线性代数——矩阵的秩

文章目录

  • 秩的概念
  • 秩的性质
  • 线性方程组的解
  • 矩阵可逆的充要条件

秩的概念

  • 在m×n矩阵A中,任取k行与k列(k≤m,k≤m),位于这些行列交叉处的k2个元素,不改变它们在A中所处的位置次序而得的k阶行列式,称为矩阵A的k阶子式
  • 在m×n矩阵A的k阶子式共有 C m k ⋅ C n k C^k_m\cdot C^k_n CmkCnk个。
  • 设在矩阵A中有一个不等于0的r阶子式D,且所有r+1阶子式(如果存在的话)全等于0,那么D称为矩阵A的最高阶非零子式,数r称为矩阵A的,记作R(A)。
  • 规定零矩阵的秩等于0.
  • n阶矩阵A的n阶子式是|A|,当|A| ≠ 0时R(A) = n,当|A| = 0时R(A) < n,可见可逆矩阵的秩等于矩阵的阶数,不可逆矩阵的秩小于矩阵的阶数。因此,可逆矩阵又称为满秩矩阵,不可逆矩阵(奇异矩阵)又称为降秩矩阵。
  • 行阶梯矩阵的秩等于非零行的行数

秩的性质

  • 若A为m×n矩阵,则0 ≤ R(A) ≤ min{m, n}
  • R(AT) = R(A)
  • A ∼ B A\sim B AB,则R(A) = R(B)
  • 若矩阵P、Q可逆,则R(PAQ) = R(A)
  • max{R(A), R(B)} ≤ R(A, B) ≤ R(A)+R(B)
    特别地,当B = b为非零列向量时,有R(A) ≤ R(A, b) ≤ R(A)+1
  • R(A+B) ≤ R(A)+R(B)
    R(A+B) ≤ R(A+B, B) = R(A, B) ≤ R(A)+R(B)
  • R(AB) ≤ min{R(A), R(B)}
  • 若Am×nBn×i = O,则 R(A) + R(B) ≤ n

线性方程组的解

{ a 11 x 1 + a 12 x 2 + ⋯ + a 1 n x n = b 1 , a 21 x 1 + a 22 x 2 + ⋯ + a 2 n x n = b 2 , ⋯ ⋯ a m 1 x 1 + a m 2 x 2 + ⋯ + a m n x n = b m \left\{\begin{matrix} a_{11}x_1+a_{12}x_2+\cdots+a_{1n}x_n=b_1,\\ a_{21}x_1+a_{22}x_2+\cdots+a_{2n}x_n=b_2,\\ \cdots \cdots \\ a_{m1}x_1+a_{m2}x_2+\cdots+a_{mn}x_n=b_m\end{matrix}\right. a11x1+a12x2++a1nxn=b1,a21x1+a22x2++a2nxn=b2,am1x1+am2x2++amnxn=bm
可以写成
A x = b Ax=b Ax=b

  • 无解的充分必要条件是 R(A) < R(A, b)
  • 有惟一解的充分必要条件是 R(A) = R(A, b) = n
  • 有无限多解的充分必要条件是 R(A) = R(A, b) < n
  • n元齐次线性方程组 Ax = 0 有非零解的充分必要条件是 R(A) < n
  • 线性方程组 Ax = b 有解的充分必要条件是 R(A) = R(A, b)

矩阵可逆的充要条件

  • |A| ≠ 0
  • R(A) = n
  • A ∼ r E A\overset{r}{\sim}E ArE

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