Cramerovo pravidlo

Cramerovo pravidlo nebo metoda determinantů je matematický vzorec pro popis řešení soustavy lineárních rovnic s regulární maticí soustavy pomocí determinantů matice soustavy a matic z ní získaných nahrazením jednoho sloupce vektorem pravých stran. Je pojmenována po Gabrielu Cramerovi (1704–1752), který v roce 1750 publikoval pravidlo pro libovolný počet neznámých.[1]

Cramerovo pravidlo má především teoretický význam, protože výpočet mnoha determinantů obvyklým způsobem je výpočetně náročný. V praxi se proto pro řešení soustav používají jiné metody numerické matematiky.

Znění

Nechť čtvercová matice řádu je matici soustavy lineárních rovnic o neznámých (čili počet neznámých i rovnic je shodný). Nechť je matice, získaná z matice nahrazením -tého sloupce sloupcem pravých stran.

Konkrétně, pro matici soustavy a vektor pravých stran

tvar:

Pokud je matice soustavy regulární, pak má soustava právě jedno řešení. Jednotlivé složky řešení jsou určeny podíly [2]

.

Konkrétně, pro soustavu o dvou neznámých

s rozšířenou matici soustavy

je řešení dáno vzorci:

a

Pravidlo platí nejen v oboru reálných či komplexních čísel, ale i pro soustavy lineárních rovnic s koeficienty a neznámými v libovolném tělese.

Ukázky

Soustava o dvou neznámých

Reálná soustava lineárních rovnic:

dává rozšířenou matici soustavy:

Podle Cramerova pravidla je řešení soustavy určeno podíly:

Soustava o třech neznámých

Pro soustavu lineárních rovnic:

s rozšířenou maticí

jsou složky řešení podle Cramerova pravidla dána podíly:

Důkaz

Řešení soustavy splňuje vztah

,

neboli , kde značí -tý sloupec matice .

Pro matici , sloupcový index a libovolný vektor značí symbol matici, která vznikne z nahrazením jejího -tého sloupce vektorem . Mimo jiné platí již dříve zavedená notace .

Cramerovo pravidlo vyplývá ze dvou vlastností determinantu:

  • Determinant je multilineární vzhledem ke sloupcům (i řádkům) matice, tj. lineární vůči každému jednotlivému sloupci (řádku) a
  • je alternující vzhledem k pořadí sloupů (řádků), což má mimo jiné za následek, že determinant matice se dvěma shodnými sloupci (řádky) je nulový.

Z linearity determinantu vyplývá:

V rozvinutém tvaru lze tento krok zapsat:

Matice je totožná s , protože fakticky nedošlo k žádnému nahrazení. Pro každé má matice svůj -tý sloupec shodný s -tým (zvýrazněny zeleně) a její determinant je roven nule.

Po vyloučení nulových členů pro se výraz redukuje na:

Odtud Cramerovo pravidlo vyplývá vydělením obou stran nenulovým výrazem .

Krátký důkaz

Krátký důkaz Cramerova pravidla začíná pozorováním, že je determinant matice , která vznikne z jednotkové matice nahrazením -tého sloupce vektorem řešení . V notaci předchozího důkazu jde o matici:

Za předpokladu, že původní matice je regulární, lze sloupce matice vyjádřit výrazy , kde je -tý sloupec matice . Připomeňme, že sloupce matice jsou , a proto .

Zbývá využít fakt, že determinant součinu dvou matic je součinem determinantů, z čehož vyplývá:

Další verze důkazu

Jestliže matici získanou vynecháním j-tého řádku a i-tého sloupce matice označíme , pak rozvinutím determinantu v čitateli podle i-tého sloupce získáme

Zlomek ve výrazu je prvkem inverzní matice .

Protože a , je a tedy

Výpočetní složitost

Cramerovo pravidlo implementované naivním způsobem je výpočetně neefektivní již pro soustavy s více než třemi rovnicemi.[3] V případě rovnic o neznámých vyžaduje výpočet determinantů, zatímco Gaussova eliminace dává výsledek se stejnou výpočetní složitostí jako výpočet jediného determinantu.[4][5]  Cramerovo pravidlo může být také numericky nestabilní i pro soustavy o dvou rovnicích.[6] Nedávno se však ukázalo, že Cramerovo pravidlo lze implementovat se stejnou složitostí jako Gaussova eliminace [7][8] (vyžaduje dvakrát tolik aritmetických operací a má stejnou numerickou stabilitu, pokud jsou použity stejné permutační matice).

