24._矩阵秩的性质与求法

矩阵秩的基本性质

性质1:初等变换不改变矩阵的秩 性质2:矩阵的行秩等于矩阵的列秩等于矩阵的秩

定理

AABB 等价 ,则 R(A)=R(B)R( A )=R( B )

证明:已知矩阵的初等行变换不改变知阵的秩.对矩阵 AA 实施初等列变换变为矩阵 BB ,相当于对矩阵 ATA ^{ T } 实施初等行变换变为矩阵 BTB ^{ T } ,又知 R(A)=R(AT),R(B)=R(BT)R( A )=R\left( A ^{ T }\right), R( B )=R\left( B ^{ T }\right) ,所以对矩阵 AA 实施初等列变换变为矩阵 BB ,仍旧有 R(A)=R(B)R( A )=R( B )

因此,若 ABA \sim B ,则 R(A)=R(B)R( A )=R( B )

求矩阵 A=(30213113201011122160)A=\left(\begin{array}{ccccc}3 & 0 & -2 & -1 & 3 \\ 1 & -1 & 3 & 2 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & -1 & 1 \\ 2 & -2 & 1 & 6 & 0\end{array}\right) 的秩.

解:

A=(30213113201011122160)(10111113203021322160)(10111012310052002182)(10111012310052000000),A =\left(\begin{array}{ccccc} 3 & 0 & -2 & -1 & 3 \\ 1 & -1 & 3 & 2 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & -1 & 1 \\ 2 & -2 & 1 & 6 & 0 \end{array}\right) \rightarrow\left(\begin{array}{ccccc} 1 & 0 & 1 & -1 & 1 \\ 1 & -1 & 3 & 2 & 0 \\ 3 & 0 & -2 & -1 & 3 \\ 2 & -2 & 1 & 6 & 0 \end{array}\right) \rightarrow\left(\begin{array}{ccccc} 1 & 0 & 1 & -1 & 1 \\ 0 & -1 & 2 & 3 & -1 \\ 0 & 0 & -5 & 2 & 0 \\ 0 & -2 & -1 & 8 & -2 \end{array}\right) \rightarrow\left(\begin{array}{ccccc} 1 & 0 & 1 & -1 & 1 \\ 0 & -1 & 2 & 3 & -1 \\ 0 & 0 & -5 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right),

所以 AA 的秩 R(A)=3R( A )=3

矩阵秩的求法:拿到矩阵后,做初等行变换,化为阶梯形矩阵,最后数一下阶梯是几行,他的秩就是几。

矩阵秩的性质总结

1.设 AAm×nm \times n 矩阵。矩阵 AA 中任取 rr 行和 rr 列。元素按照原来次序排列构成的 rr 阶行列式。称为矩阵A的 rr 阶子式。矩阵 AA 共有 CmrCnrC_m^r C_n^r rr 阶子式。若 AA 至少有一个rr阶子式不为 0 。但所有的 r+1r+1 阶子式皆为 0 ,则称 rr 为矩阵 AA 的秩,记为 r(A)=rr(A)=rAm×nA \rightarrow m \times n 矩阵 r(A)m.r(A)n\quad r(A) \leqslant m . \quad r(A) \leqslant n. 即 r(A)min{m,n}r(A) \leqslant \min \{m, n\}

①满阶矩阵。设 AAnn 阶矩阵。若 A0.r(A)=n|A| \neq 0 . \quad r(A)=n . ②降阶矩阵.若 (A)=0.r(A)<n(A)=0 . \quad r(A)<n . ③设 α=(a1a2an)\alpha=\left(\begin{array}{c}a_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_n\end{array}\right)r(α)1r(\alpha) \leqslant 1

α=0.r(α)=0\alpha=0 . \quad r(\alpha)=0α0.r(α)=1\alpha \neq 0 . \quad r(\alpha)=1

A=(1111312112304)r32r1r2r1(111301220122)=(111301220000)A=\left(\begin{array}{ccccc} 1 & 1 & 1 & -1 & 3 \\ 1 & 2 & 1 & 1 \\ 2 & 3 & 0 & 4 \end{array}\right) \xrightarrow[r_3-2 r_1]{\substack{r_2-r_1}}\left(\begin{array}{cccc} 1 & 1 & -1 & 3 \\ 0 & 1 & 2 & -2 \\ 0 & 1 & 2 & -2 \end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc} 1 & 1 & -1 & 3 \\ 0 & 1 & 2 & -2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right)

注:①矩阵秩的本质为方程组约束条件的个数 ②r(A)=0A=0r(A)=0 \Longleftrightarrow A=0r(A)1A0r(A) \geqslant 1 \Leftrightarrow A \neq 0r(A)2Ar(A) \geqslant 2 \Leftrightarrow A 至少两行不成比例。

性质: (1)r(A)=r(A)=r(AA)=r(AA)r(A)=r\left(A^{\top}\right)=r\left(A^{\top} A\right)=r\left(A A^{\top}\right)

(2)设 AABB 为同型矩阵 γ(A±B)γ(A)+γ(B)\gamma(A \pm B) \leq \gamma(A)+\gamma(B) A+B.ABA+B . A-Br(A)+r(B)r(A)+r(B)

(3)设 AA m×n m \times n 矩阵 BBn×sn \times s 矩阵.r(AB)min{r(A)r(B)}r(A B) \leq \min \{r(A) \cdot r(B)\}或者 {r(AB)r(A)r(AB)r(B)\left\{\begin{array}{l}r(A B) \leqslant r(A) \\ r(A B) \leqslant r(B)\end{array}\right.

(4)设 AAm×nm \times n 矩阵.BBn×sn \times s 矩阵.且 AB=0A B=0

r(A)+r(B)nAB=0\begin{gathered} r(A)+r(B) \leqslant n \\ A B=0 \end{gathered}

(5)设 AAm×nm \times n 矩阵.PQP \cdot Q 分别为 mmnn 阶可逆矩阵.则。

r(A)=r(PA)=r(AQ)=r(PAQ)r(A)=r(P A)=r(A Q)=r(P A Q)

(6)没 AAnn 阶矩阵.则 r(A)={n,r(A)=n1,r(A)=n1(n2)0,r(A)<n1r\left(A^*\right)= \begin{cases}n, & r(A)=n \\ 1, & r(A)=n-1 \quad(n \geqslant 2) \\ 0, & r(A)<n-1\end{cases}

(7)①设 A,BA, B 为别为 m×n,n×sm \times n, n \times s 矩阵.则.

max{r(A)r(B)}r(AB)r(A)+r(B)\max \{r(A) \cdot r(B)\} \leq r\binom{A}{B} \leq r(A)+r(B)

或设 AABB 分制为 m×n.m×sm \times n . m \times s 矩阵。则

max{r(A)r(B)}r(AB)r(A)+r(B)\max \{r (A) \cdot r(B)\} \leqslant r(A \vdots B) \leqslant r(A)+r(B)

r(A00B)=r(A)+r(B)r\left(\begin{array}{ll} A & 0 \\ 0 & B \end{array}\right)=r(A)+r(B)

(8)设 AAnn 所非雪矩阵.则 r(A)=1r(A)=1 的充分必要杂件是存在非零何量 α\alphaβ\beta .使得 A=αβTA=\alpha \beta T