Wann darf ich Zeilen bzw. Spaltenumformungen verwenden
FAQ:
- Wann darf ich welche Zeilen und wann Spaltenumformungen verwenden ?
Definiton/Konvention
Eine Zeilenumformung ist im folgenden definiert als:
- Addition des \(\lambda\)-fachen der \(i\)-ten Zeile zur \(j\)-ten Zeile für \(i \neq j\)
- das Skalieren von der \(i\)-ten Zeile mit einem Faktor \(\lambda \neq 0, \lambda \in K\)
- das Vertauschen von \(i\)-ter und \(j\)-ter Zeile für \(i \neq j\)
Spaltenumformungen sind analog definiert.
Algorithmus
Lineare Gleichungssystem
Man darf hier 1) + 2) + 3) nur für Zeilen verwenden.
Rang einer Matrix
Hier darf man 1) + 2) + 3) für Zeilen und Spalten verwenden.
Invertieren einer Matrix
Hier darf man 1) + 2) + 3) verwenden.
Dabei muss man sich zu Beginn entscheiden, ob man entweder nur Zeilen- oder nur Spaltenumformungen verwendet.
Das Ergbebnis der beiden Varianten ist immer gleich gut (d.h. beide Algorithmen führen zum Ziel g.d.w. die Matrix invertierbar ist).
Meine Empfehlung: verwendet kategorisch nur Zeilenumformungen (die verwendet man schon beim LGS; wenn man die Varianten nicht mischt, dann kann man weniger Fehler machen)
Determinante (durch Umformung auf eine Dreiecksmatrix)
Sei \(A \in K^{n \times n}\)
Hier darf man 1) für Zeilen und Spalten verwenden.
Zudem darf man 2) für Zeilen und Spalten verwenden, muss aber dann das Ergebnis für jede Skalierung mit \(\frac{1}{\lambda}\) multiplizieren
Zudem darf man 3) für Zeilen und Spalten verwenden, muss aber dann das Ergebnis für jede Vertauschung mit einem \((-1)\) multiplizieren.
Empfehlung zu Determinanten
Meine Empfehlung: Konkrete Determinanten kann man immer über Laplace oder Zeilenstufenform berechnen - d.h. wenn man mit einer Methode gut klarkommt, dann reicht das auch.
Ich hatte im ersten Semester das immer über Laplace berechnet.
Ich bezweifle, dass wir größere Matrizen als \(4 \times 4\) berechnen müssen - d.h. die bessere Laufzeitentwicklung der Zeilenstufenform (\(O(n^3)\)) gegenüber der Laplace Entwicklung (\(O(n!)\)) sollte für uns recht egal sein.
Allgemeinere Matrizen (also z.B. \(n \times n\) Matrizen nach einem Schema) sind für gewöhnlich trickreicher:
Da sind denke ich u.a. folgende Tricks sinnvoll:
- Leibniz Formel & geschicktes Umformen
- Induktion
- auf Zeilenstufenform bringen
- …