Aplikace

Celočíselné programování

Cramerovo pravidlo lze použít k důkazu, že problém celočíselného programování, jehož matice omezení je totálně unimodulární a jehož pravá strana je celočíselná, má celočíselná bázická řešení, což výrazně usnadňuje řešení úlohy.

Obyčejné diferenciální rovnice

Cramerovo pravidlo se používá k odvození obecného řešení nehomogenní lineární diferenciální rovnice metodou variace konstant.

Ricciho kalkul

Cramerovo pravidlo se používá v Ricciho kalkulu v různých výpočtech zahrnujících Christoffelovy symboly prvního a druhého druhu.[9]

Cramerovo pravidlo lze zejména využít v důkazu, že operátor divergence na Riemannově varietě je invariantní vzhledem ke změně souřadnic.

Historie

Cramerovo pravidlo publikoval v roce 1750 Gabriel Cramer ve své knize Introduction à l'analyse des lignes courbes algébriques.[1] V něm explicitně uvedl vzorce pro lineární soustavy rovnic až se třemi rovnicemi a popsal, jak lze vytvořit vzorce řešení pro soustavy rovnic s více rovnicemi. Protože determinant ještě nebyl zaveden, použil zlomky s polynomem v čitateli a jmenovateli. Jak ukazuje následující úryvek z původní práce, jsou totožné s polynomy Leibnizova vzorce .

Tento úryvek ukazuje, že Cramer ještě nepoužíval dnešní zápis soustav lineárních rovnic, protože v něm by vzorec zněl:

Sám Cramer si byl vědom, že soustavy lineárních rovnic nemají vždy jednoznačné řešení.[10] Étienne Bézout pak v roce 1764 ukázal, pokud soustavu rovnic nelze jednoznačně vyřešit, je determinant matice soustavy (jmenovatel ve výše uvedeném výrazu) nulový.[10] Cramer svůj vzorec nijak nedokázal, to provedl až Augustin Louis Cauchy v roce 1815. Cauchy též zavedl dodnes používanou notaci pro zápis Cramerova pravidla.

Již v roce 1678 si Cramerovo pravidlo zapsal Gottfried Wilhelm Leibniz ve svém rukopise. Ten však byl objeven až později a neměl tak žádný vliv na vývoj metod řešení soustav lineárních rovnic.[10] Speciální případy Cramerova pravidla pro soustavy dvou nebo tří rovnic popsal Colin Maclaurin ve svém Pojednání o algebře, publikovaném v roce 1748. Přestože měl nápad rozšířit tyto vzorce i na soustavy rovnic s více rovnicemi, nenašel na rozdíl od Cramera žádné pravidlo, jak správně nastavit znaménka v použitých polynomech.[11] Carl Benjamin Boyer vyvolal ve 20. století spor mezi matematickými historiky, zda byl objevitelem vzorce Maclaurin nebo Cramer. Doporučil, aby pravidlo bylo přejmenováno na Maclaurinovo-Cramerovo.[12]

Odkazy

Reference

V tomto článku byly použity překlady textů z článků Cramersche Regel na německé Wikipedii a Cramer's rule na anglické Wikipedii.

