (-1)^{i+j} m_{i, j}} of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle b_{i,j}} in the above sum is called the cofactor of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle b_{i,j}} in $B$ .

The Laplace expansion is often useful in proofs, as in, for example, allowing recursion on the size of matrices. It is also of didactic interest for its simplicity and as one of several ways to view and compute the determinant. For large matrices, it quickly becomes inefficient to compute when compared to Gaussian elimination.

أمثلة

Consider the matrix

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle B = \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \end{bmatrix}. }

The determinant of this matrix can be computed by using the Laplace expansion along any one of its rows or columns. For instance, an expansion along the first row yields:

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \begin{align} |B| & = 1 \cdot \begin{vmatrix} 5 & 6 \\ 8 & 9 \end{vmatrix} - 2 \cdot \begin{vmatrix} 4 & 6 \\ 7 & 9 \end{vmatrix} + 3 \cdot \begin{vmatrix} 4 & 5 \\ 7 & 8 \end{vmatrix} \\[5pt] & = 1 \cdot (-3) - 2 \cdot (-6) + 3 \cdot (-3) = 0. \end{align} }

Laplace expansion along the second column yields the same result:

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \begin{align} |B| & = -2 \cdot \begin{vmatrix} 4 & 6 \\ 7 & 9 \end{vmatrix} + 5 \cdot \begin{vmatrix} 1 & 3 \\ 7 & 9 \end{vmatrix} - 8 \cdot \begin{vmatrix} 1 & 3 \\ 4 & 6 \end{vmatrix} \\[5pt] & = -2 \cdot (-6) + 5 \cdot (-12) - 8 \cdot (-6) = 0. \end{align} }

It is easy to verify that the result is correct: the matrix is singular because the sum of its first and third column is twice the second column, and hence its determinant is zero.

البرهان

Suppose خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle B} is an n × n matrix and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i,j\in\{1,2,\dots,n\}.} For clarity we also label the entries of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle B} that compose its خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i,j} minor matrix خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle M_{ij}} as

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (a_{st})} for خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 1 \le s,t \le n-1.}

Consider the terms in the expansion of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle |B|} that have خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle b_{ij}} as a factor. Each has the form

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sgn \tau\,b_{1,\tau(1)} \cdots b_{i,j} \cdots b_{n,\tau(n)} = \sgn \tau\,b_{ij} a_{1,\sigma(1)} \cdots a_{n-1,\sigma(n-1)}}

for some permutation $τ \in S n$ with خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tau(i)=j} , and a unique and evidently related permutation خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma\in S_{n-1}} which selects the same minor entries as $τ$ . Similarly each choice of $σ$ determines a corresponding $τ$ i.e. the correspondence خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma\leftrightarrow\tau} is a bijection between خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle S_{n-1}} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \{\tau\in S_n\colon\tau(i)=j\}.} Using Cauchy's two-line notation, the explicit relation between خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tau} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma} can be written as

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma = \begin{pmatrix} 1 & 2 & \cdots & i & \cdots & n-1 \\ (\leftarrow)_j ( \tau(1) ) & (\leftarrow)_j ( \tau(2) ) & \cdots & (\leftarrow)_j ( \tau(i+1) ) & \cdots & (\leftarrow)_j ( \tau(n) ) \end{pmatrix} }

where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (\leftarrow)_j } is a temporary shorthand notation for a cycle خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (n,n-1,\cdots,j+1,j)} . This operation decrements all indices larger than j so that every index fits in the set {1,2,...,n-1}

The permutation $τ$ can be derived from $σ$ as follows. Define خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma'\in S_n} by خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma'(k) = \sigma(k)} for خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 1 \le k \le n-1} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma'(n) = n} . Then خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma'} is expressed as

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma' = \begin{pmatrix} 1 & 2 & \cdots & i & \cdots & n-1 & n \\ (\leftarrow)_j ( \tau(1) ) & (\leftarrow)_j ( \tau(2) ) & \cdots & (\leftarrow)_j ( \tau(i+1) ) & \cdots & (\leftarrow)_j ( \tau(n) ) & n\end{pmatrix} }

Now, the operation which apply خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (\leftarrow)_i } first and then apply خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma' } is (Notice applying A before B is equivalent to applying inverse of A to the upper row of B in two-line notation)

