Processing math: 100%

Ранг матрицы

Пусть задана матрица A=(a11a12a1na21a22a2nam1am2amn), где n столбцов и m строк. Заметим, что числа не имеют никакой связи между собой. Будем рассматривать столбцы как вектора mмерного пространства. То есть в таком виде: α1=(a11,a21,,am1), α2=(a12,a22,,am2), αm=(a1n,a2n,,amn). Они могут быть линейно зависимыми. Тогда имеет место такое определение:

Определение. Пусть задана матрица A=aijMm×n(P).
Рангом матрицы называется ранг системы её столбцов, то есть количество векторов (столбцов) в максимально линейно независимой системе столбцов матрицы A. Обозначение: rankA.

Примечание. Ранг нулевой матрицы равен нулю.
(000000000). Как видим, столбцы равны между собой, а значит линейно независимые столбцы отсутствуют, их количество равно нулю и, по определению, ранг равен нулю.

Ранг системы столбцов также можно называть «столбцовым» рангом. Очевидно, для строк существует аналогичное название — «строчный» ранг. Однако в этом случае строки будут рассматриваться как вектора nмерного пространства, а именно: β1=(a11,a12,,a1n), β2=(a21,a22,,a2n), βn=(am1,am2,,amn). Ранги равны между собой, что следует из теоремы о ранге матрицы. Необходимо упомянуть, что rankAmin{n,m}, где n — количество столбцов матрицы A, а m — количество строк. Этот факт также следует из теоремы.

Пример. Найти ранг матрицы A=(1325126541251632031009).Запишем столбцы как вектора и проверим есть ли зависимость: α1=(1,5,2), α2=(3,4,0), α3=(2,1,3), α4=(5,25,10), α5=(12,16,0), α6=(6,3,9). В нашем случае она очевидна: α4=5α1, α5=4α2, α6=3α3. Значит, линейно независимых столбцов в матрице три и, по определению, rankA=3.

Пример. Найти ранг матрицы A=(124036782480). Ранг столбцов равен 4. Но это превышает ранг матрицы, который должен быть не больше трех. Узнаем, с помощью элементарных преобразований, есть ли среди строк линейно зависимые: (124036782480)(1240011580000)(124001158).Линейно независимых строк две. Позже будет доказано, что «строчный» ранг равен рангу матрицы. А так как нам известен ранг строк, можно сказать, что rankA=2.

Смотрите также

  1. Курош А.Г. Курс высшей алгебры М.: Наука, 1968, стр. 71
  2. Александров П.С. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры — 2009 стр. 346
  3. Личный конспект, составленный на основе лекций Белозерова Г.С.

Теорема о ранге матрицы

Теорема. Рангу матрицы соответствует наибольший порядок минора, не равный нулю.

Дана матрица A=aijMm×n(P). Пусть максимально возможный порядок ненулевого минора равен p. Следовательно, имеется хотя бы один минор M, отличный от нуля, с порядком p.

Допустим, для удобства доказательства, минор M находится в левой верхнем углу матрицы: (a11a1pa1p+1a1na21a2pa2p+1a2nap1appapp+1apnap+11ap+1pap+1p+1ap+1nam1ampamp+1amn),M=|a11a1pa21a2pap1app|.

Рассмотрим первые p столбцов матрицы. Если они составляют базу системы столбцов A, тогда утверждение rankA=p справедливо. По определению базы системы векторов (столбцов), эта система должна быть линейно независимой. Предположим, выбранная система линейно зависима, что означает линейную зависимость столбцов минора. Из этого следует, что минор равен нулю по критерию равенства определителя нулю и определению минора. По условию M0, возникает противоречие. То есть система столбцов линейно независима и, по определению ранга, rankA=p.

Теперь докажем, что остальные столбцы матрицы линейно выражаются через первые p. Рассмотрим определитель p+1 порядка: M=|a11a1pa1la21a2pa2lap1appaplai1aipail|, где  i=¯1,m, l=¯p+1,n.

При каком-либо i детерминант равен 0. Докажем, что это так. Рассмотрим случай, когда i=¯1,p. Две строки определителя совпадают и тогда по свойству M=0. В случае, когда i лежит между p+1 и m, вспомогательный определитель M является минором матрицы A и имеет порядок p+1. Однако все миноры порядков больших p равны 0, что подразумевается непосредственно в формулировке нашей теоремы, следовательно M=0.

