矩阵的秩
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用行列式定义
设矩阵中有一个阶非零子式,且所有阶子式(如果存在的话)全等于0,那么称为矩阵的最高阶非零子式,数称为矩阵的秩,记为.并规定零矩阵的秩等于0。
用线性映射定义
考虑线性映射:
对于每个矩阵,都是一个线性映射,同时,对每个的线性映射,都存在矩阵使得。也就是说,映射
是一个同构映射。所以一个矩阵A的秩序还可定义为的像的维度(像与核的讨论参见线性映射)。矩阵A称为fA的变换矩阵。这个定义的好处是适用于任何线性映射而不需要指定矩阵,因为每个线性映射有且仅有一个矩阵与其对应。秩还可以定义为n减f的核的维度;秩-零化度定理声称它等于的像的维度。
向量组的秩
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用最大无关组定义
设有向量组,若能在中选出个向量,满足
(i)向量组线性无关;
(ii)向量组中任意个向量(如果有的话)都线性相关,
那么称向量组是向量组的一个最大无关组,其所含向量个数称为向量组的秩,记为.
用线性空间定义
在一个线性空间中,一个向量组秩序表示的是其生成的子空间的维度。考虑矩阵,将的秩定义为向量组的秩,则可以看到如此定义的的秩就是矩阵的线性无关纵列的极大数目,即的列空间的维度(列空间是由的纵列生成的的子空间)。因为列秩和行秩是相等的,我们也可以定义的秩为的行空间的维度。
矩阵法的性质
(1);
(2);
(3)若,则;
(4)若可逆,则;
(5)当且仅当存在可逆矩阵使得(其中表示阶单位矩阵)时,;
(6)若为方阵(即),则与可逆等价;
(7);
(8);
(9),
推广到多个矩阵的情况,即;
(10)若,则;
考虑域上的矩阵,其描述的线性映射记为:
(1)当且仅当(即矩阵列满秩序列时,是单射;
(2)当且仅当(即矩阵行满秩)时,是满射;
(3)矩阵的秩加上矩阵的零化度等于矩阵的纵列数(即秩-零化度定理)。
向量组的秩的性质
(1)矩阵的秩等于它的列向量组的秩,也等于他的行向量组的秩;
(2)向量能由向量组线性表示的充要条件是;
(3)向量组能由向量组线性表示的充要条件是
(4)若向量组能由向量组线性表示,则;
(5)向量组线性相关的充要条件是,其线性无关的充要条件是;
计算矩阵A的秩的最容易的方式是高斯消去法。高斯算法生成的A的行梯阵形式有同A一样的秩,它的秩就是非零行的数目。
例如考虑 4 × 4 矩阵
我们看到第 2 纵列是第 1 纵列的两倍,而第 4 纵列等于第 1 和第 3 纵列的总和。第1 和第 3 纵列是线性无关的,所以A的秩是 2。这可以用高斯算法验证。它生成下列A的行梯阵形式:
它有两个非零的横行。
在应用在计算机上的浮点数的时候,基本高斯消去(LU分解)可能是不稳定的,应当使用秩启示(revealing)分解。一个有效的替代者是奇异值分解(SVD),但还有更少代价的选择,比如有支点(pivoting)的QR分解,它也比高斯消去在数值上更强壮。秩的数值判定要求对一个值比如来自 SVD 的一个奇异值是否为零的依据,实际选择依赖于矩阵和应用二者。
解线性方程组
记线性方程组的系数矩阵为,增广矩阵为,则
(i),方程组有惟一解;
(ii),方程组有无穷解;
(iii),方程组无解。
判断向量组的线性相关性
参见“性质”一节。
其它
在解析几何中,矩阵的秩可用来判断空间中两直线、两平面及直线和平面之间的关系;
在控制论中,矩阵的秩序可以用来确定线性系统是否为可控制的(或可观察的)。
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