矩阵的秩是线性代数中的核心概念之一,刻画了矩阵内部行(或列)向量之间的本质线性独立维数与结构特征。按子式定义直接计算矩阵的秩计算量庞大,为此本节引入矩阵的三种初等变换,证明初等变换不改变矩阵的秩这一核心定理,进而建立行阶梯形矩阵、行最简形矩阵与等价标准形,最后阐明利用初等行变换高效求解齐次线性方程组的算法原理。
一、矩阵的秩
Section titled “一、矩阵的秩”对于一般的 m × n 矩阵,若行数与列数不相等,则矩阵自身不能构成行列式。为此引入矩阵的子式概念。
在 m × n 矩阵 A 中,任意取定某 k 行(i₁ < i₂ < … < iₖ)和某 k 列(j₁ < j₂ < … < jₖ,k ≤ min{m, n}),位于这些行与列交叉处的 k² 个元素按原来的相对顺序排成的 k 阶行列式
aᵢ₁ j₁ & aᵢ₁ j₂ & … & aᵢ₁ jₖ aᵢ₂ j₁ & aᵢ₂ j₂ & … & aᵢ₂ jₖ vdots & vdots & ddots & vdots aᵢₖ j₁ & aᵢₖ j₂ & … & aᵢₖ jₖ称为 A 的一个 k 阶子式。显然,在 m × n 矩阵 A 中,k 阶子式的总数为 Cₘ^k × Cₙ^k。把 A 中对应不同 k 的所有 k 阶子式放在一起,可以分成值为零与值不为零两大类。值不为零的子式称为非零子式。
设在矩阵 A 中有一个 r 阶非零子式,且所有的 r+1 阶子式(如果存在的话)全等于零,则称矩阵 A 的秩(rank)为 r,记为 r(A) = r(有时也可用 rank(A) 表示)。零矩阵的秩规定为 0。
由定义可以直接得到以下性质:
- 若 A 为 m × n 矩阵,则 A 的秩不会大于行数,也不会大于列数,即
- r(A^T) = r(A);对于任意非零常数 k,有 r(kA) = r(A);
- 若 r(A) = r,则 A 中所有大于 r 阶的子式全为零,即 r 为 A 中不等于零的子式的最高阶数;
- 若 A 的所有 r+1 阶子式全为零,则 r(A) ≤ r;
- 若 A 中存在一个 r 阶子式不为零,则 r(A) ≥ r。
求矩阵
A = 2 & -3 & 8 & 2 2 & 12 & -2 & 12 1 & 3 & 1 & 4的秩。
解
容易算出其中的一个二阶子式
2 & -3 2 & 12 = 30 ≠ 0.而矩阵 A 的所有三阶子式共 C₃³ × C₄³ = 4 个:
2 & -3 & 8 2 & 12 & -2 1 & 3 & 1 &= 0, & 2 & -3 & 2 2 & 12 & 12 1 & 3 & 4 &= 0, -3 & 8 & 2 12 & -2 & 12 3 & 1 & 4 &= 0, & 2 & 8 & 2 2 & -2 & 12 1 & 1 & 4 &= 0.因为存在二阶非零子式,且所有三阶子式全为零,所以 r(A) = 2。
由上例可以看出,按定义求矩阵的秩需要计算大量行列式,非常繁琐。下面引入初等变换方法,为求矩阵的秩提供极为高效的统一工具。
二、矩阵的初等变换
Section titled “二、矩阵的初等变换”对矩阵 A = (aᵢj)ₘ × n 施行以下三种变换,称为矩阵的初等行变换:
- 对调变换:对调 A 的某两行(对调 i, j 两行,记作 rᵢ ightarrow rⱼ);
- 数乘变换:用一个非零数 k(k ≠ 0)乘 A 的某一行中的所有元素(第 i 行乘 k,记作 k rᵢ);
- 倍加变换:把某一行所有元素的 k 倍加到另一行对应的元素上去(第 j 行的 k 倍加到第 i 行上,记作 rᵢ + k rⱼ)。
类似地,若将上述定义中的“行”换成“列”,即得到矩阵的三种初等列变换(记号用 c 代替 r)。矩阵的初等行变换和初等列变换统称为矩阵的初等变换。
三种初等变换都是可逆变换,且其逆变换也是同类型的初等变换:
- rᵢ ightarrow rⱼ 的逆变换就是其自身;
- k rᵢ(k ≠ 0)的逆变换为 1/k rᵢ;
- rᵢ + k rⱼ 的逆变换为 rᵢ - k rⱼ。
若矩阵 A 经过有限次初等变换变为 B,则称矩阵 A 与 B 等价,记为 A cong B。
矩阵之间的等价关系满足以下三条性质:
- 反身性:A cong A;
- 对称性:若 A cong B,则 B cong A;