  1. a b Gabriel Cramer: Introduction à l’analyse des lignes courbes algébriques. Genf 1750, S. 657–659.
  2. Cramerovo pravidlo — Matematika polopatě. www.matweb.cz [online]. [cit. 2021-08-16]. Dostupné online. 
  3. David Poole. Linear Algebra: A Modern Introduction. [s.l.]: Cengage Learning, 2014. ISBN 978-1-285-98283-0. S. 276. 
  4. Joe D. Hoffman; STEVEN FRANKEL. Numerical Methods for Engineers and Scientists, Second Edition. [s.l.]: CRC Press, 2001. ISBN 978-0-8247-0443-8. S. 30. 
  5. Thomas S. Shores. Applied Linear Algebra and Matrix Analysis. [s.l.]: Springer Science & Business Media, 2007. ISBN 978-0-387-48947-6. S. 132. 
  6. Nicholas J. Higham. Accuracy and Stability of Numerical Algorithms: Second Edition. [s.l.]: SIAM, 2002. ISBN 978-0-89871-521-7. S. 13. 
  7. Ken Habgood; ITAMAR AREL. A condensation-based application of Cramerʼs rule for solving large-scale linear systems. Journal of Discrete Algorithms. 2012, s. 98–109. Dostupné online. DOI 10.1016/j.jda.2011.06.007. 
  8. G.I.Malaschonok. Solution of a System of Linear Equations in an Integral Ring. USSR J. Of Comput. Math. And Math. Phys.. 1983, s. 1497–1500. arXiv 1711.09452. 
  9. LEVI-CIVITA, Tullio. The Absolute Differential Calculus (Calculus of Tensors). [s.l.]: Dover, 1926. ISBN 9780486634012. S. 111–112. 
  10. a b c Jean-Luc Chabert et al.: A History of Algorithms. From the Pebble to the Microchip. Springer-Verlag, 1999, ISBN 3-540-63369-3, S. 284–287 (Tato kniha obsahuje anglický překlad Cramerovy původní publikace.).
  11. Antoni A. Kosinski: Cramer's Rule Is Due to cramer. In: Mathematics Magazine. Bd. 74, Nr. 4, Oktober 2001, S. 310–312.
  12. Bruce A. Hedman: An Earlier Date for „Cramer’s Rule“ In: Historica Mathematica. Bd. 24, 1999, S. 365–368.

Literatura

  • BÄRTSCH, Hans-Jochen. Matematické vzorce. Praha: Academia, 2006. 832 s. ISBN 80-200-1448-9. Kapitola Matice, s. 180–198. 
  • BEČVÁŘ, Jindřich. Lineární algebra. 1.. vyd. Praha: Matfyzpress, 2019. 436 s. ISBN 978-80-7378-392-1. 
  • HLADÍK, Milan. Lineární algebra (nejen) pro informatiky. 1.. vyd. Praha: Matfyzpress, 2019. 328 s. ISBN 978-80-7378-378-5. 
  • OLŠÁK, Petr. Lineární algebra [online]. Praha: 2007 [cit. 2023-02-20]. Dostupné online. 
  • MOTL, Luboš; ZAHRADNÍK, Miloš. Pěstujeme lineární algebru [online]. [cit. 2023-02-20]. Dostupné online. 

Související články

Externí odkazy

Read other articles:

Rawajitu Selatan KecamatanNegara IndonesiaProvinsiLampungKabupatenTulang BawangPemerintahan • Camat-Populasi (2022) • Total31.450 jiwa • Kepadatan254/km2 (660/sq mi)Kode pos34591Kode Kemendagri18.05.12 Kode BPS1808052 Luas123,94 km²Desa/kelurahan9 kampung Rawajitu Selatan (aksara Lampung: ) adalah sebuah kecamatan di Kabupaten Tulang Bawang, Lampung, Indonesia. Geografis Secara geografi Kecamatan Rawajitu Selatan merupakan bagian wilayah Kab...

 

Disambiguazione – Se stai cercando altri significati, vedi Belluno (disambigua). Bellunocomune Belluno – Veduta LocalizzazioneStato Italia Regione Veneto Provincia Belluno AmministrazioneSindacoOscar De Pellegrin (indipendente di centro-destra) dal 17-6-2022 TerritorioCoordinate46°08′27″N 12°12′56″E / 46.140833°N 12.215556°E46.140833; 12.215556 (Belluno)Coordinate: 46°08′27″N 12°12′56″E / 46.140833°N 12.21...

 

Об экономическом термине см. Первородный грех (экономика). ХристианствоБиблия Ветхий Завет Новый Завет Евангелие Десять заповедей Нагорная проповедь Апокрифы Бог, Троица Бог Отец Иисус Христос Святой Дух История христианства Апостолы Хронология христианства Ран...

