נוסחת קרמר

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

באלגברה לינארית, נוסחת קרמר (או כלל קרמר) היא נוסחה מפורשת לפתרון מערכת משוואות לינאריות בעזרת דטרמיננטות. היא קרויה על שם המתמטיקאי השווייצרי גבריאל קרמר.

מבחינה חישובית הנוסחה אינה יעילה, אך יש לה חשיבות כיוון שהיא נותנת ביטוי חד-משמעי של פתרון המערכת, מה שגם מאפשר להוכיח תכונות של מטריצות ודטרמיננטות. כך למשל הנוסחה מספקת ביטוי מפורש לאיבר הכללי של מטריצה הפוכה, באופן שנובע ממנו כי מטריצה היא הפיכה אם ורק אם הדטרמיננטה שלה שונה מ-0.

נוסחת קרמר[עריכת קוד מקור | עריכה]

כידוע מאלגברה לינארית, למערכת משוואות ריבועית (כלומר, מספר המשתנים שווה למספר המשוואות) המיוצגת על ידי , כאשר היא מטריצה ריבועית, ו- הוא וקטור עמודה, קיים פתרון יחיד אם ורק אם .

על פי נוסחת קרמר, הרכיב ה- של וקטור הפתרון נתון על ידי

כאשר היא המטריצה המתקבלת על ידי החלפת העמודה ה- שבמטריצה בווקטור .

דוגמה[עריכת קוד מקור | עריכה]

נתונה מערכת המשוואות

כלומר המערכת מיוצגת על ידי המטריצה , והווקטור .

נחשב את הדטרמיננטות:

והפתרון נתון על ידי

הוכחה[עריכת קוד מקור | עריכה]

הוכחה בעזרת התכונות של פונקציית נפח[עריכת קוד מקור | עריכה]

נניח כי נתונה המערכת . נסמן את עמודות המטריצה ב . הטענה כי הווקטור פותר את המערכת היא בעצם הטענה כי

נחשוב על הדטרמיננטה כעל פונקציית נפח, המקבלת כארגומנטים את עמודות המטריצה:

הדטרמיננטה מתקבלת מהחלפת העמודה ה-k בעמודה b. כלומר:

מכיוון שהדטרמיננטה, כפונקציית נפח, היא לינארית בכל רכיב, מתקבל

ומתכונת פונקציית הנפח, לכל מתקיים כי ולכן נותרנו עם

ולכן .

הוכחה בעזרת הרחבת המטריצה[עריכת קוד מקור | עריכה]

נניח כי נתונה מערכת לא הומוגנית:

כאשר הוא וקטור הפתרון (היחיד) של המערכת. לחישוב האיבר ה- של , נוסיף למערכת משוואה אחת, כך:

כאשר בשורה התחתונה במטריצה כל האברים הם אפס, פרט לעמודה ה- ולעמודה ה-. מכיוון שהווקטור פותר את המערכת, קל לראות על ידי העברת אגפים כי הווקטור המורחב פותר את המערכת המורחבת, שהיא כעת מערכת הומוגנית. טענה מאלגברה לינארית אומרת כי למערכת משוואות הומוגנית יש פתרון לא טריוויאלי אם ורק אם הדטרמיננטה מתאפסת. הווקטור המורחב אינו וקטור האפס והוא פותר את המערכת, ולכן הדטרמיננטה של המטריצה המורחבת חייבת להתאפס. נפתח את הדטרמיננטה לפי השורה התחתונה, ונשים לב כי המינור ה- הוא פשוט הדטרמיננטה של המטריצה מוכפל בגורם , מכיוון שכדי להביא את העמודה האחרונה למקום ה- יש לבצע על העמודות תמורה שהיא מחזור באורך . בנוסף, מהנוסחה לפיתוח המינור יש להכפיל בגורם ולכן מתקבל:

כלומר,