Можно получить данный минор, воспользовавшись теоремой о разложении определителя по строке. В данном случае разложим по последней. Имеем ai1Ai1+ai2Ai2++aipAip+aijM=0, где Ai1,Ai2,,Aipалгебраические дополнения соответствующих элементов строки. Примечательно, что алгебраическим дополнением при aij является M. Далее ai1Ai1M+ai2Ai2M++aipAipM+aij=0.
aij=(Ai1M)ai1+(Ai2M)ai2++(AipM)aip. Формально коэффициенты (Ai1M),,(AipM) зависят от номера i, однако вычисляются независимо от него. Это некие константы, найти которые мы можем с помощью первых p столбцов. Изменяя i от 1 до p, можно получить весь столбец l как линейную комбинацию первых p столбцов. Теорема доказана.

Следствие 1. «Столбцовый» ранг матрицы A совпадает со «строчным».
Чтобы сравнить соответствующие ранги, транспонируем матрицу. Её ранг при этом не изменится, так как в новой матрице значения всех миноров сохранились по свойству определителя транспонированной матрицы. В новой матрице рангом будет ранг строк исходной матрицы, которые стали столбцами после транспонирования. Таким образом, ранги столбцов и строк данной матрицы равны между собой.

Следствие 2. Из равенства нулю определителя матрицы следует, что столбцы матрицы линейно зависимы.
Пусть задана матрица A=aij порядка n большего единицы. По условию detA=0, значит наибольший порядок отличного от нуля минора меньше n и rankA<n. По свойству ранга система линейно зависима.

Значительно упрощает вычисление ранга метод окаймляющих миноров. Минор является окаймляющим, если содержит в себе минор меньшего порядка. Метод состоит в том, чтобы среди окаймляющих миноров каждого порядка поочередно искать ненулевые миноры. Рассмотрим на примере матрицы 3го порядка. Например, для ненулевого минора |a21| окаймляющими будут миноры второго порядка |a11a12a21a22| и |a21a22a31a32|. Если их значения равны 0, ранг матрицы равен 1, иначе переходим к следующему порядку. Определитель матрицы — единственный окаймляющий минор третьего порядка. Если он нулевой, ранг равен двум, иначе трём. Получается, мы действуем до тех пор, пока не найдем нулевые миноры или порядок ненулевого минора не совпадает с количеством столбцов(строк) матрицы.

Существует также метод элементарных преобразований, однако его преимущество только в поиске ранга матрицы, более о матрице мы ничего узнать не сможем. Данный метод следует применять на практике при работе с очень большими порядками и ограниченным количеством времени. Его суть в том, чтобы преобразовать матрицу к диагональному виду и узнать её ранг. Так как новая матрица будет эквивалентна данной матрице, её ранг будет рангом исходной матрицы по свойству ранга эквивалентных матриц.

Примеры решения задач

  1. Найти ранг матрицы A методом окаймления миноров A=(132145431532113).
    Решение
  2. Найти ранг матрицы A+C2, где A=(245100321),C=(101302110).
    Решение
  3. Дана матрица A=(310λ450861107271312). При каком λ ранг матрицы будет равен 1? 2?
    Решение
  4. Найти максимально линейно независимую подсистему системы векторов α1=(3,1,3), α2=(7,2,5),α3=(5,1,11),α4=(1,4,23).
    Решение
  5. Чему равно значение выражения 6rank2A+2rankArankB13rank2B, где A=(122536115401127141435103450), B=(12114123246)?
    Решение

Теорема о ранге матрицы

Тест на знание темы «Теорема о ранге матрицы».

Смотрите также

  1. Курош А.Г. Курс высшей алгебры М.: Наука, 1968, стр. 71-75
  2. А. И. Кострикин Введение в алгебру М.: Наука, 1994, стр.88-89
  3. К. Д. Фадеев Лекции по алгебре М.: Наука, 1984 стр.113-115
  4. Александров П.С. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры — 2009 стр. 346-349
  5. Личный конспект, составленный на основе лекций Белозерова Г.С.