Handitya Narapati Sjachroedin Zainal Abidin Pagaralam (lahir 09 September 1979) merupakan mantan Wakil Bupati Pringsewu periode 2011-2016. Ia adalah anak dari mantan Gubernur Lampung Sjachroedin ZP dan cucu dari Zainal Abidin Pagaralam sekaligus saudara kandung mantan Bupati Lampung Selatan periode 2011-2016, Rycko Menoza.[1] Ia merupakan ketua Ikatan Motor Indonesia Provinsi Lampung.[2][3] Referensi ^ Redaksi, Tim (2011-10-17). Gubernur Lampung Disebut Curangi Pilkad...

 

Géraud V d'ArmagnacTitres de noblesseVicomte de Fézensaguet1200-1219Prédécesseur Bernard II d'Armagnac (d)Successeur Roger d'ArmagnacComte d'Armagnac et de Fezensac1215-1219Prédécesseur Géraud IV d'ArmagnacSuccesseur Pierre Géraud d'ArmagnacBiographieDécès 30 septembre 1219Activité FeudataireFamille Maison d'ArmagnacPère Bernard Ier de LomagneMère Géralda de Foix (d)Fratrie Roger d'ArmagnacOdon d'Armagnac (d)Arnaud Bernard d'Armagnac (d)Bernard II d'Arm...

 

Third-party closed-source freeware multiprotocol IM client This article has multiple issues. Please help improve it or discuss these issues on the talk page. (Learn how and when to remove these template messages) This article may rely excessively on sources too closely associated with the subject, potentially preventing the article from being verifiable and neutral. Please help improve it by replacing them with more appropriate citations to reliable, independent, third-party sources. (Februar...

2000 Ottawa mayoral election ← 1997 November 13, 2000 2003 →   Candidate Bob Chiarelli Claudette Cain Popular vote 142,972 102,940 Percentage 56.32 40.55% Popular vote results by Ward Mayor before election Allan Higdon (interim) Elected Mayor Bob Chiarelli The 2000 Ottawa municipal election was a municipal election that was held on November 13, 2000, in Ottawa. The elections were held for mayor of Ottawa, Ottawa City Council and a number of school trustees. Th...

 

Ariel Borysiuk Nazionalità  Polonia Altezza 178 cm Peso 70 kg Calcio Ruolo Centrocampista Squadra  Hutnik Varsavia CarrieraGiovanili 2004-2007 TOP 54 Biała PodlaskaSquadre di club1 2007-2012 Legia Varsavia90 (4)2012-2014 Kaiserslautern44 (0)[1]2014→  Volga Nižnij Novgorod4 (0)2014-2016 Lechia Danzica54 (2)2016 Legia Varsavia13 (0)2016 QPR11 (0)2017→  Lechia Danzica14 (1)2017 QPR0 (0)2018-2019 Lechia Danzica17 (0)2019→ &#...

 

Peruvian NavyNaval Jack of Peru History History Battles Ships Current ships Historic ships Insignia Military ranks of Peru Organisation Naval Aviation Naval Infantry Coast Guard Naval School vte List of ships of the Peruvian Navy comprising almost every Peruvian warship commissioned after 1840. Vessels acquired in the 1840s and 1850s President Castilla sought to expand and well-equip the Peruvian Navy. His naval policy was to if Chile constructed one ship, he should construct two, and he wen...

BTS

Halaman ini berisi artikel tentang grup vokal pria asal Korea Selatan. Untuk kegunaan lain, lihat BTS (disambiguasi). BTS방탄소년단BTS di Gedung Putih pada 2022.Informasi latar belakangNama lain Bangtan Boys Bulletproof Boy Scouts Beyond The Scene Bangtan Sonyeondan AsalSeoul, Korea SelatanGenre Pop Korea Hip hop[1] R&B kontemporer Musik dansa elektronik Tahun aktif2013 (2013)–sekarangLabel Big Hit Pony Canyon Def Jam[2] Columbia[3] Situs webbts.ibighi...

 

Pilgrims circulating the Kaaba within Al-Masjid al-Haram (the holiest site) during Hajj in the holy city of Mecca, Saudi Arabia[1] The holiest sites in Islam are predominantly located in the Arabian Peninsula and the Levant.[2] While the significance of most places typically varies depending on the Islamic sect, there is a consensus across all mainstream branches of the religion that affirms three cities as having the highest degree of holiness, in descending order: Mecca, Me...

