Wir wollen uns in diesem Kapitel nochmals der Frage zuwenden, wie wir ein lineares Gleichungssystem der Form
mit einer quadratischen und invertierbaren Koeffizientenmatrix
, sowie
,
lösen können.
bezeichnet dabei wie üblich einen Körper - in unseren Fällen also entweder den Körper der reellen oder der komplexen Zahlen.
Beweis (Cramersche Regel)
Der Beweis zur Cramerschen Regel ist leider etwas technisch und mag auf den ersten Blick vielleicht etwas abschreckend wirken, dennoch sind die verwendeten Argumente relativ einleuchtend. Wir gehen den Beweis Schritt für Schritt an:
Sei also
ein lineares Gleichungssystem mit einer quadratischen und invertierbaren Koeffizientenmatrix
, wobei
von der Form
, sowie
,
.
Wir wollen den Satz allgemein für eine beliebige Komponente
für alle
von
beweisen. Diese allgemeine Komponente
erfüllt nach dem Satz:
.
Aus dem Gleichungssystem sofort klar wird, dass gilt
. Bringen wir
auf die andere Seite haben wir dastehen:
. Aus dieser Darstellung sehen wir sofort, dass die Vektoren
linear abhängig sind. Wir wissen, dass die Determinante einer Matrix mit linear abhängigen Spaltenvektoren den Wert
hat (dies folgt aus der Multilinearität und Alternation der Determinantenfunktion). Wir wollen uns also mit Hilfe unserer linear abhängigen Vektoren die Hilfsmatrix
definieren:
.
Nun wissen wir, dass
und unter Ausnutzung der Multilinearität der Determinantenfunktion können wir schreiben:
.
Damit sind wir am Ziel, denn wir müssen jetzt nur noch Umstellen und erhalten damit die Behauptung:
.
Wir wollen das Vorgehen zur Lösungsbestimmung mit Hilfe der Cramerschen Regel anhand eines ersten Beispieles demonstrieren:
Gegeben sei das folgende lineare Gleichungssystem
Aus dem Gleichungssystem ergibt sich die für die Cramersche Regel benötigte Koeffizientenmatrix
. Unsere Koeffizientenmatrix ist offensichtlich quadratisch und zudem ergibt sich über die Regel von Sarrus, dass
, womit
gilt. Das Gleichungssystem besitzt also eine eindeutige Lösung
. Zudem erkennen wir, dass
. Unsere Lösung
erfüllt nach dem oben angeführten Satz:
wobei mir im dritten Schritt dreimal die Regel von Sarrus verwendet haben.
Unsere gefundene Lösung können wir jetzt in das ursprüngliche Gleichungssystem einsetzen
und uns davon überzeugen, dass wir uns nicht verrechnet haben.
Das Beispiel lässt bereits einen nicht unwesentlichen Nachteil der Cramerschen Regel erahnen: aufgrund der Determinantenbasiertheit der Regel wird die Bestimmung der eindeutigen Lösung für eine hohe Anzahl an Gleichungen und Variablen sehr schnell rechenaufwändig.