Fórmula de Leibniz para el cálculo de determinantes

En álgebra lineal, la fórmula de Leibniz expresa el determinante de una matriz cuadrada en términos de permutaciones de los elementos de la matriz. La fórmula debe su nombre a Gottfried Leibniz, la fórmula para una matriz de orden es:

donde

y donde sgn es la función signo de permutaciones en el grupo de permutación Sn, que devuelve +1 si la permutación es par y −1 si es impar.

Otra notación común usada para la fórmula utiliza símbolos de Levi-Civita y la notación de Einstein, quedando:

que puede ser más familiar para los físicos.

Evaluar directamente la fórmula de Leibniz requiere operaciones en general. Esto es, necesita un número de operaciones asintóticamente proporcional a n factorial, ya que n! es el número de permutaciones de orden n, lo que resulta aparatoso para valores grandes de n. En su lugar, el determinante se puede evaluar en O(n3) operaciones mediante la descomposición LU de la matriz (, normalmente a través de la eliminación gaussiana o métodos similares). En ese caso, , y los determinantes de las matrices triangulares L y U serán los productos de las entradas de sus respectivas diagonales principales. En la práctica de álgebra lineal, sin embargo, rara vez se requiere el cálculo explícito del determinante. Ver, por ejemplo, Trefethen y Bau (1997).

Declaración formal y pruebaEditar

Teorema. Existe exactamente una función multilineal alternada:

 

tal que  .

Prueba.

Existencia: La función  , definida por la fórmula de Leibniz, debe cumplir estas tres propiedades:

  • Multilinealidad (esto es, conserva la suma y el producto por escalar en cada componente):
 .
 .
  • Función alternada (o sea, que si dos componentes son iguales, la función se anula).
 .
Para cualquier  , sea   la permutación igual a   salvo porque intercambia las imágenes de   y  .
 
Por lo tanto, si   entonces  .
  • Finalmente,  :
 .

Singularidad: Sea   una función de ese tipo, y sea   una matriz  . Llámese   a la  -ésima columna de  , i.e.   de modo que  

También, sea   la  -ésima columna de la matriz de identidad, en forma de vector.

Ahora se escribe cada uno de los vectores   en términos de los vectores  , por ejemplo:

 .

Como   es multilineal, se tiene

 

Ahora bien, como   es alternada, cualquier combinación con índices repetidos es cero; por lo que el sumatorio puede reducirse a las tuplas con índices no repetidos, es decir, a únicamente las permutaciones:

 

donde   es el grupo simétrico de los primeros n enteros (es decir, el conjunto de todas las permutaciones de los primeros n enteros). Como la función   es alternada, el orden de los vectores   sólo afecta para el signo del resultado, de forma que se puede extraer la permutación por la función signo. Como  :

 

que es precisamente la función definida por la fórmula de Leibniz.

Véase tambiénEditar

ReferenciasEditar