- 传递性:若 A cong B 且 B cong C,则 A cong C。
初等变换不改变矩阵的秩。即若 A cong B,则 r(A) = r(B)。
证明
仅证初等行变换的情形(列变换类似):
- 将矩阵 A 的两行互换后得到矩阵 B,由行列式性质知,B 的子式与 A 相对应的子式或者相等,或者只差一个符号,从而非零子式的最高阶数不变,即 r(A) = r(B)。
- 将矩阵 A 的某一行乘某一非零数 k 得到矩阵 B,由行列式性质知,B 的子式或者是 A 相应子式的 k 倍,或者相等。因为 k ≠ 0,所以子式为零的性质不改变,因此 r(A) = r(B)。
- 将矩阵 A 的第 j 行的 k 倍加到第 i 行上得到矩阵 B。设 r(A) = r,为了证明 r(B) = r,先证 r(B) ≤ r(A)。
若矩阵 B 没有阶数大于 r 的子式,自然没有阶数大于 r 的非零子式,因此 r(B) ≤ r(A)。
若矩阵 B 存在 r+1 阶子式,设 Dᵣ+1 为 B 的任一 r+1 阶子式,分三种情况讨论:
- 若 Dᵣ+1 不含第 i 行元素,则 Dᵣ+1 也是矩阵 A 的 r+1 阶子式,因 r(A) = r,故 Dᵣ+1 = 0;
- 若 Dᵣ+1 同时包含第 i, j 两行元素,则 Dᵣ+1 是 A 中相应的 r+1 阶子式将含第 j 行元素的 k 倍加到第 i 行上得到的,由行列式性质,Dᵣ+1 的值与 A 中原对应子式相等,故 Dᵣ+1 = 0;
- 若 Dᵣ+1 含第 i 行元素而不含第 j 行元素,按拆行性质可拆为两项:
其中 Dᵣ+1^((1)) 是 A 的一个 r+1 阶子式,故 Dᵣ+1^((1)) = 0;Dᵣ+1^((2)) 是把第 i 行元素替换为第 j 行对应元素后的行列式,也是 A 的 r+1 阶子式,故 Dᵣ+1^((2)) = 0。从而 Dᵣ+1 = 0。
以上证明了矩阵 B 的所有 r+1 阶子式全等于零,所以 r(B) ≤ r(A)。
同理,由于矩阵 A 可以由 B 施行逆初等变换得到(将第 j 行的 -k 倍加到第 i 行),故也有 r(A) ≤ r(B)。综合两方面,得 r(A) = r(B)。
由单次初等变换保秩,经过有限次初等变换后矩阵的秩仍不变。
三、用初等变换求矩阵的秩
Section titled “三、用初等变换求矩阵的秩”设
A = 2 & -3 & 8 & 2 2 & 12 & -2 & 12 1 & 3 & 1 & 4 ,求矩阵 A 的秩。
解
对 A 施行初等行变换:
A xrightarrowr₁ ightarrow r₃ 1 & 3 & 1 & 4 2 & 12 & -2 & 12 2 & -3 & 8 & 2 xrightarrowsubstackr₂ - 2r₁ r₃ - 2r₁ 1 & 3 & 1 & 4 0 & 6 & -4 & 4 0 & -9 & 6 & -6 xrightarrowr₃ + 3/2r₂ 1 & 3 & 1 & 4 0 & 6 & -4 & 4 0 & 0 & 0 & 0 = B.在矩阵 B 中,所有三阶子式全为零(因为第三行全为零),且存在二阶非零子式
1 & 3 0 & 6 = 6 ≠ 0,所以 r(B) = 2。由定理2 知,r(A) = r(B) = 2。
上例中的矩阵 B 称为行阶梯形矩阵,其结构特征为:
- 如果存在全零行(元素全为零的行),则全零行都位于矩阵中非零行的下方;
- 各非零行中从左边数起的第一个非零元素(称为主元)的列指标 j 随着行指标 i 的递增而严格增大。
对于阶梯形矩阵,每个台阶只有一行,台阶数即为非零行的行数。阶梯形矩阵的最高阶非零子式阶数恰好等于非零行数 r,因此:
r(行阶梯形矩阵) = 非零行行数.若进一步对矩阵施行初等行变换,将阶梯形矩阵的主元全部化为 1,且将这些主元所在列的其他元素化为 0,得到的矩阵称为行最简形矩阵。
进一步如果允许初等列变换,任何矩阵最终都可以化为如下的等价标准形:
A cong Eᵣ & O O & O , (2.8)其中 Eᵣ 是 r 阶单位矩阵,r = r(A)。
设 A 为 n 阶方阵。若 A cong E,则称 A 为满秩矩阵;否则称为降秩矩阵。
若 A cong E,则 r(A) = n,从而 |A| ≠ 0,即满秩矩阵就是可逆矩阵(非奇异矩阵);降秩矩阵就是不可逆矩阵(奇异矩阵)。