 

Emil GuillermoBornSan Francisco, California, U.S.OccupationjournalistNotable credit(s)All Things Considered (NPR); Emil Amok (column); Amok: Essays from an Asian American Perspective (book) Emil Guillermo is an American print and broadcast journalist, commentator and humorist. His column, Emil Amok, appeared for more than 14 years in AsianWeek—at one time, the most widely read and largest circulating Asian American newsweekly in the U.S. The column has now migrated to the Asian American Leg...

Railway station in Tel Aviv, Israel This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed.Find sources: Tel Aviv University railway station – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (December 2009) (Learn how and when to remove this message) Tel Aviv University stationתחנת תל אביב האוניברסיטהIsrael Rail...

 

Go-NijōKaisar JepangBerkuasa2 Maret 1301 – 10 September 1308PendahuluGo-FushimiPenerusHanazonoInformasi pribadiKelahiran9 Maret 1285Kematian10 September 1308(1308-09-10) (umur 23)PemakamanKitashirakawa no Misasagi (Kyoto)WangsaYamatoAyahKaisar Go-UdaIbuHorikawa (Minamoto) MotokoPasanganFujiwara no KinshiAgamaShinto agama negara Kaisar Go-Nijō (後二条天皇 Go-Nijō-tennō) (9 Maret 1285 – 10 September 1308) adalah kaisar Jepang ke-94, menurut urutan suksesi tradisi...

 

Wild animals under pursuit or taken in hunting Wild game redirects here. For the novel, see Wild Game. This article has multiple issues. Please help improve it or discuss these issues on the talk page. (Learn how and when to remove these template messages) This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed.Find sources: Game hunting – news...

  Singolare femminileRio de Janeiro 2016 Informazioni generaliLuogoOlympic Tennis Center Periodo6-13 agosto Partecipanti64 Podio Mónica Puig  Porto Rico Angelique Kerber  Germania Petra Kvitová  Rep. Ceca Edizione precedente e successiva Londra 2012 Tokyo 2020 Voce principale: Tennis ai Giochi della XXXI Olimpiade. Tennis a Rio de Janeiro 2016 Singolare   uomini     donne Doppio   uomini   misto   donne Il torneo di singolare femminile ai Gi...

 

Town in Delaware, United StatesBowers, Delaware Bowers BeachTownLocation of Bowers in Kent County, Delaware.BowersLocation within the state of DelawareShow map of DelawareBowersBowers (the United States)Show map of the United StatesCoordinates: 39°03′35″N 75°24′05″W / 39.05972°N 75.40139°W / 39.05972; -75.40139Country United StatesState DelawareCountyKentArea[1] • Total0.32 sq mi (0.83 km2) • Land0.3...

 

В Википедии есть статьи о других людях с фамилией Винтер. В статье не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). Информация должна быть проверяема, иначе она может быть удалена. Вы можете отредактировать статью, добавив ссылки на авторитетные источники в ви...

Cresta della TaillanteStato Francia RegioneProvenza-Alpi-Costa Azzurra DipartimentoAlte Alpi Altezza3 197 m s.l.m. Prominenza287 m CatenaAlpi Coordinate44°42′25.74″N 6°59′49.51″E44°42′25.74″N, 6°59′49.51″E Altri nomi e significatiCrête de la Taillante (FR) Mappa di localizzazioneCresta della Taillante Dati SOIUSAGrande ParteAlpi Occidentali Grande SettoreAlpi Sud-occidentali SezioneAlpi Cozie SottosezioneAlpi del Monviso SupergruppoGruppo del Monviso i...

 

Questa voce sugli argomenti allenatori di pallacanestro statunitensi e arbitri di pallacanestro è solo un abbozzo. Contribuisci a migliorarla secondo le convenzioni di Wikipedia. Segui i suggerimenti del progetto di riferimento. Charley EckmanNazionalità Stati Uniti Altezza175 cm Peso70 kg Pallacanestro RuoloAllenatore Termine carriera1958 CarrieraGiovanili City College High School Carriera da allenatore 1954-1957 Ft. Wayne Pistons114-1021957-1958 Detroit Pistons9-16 Il...