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma' (\leftarrow)_i = \begin{pmatrix} 1 & 2 & \cdots & i+1 & \cdots & n & i \\ (\leftarrow)_j ( \tau(1) ) & (\leftarrow)_j ( \tau(2) ) & \cdots & (\leftarrow)_j ( \tau(i+1) ) & \cdots & (\leftarrow)_j ( \tau(n) ) & n \end{pmatrix} }

where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (\leftarrow)_i } is temporary shorthand notation for خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (n,n-1,\cdots,i+1,i)} .

the operation which applies خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tau } first and then applies خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (\leftarrow)_j } is

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (\leftarrow)_j \tau = \begin{pmatrix} 1 & 2 & \cdots & i & \cdots & n-1 & n \\ (\leftarrow)_j ( \tau(1) ) & (\leftarrow)_j ( \tau(2) ) & \cdots & n & \cdots & (\leftarrow)_j ( \tau(n-1) ) & (\leftarrow)_j ( \tau(n) ) \end{pmatrix} }

above two are equal thus,

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (\leftarrow)_j \tau = \sigma' (\leftarrow)_i }

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tau = (\rightarrow)_j \sigma' (\leftarrow)_i }

where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (\rightarrow)_j } is the inverse of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (\leftarrow)_j } which is خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (j,j+1,\cdots,n)} .

Thus

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tau\,=(j,j+1,\ldots,n)\sigma'(n,n-1,\ldots,i)}

Since the two cycles can be written respectively as خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle n-i} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle n-j} transpositions,

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sgn\tau\,= (-1)^{2n-(i+j)} \sgn\sigma'\,= (-1)^{i+j} \sgn\sigma.}

And since the map خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma\leftrightarrow\tau} is bijective,

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \begin{align} \sum_{i=1}^n\sum_{\tau \in S_n:\tau(i)=j} \sgn \tau\,b_{1,\tau(1)} \cdots b_{n,\tau(n)} &= \sum_{i=1}^{n}\sum_{\sigma \in S_{n-1}} (-1)^{i+j}\sgn\sigma\, b_{ij} a_{1,\sigma(1)} \cdots a_{n-1,\sigma(n-1)}\\ &= \sum_{i=1}^{n}b_{ij}(-1)^{i+j} \sum_{\sigma \in S_{n-1}} \sgn\sigma\, a_{1,\sigma(1)} \cdots a_{n-1,\sigma(n-1)}\\ &= \sum_{i=1}^{n} b_{ij} (-1)^{i+j} M_{ij} \end{align}}

from which the result follows. Similarly, the result holds if the index of the outer summation was replaced with خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle j} .^[1]

Laplace expansion of a determinant by complementary minors

Laplace's cofactor expansion can be generalised as follows.

مثال

Consider the matrix

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle A = \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 5 & 6 & 7 & 8 \\ 9 & 10 & 11 & 12 \\ 13 & 14 & 15 & 16 \end{bmatrix}. }

The determinant of this matrix can be computed by using the Laplace's cofactor expansion along the first two rows as follows. Firstly note that there are 6 sets of two distinct numbers in ${1, 2, 3, 4},$ namely let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle S=\left\{\{1,2\},\{1,3\},\{1,4\},\{2,3\},\{2,4\},\{3,4\}\right\}} be the aforementioned set.

By defining the complementary cofactors to be

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle b_{\{j,k\}}=\begin{vmatrix} a_{1j} & a_{1k} \\ a_{2j} & a_{2k} \end{vmatrix}, }

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle c_{\{p,q\}}=\begin{vmatrix} a_{3p} & a_{3q} \\ a_{4p} & a_{4q} \end{vmatrix}, }

and the sign of their permutation to be

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \varepsilon^{\{j,k\},\{p,q\}} = \sgn\begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 \\ j & k & p & q \end{bmatrix}, \text{ where } p\neq j,q\neq k.}

The determinant of A can be written out as

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle |A| = \sum_{H \in S} \varepsilon^{H,H^\prime}b_{H}c_{H^\prime}, }

where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle H^{\prime} } is the complementary set to خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle H } .