求矩阵
A = 1 & 2 & 3 & 4 -1 & -1 & -4 & -2 3 & 4 & 11 & 8的秩,并将其化为行阶梯形、行最简形与等价标准形。
解
对 A 施行初等行变换:
A xrightarrowsubstackr₂ + r₁ r₃ - 3r₁ 1 & 2 & 3 & 4 0 & 1 & -1 & 2 0 & -2 & 2 & -4 xrightarrowr₃ + 2r₂ 1 & 2 & 3 & 4 0 & 1 & -1 & 2 0 & 0 & 0 & 0 = B₁.B₁ 即为 A 的行阶梯形矩阵,非零行数为 2,由此可知 r(A) = 2。
继续对 B₁ 施行初等行变换化简:
B₁ xrightarrowr₁ - 2r₂ 1 & 0 & 5 & 0 0 & 1 & -1 & 2 0 & 0 & 0 & 0 = B₂.B₂ 为 A 的行最简形矩阵。
再对 B₂ 施行初等列变换:
B₂ xrightarrowsubstackc₃ - 5c₁ c₃ + c₂ c₄ - 2c₂ 1 & 0 & 0 & 0 0 & 1 & 0 & 0 0 & 0 & 0 & 0 = B₃.B₃ 即为 A 的等价标准形 E₂ & O O & O。
四、线性方程组与矩阵的初等变换
Section titled “四、线性方程组与矩阵的初等变换”对于含有 m 个方程的 n 元线性方程组
a₁1x₁ + a₁2x₂ + … + a₁nxₙ = b₁, a₂1x₁ + a₂2x₂ + … + a₂nxₙ = b₂, vdots aₘ1x₁ + aₘ2x₂ + … + aₘnxₙ = bₘ, (2.9)用矩阵乘法可写为
Ax = b, (2.10)其中 A = (aᵢj)ₘ × n 称为方程组的系数矩阵,x = (x₁, …, xₙ)^T 为未知量向量,b = (b₁, …, bₘ)^T 为常数项向量。当 b = 0 时,称方程组为齐次线性方程组,记作 Ax = 0。
解线性方程组的高斯消元法,在代数本质上就是对包含系数的增广矩阵(齐次时即系数矩阵)施行初等行变换。
解齐次线性方程组:
x₁ - x₂ - x₃ + x₄ = 0, & (1) x₁ - x₂ + x₃ - 3x₄ = 0, & (2) x₁ - x₂ - 2x₃ + 3x₄ = 0. & (3) (2.11)解
对系数矩阵 A 施行初等行变换:
A = 1 & -1 & -1 & 1 1 & -1 & 1 & -3 1 & -1 & -2 & 3 xrightarrowsubstackr₂ - r₁ r₃ - r₁ 1 & -1 & -1 & 1 0 & 0 & 2 & -4 0 & 0 & -1 & 2 xrightarrowsubstack1/2r₂ r₃ + r₂ 1 & -1 & -1 & 1 0 & 0 & 1 & -2 0 & 0 & 0 & 0 = B₁.继续化为行最简形:
B₁ xrightarrowr₁ + r₂ 1 & -1 & 0 & -1 0 & 0 & 1 & -2 0 & 0 & 0 & 0 = B₂.B₂ 对应的同解方程组为
x₁ - x₂ - x₄ = 0, x₃ - 2x₄ = 0.取 x₂, x₄ 为自由未知量,解得
x₁ = x₂ + x₄, x₃ = 2x₄.令 x₂ = k₁, x₄ = k₂(k₁, k₂ 为任意实数),则方程组的通解向量形式为
x = x₁ x₂ x₃ x₄ = k₁ + k₂ k₁ 2k₂ k₂ = k₁ 1 1 0 0 + k₂ 1 0 2 1 .n 元齐次线性方程组 Ax = 0 有非零解的充分必要条件是系数矩阵 A 的秩
r(A) < n.证明
必要性:设方程组 Ax = 0 有非零解,反证假设 r(A) = n。则 A 中必有一个 n 阶非零子式 Dₙ ≠ 0。根据克拉默法则,这 n 个方程组成的方程组只有零解,与原方程组有非零解矛盾,故必有 r(A) < n。
充分性:设 r(A) = r < n,则 A 的行阶梯形矩阵只有 r 个非零行,从而同解方程组中含有 n - r > 0 个自由未知量。令自由未知量取不全为零的值(例如取为 1),即可得到方程组的一个非零解。
含有 n 个方程的 n 元齐次线性方程组 Ax = 0 有非零解的充分必要条件是
|A| = 0.