In our explicit example this gives us

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \begin{align} |A| &= b_{\{1,2\}}c_{\{3,4\}} -b_{\{1,3\}}c_{\{2,4\}} +b_{\{1,4\}}c_{\{2,3\}}+b_{\{2,3\}}c_{\{1,4\}} -b_{\{2,4\}}c_{\{1,3\}} +b_{\{3,4\}}c_{\{1,2\}} \\[5pt] &= \begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 5 & 6 \end{vmatrix} \cdot \begin{vmatrix} 11 & 12 \\ 15 & 16 \end{vmatrix} - \begin{vmatrix} 1 & 3 \\ 5 & 7 \end{vmatrix} \cdot \begin{vmatrix} 10 & 12 \\ 14 & 16 \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} 1 & 4 \\ 5 & 8 \end{vmatrix} \cdot \begin{vmatrix} 10 & 11 \\ 14 & 15 \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} 2 & 3 \\ 6 & 7 \end{vmatrix} \cdot \begin{vmatrix} 9 & 12 \\ 13 & 16 \end{vmatrix} - \begin{vmatrix} 2 & 4 \\ 6 & 8 \end{vmatrix} \cdot \begin{vmatrix} 9 & 11 \\ 13 & 15 \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} 3 & 4 \\ 7 & 8 \end{vmatrix} \cdot \begin{vmatrix} 9 & 10 \\ 13 & 14 \end{vmatrix}\\[5pt] &= -4 \cdot (-4) -(-8) \cdot (-8) +(-12) \cdot (-4) +(-4) \cdot (-12) -(-8) \cdot (-8) +(-4) \cdot (-4)\\[5pt] &= 16 - 64 + 48 + 48 - 64 + 16 = 0. \end{align}}

As above, it is easy to verify that the result is correct: the matrix is singular because the sum of its first and third column is twice the second column, and hence its determinant is zero.

عبارة عامة

Let خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle B=[b_{ij}]} be an $n \times n$ matrix and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle S} the set of $k$ -element subsets of ${1, 2, ... , n}$ , خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle H} an element in it. Then the determinant of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle B} can be expanded along the $k$ rows identified by خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle H} as follows:

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle |B| = \sum_{L\in S} \varepsilon^{H,L} b_{H,L} c_{H,L}}

where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \varepsilon^{H,L}} is the sign of the permutation determined by خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle H} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle L} , equal to خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (-1)^{\left(\sum_{h\in H}h\right) + \left(\sum_{\ell\in L}\ell\right)}} , خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle b_{H,L}} the square minor of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle B} obtained by deleting from خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle B} rows and columns with indices in خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle H} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle L} respectively, and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle c_{H,L}} (called the complement of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle b_{H,L}} ) defined to be خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle b_{H',L'}} , خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle H'} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle L'} being the complement of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle H} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle L} respectively.

This coincides with the theorem above when خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle k=1} . The same thing holds for any fixed $k$ columns.

الثمن الحسابي

The Laplace expansion is computationally inefficient for high-dimension matrices, with a time complexity in big O notation of $O (n!)$ . Alternatively, using a decomposition into triangular matrices as in the LU decomposition can yield determinants with a time complexity of $O (n 3)$ .^[2] The following Python code implements the Laplace expansion:

def determinant(M):
    # Base case of recursive function: 1x1 matrix
    if len(M) == 1: 
        return M[0][0]

    total = 0
    for column, element in enumerate(M[0]):
        # Exclude first row and current column.
        K = [x[:column] + x[column + 1 :] for x in M[1:]]
        s = 1 if column % 2 == 0 else -1 
        total += s * element * determinant(K)
    return total

انظر أيضاً

Leibniz formula for determinants
Rule of Sarrus for خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 3 \times 3 } determinants

المراجع

^ Walter, Dan; Tytun, Alex (1949). "Elementary problem 834". American Mathematical Monthly. American Mathematical Society. 56 (6): 409.
^ Stoer Bulirsch: Introduction to Numerical Mathematics

David Poole: Linear Algebra. A Modern Introduction. Cengage Learning 2005, ISBN 0-534-99845-3, pp. 265–267 (restricted online copy, p. 265, في كتب گوگل)
Harvey E. Rose: Linear Algebra. A Pure Mathematical Approach. Springer 2002, ISBN 3-7643-6905-1, pp. 57–60 (restricted online copy, p. 57, في كتب گوگل)

This article may include material from Wikimedia licensed under CC BY-SA 4.0. Please comply with the license terms.

[1] Walter, Dan; Tytun, Alex (1949). "Elementary problem 834". American Mathematical Monthly. American Mathematical Society. 56 (6): 409.

[2] Stoer Bulirsch: Introduction to Numerical Mathematics

[1]

[2]