1、2022-8-91线性代数第9讲向量组的秩2022-8-92在R3中,给定四个共面向量a1,a2,a3,a4,它们显然是线性相关的,但它们中存在两个线性无关的向量,而任一个向量都可由这两个线性无关的向量线性表示(例如:a1,a2线性无关,a3,a4可由a1,a2线性表示).此外它们中任意三个向量是线性相关的,即它们中任一个线性无关的部分组最多只含2个向量,数2就叫作这个向量组的秩.2022-8-93a1a2a3a42022-8-94定义6 如果向量组a1,a2,.,as中存在r个线性无关的向量,且其中任一个向量可由这r个线性无关的向量线性表示,则数r称为向量组的秩,记作 秩a1,a2,.,as
2、=r.显然,如果a1,a2,.,as线性无关,则秩a1,a2,.,as=s;只含零向量的向量组的秩为零.2022-8-95定义7 如果向量组b1,b2,.,bt中每个向量可由向量组a1,a2,.,as线性表示,就称前一个向量组可由后一个向量组线性表示.如果两个向量组可以互相线性表示,则称这两个向量组是等价的.2022-8-96定理4 如果向量组b1,b2,.,bt可由向量组a1,a2,.,as线性表示,且ts,则b1,b2,.,bt线性相关.证 设1(1,2,),sjijiikjtba111110.ttsstjjjijiijjijjiijxxkk xbaa 验证b1,b2,.,bt线性相关,考
3、察x1b1+x2b2+.+xtbt=0,(3.11)即2022-8-97当10,1,2,(3.12)tijjjk xis时,(3.11)式显然成立.而(3.12)式是t个未知量x1,x2,.,xt的齐次线性方程组,由于ts(方程个数),故方程组(3.12)式有非零解,即有不全为零的x1,x2,.,xt使(3.11)式成立,所以b1,b2,.,bt线性相关.2022-8-98推论1 如果向量组b1,b2,.,bt可由向量组a1,a2,.,as线性表示,且b1,b2,.,bt线性无关,则ts.推论2 若秩a1,a2,.,as=r,则a1,a2,.,as中任何r+1个向量都是线性相关的.证 不妨设a
4、1,a2,.,ar是向量组a1,a2,.,as中的r个线性无关的向量,由于该向量组中任一个向量可由a1,a2,.,ar线性表示,由定理4立即可得其中任何r+1个向量都线性相关.2022-8-99如此,向量组的秩可等价地定义为:若向量组中存在r个线性无关的向量,且任何r+1个向量都线性相关,就称数r为向量组的秩.由此可知,秩为r的向量组中,任一个线性无关的部分组最多只含r个向量.因此,秩为r的向量组中含有r个向量的线性无关组,称为该向量组的极大线性无关组.一般情况下,极大线性无关组不唯一,但不同的极大线性无关组所含向量个数是相同的.2022-8-910推论3 设秩a1,.,as=p,秩b1,.b
5、t=r,如果向量组b1,.bt可由向量组a1,.,as线性表示,则rp.证 不妨设a1,.,ap和b1,.br分别是两个向量组的极大无关组,因此有,).,1(11111 pjjsiijkisipjjijkiksiikikcbcbtrkbaabab所以1(1,).piijjjcisaa又已知2022-8-911即b1,.br可由a1,.,ap线性表示,于是由推论1可得rp.由推论3立即可得,等价的向量组的秩相等.2022-8-9123.2 矩阵的秩2022-8-913对于矩阵A,把它的每一行(列)称为A的一个行(列)向量,把A的行(列)向量组的秩称为A的行(列)秩.显然,mn矩阵A的行秩m,列秩
6、n.2022-8-914阶梯形矩阵111213141523242534350000000000aaaaaaaaAaa(其中a110,a230,a340)的行秩=3,列秩=3,2022-8-915这是因为,把A按行和按列分块为121234534,AAaab bbbbaa则(i)由x1a1+x2a2+x3a3=0可推出数x1,x2,x3必须全为零,故a1,a2,a3线性无关,而a4=O,因此A的行秩等于3.(ii)由y1b1+y3b3+y4b4=0可推出数y1,y2,y4必须全为零,故b1,b3,b4线性无关,又易见A的任意4个列向量都线性相关)则A的列秩等于3.2022-8-916由此例可得一般
7、结论:阶梯形矩阵的行秩等于列秩,其值等于阶梯形矩阵的非零行的行数.用高斯消元法解线性方程组AX=b的消元步骤,是对增广矩阵A,b作初等行变换将其化为阶梯形矩阵,而初等行变换的倍乘,倍加变换实际是对行向量作线性运算,因此,需要研究初等行变换是否改变矩阵的行秩和列秩.2022-8-917定理1 如果对矩阵A作初等行变换将其化为B,则B的行秩等于A的行秩.证 只需证明作一次行初等变换不改变矩阵的行秩.设A是mn矩阵,A的m个行向量记作a1,a2,.,am.(i)对换A的某两行位置,所得到的矩阵B的m个行向量是A的m个行向量,显然B的行秩等于A的行秩.(ii)把A的第i行乘非零常数c得B,则B的m个行
8、向量a1,a2,.,cai,.,am,显然B的行向量组与A的行向量组是等价的,因此B的行秩等于A的行秩.2022-8-918显然B的行向量组可由A的行向量组线性表示,又aj-czi+zj,ak=zk(kj),所以A的行向量组也可由B的行向量组线性表示,因此A与B的行秩也相等.BcAiiimjimjiijcimjizzzzaaaaaaaaa111)(记作行加到行乘2022-8-919由定理1可知,对线性方程组AX=b的增广矩阵A,b,不论怎样作行初等变换将其化为阶梯形矩阵,其非零行的行数都等于A,b的行秩.2022-8-920初等行变换也不改变矩阵的列秩,这是因为定理2 对矩阵A作初等行变换化为
9、B,则A与B的任何对应的列向量组有相同的线性相关性,即:.)1(,2121212121有相同的线性相关性与则向量组初等行变换niiiBAriiiiiinnrrzzzaaazzzaaa2022-8-921证 对A作初等行变换化为B,就是用若干初等阵P1,.,Ps左乘A使之等于B,记P=Ps.P2P1,即有PA=B.从而Paj=zj,j=1,2,.,n.取121212111,rrriiiiiiTiiiABXxxxa aazzz则齐次线性方程组A1X1=O与B1X1=O(即PA1X1=O)显然是同解方程组.即A1与B1的列向量组有相同的线性相关性.2022-8-922定理2也提供了求向量组的秩及其极
10、大线性无关组的一个简便而有效的方法.即,如果要求一组给定的向量组的秩和极大无关组,则将这组向量组按列向量排成矩阵A,对矩阵A作一系列行初等变换将其变为行简化阶梯矩阵,则首项变元所在的列,对应的列向量就是极大无关组.首项变元的个数就是向量组的秩.并容易从行简化阶梯矩阵中看出其余向量和极大无关组向量间的线性关系.2022-8-923例1 设向量组:a1=-1,-1,0,0T,a2=1,2,1,-1T,a3=0,1,1,-1T,a4=1,3,2,1T,a5=2,6,4,-1T.试求向量组的秩及其一个极大线性无关组,并将其余向量用这个极大线性无关组线性表示.解 作矩阵A=a1,a2,a3,a4,a5,
11、对A作初等行变换将其化为行简化阶梯阵,即11012121360112401111A-2022-8-924121110121213601124011111101201124(1)0112401111A-2022-8-9253242110120112401124011111101201124(1)0000000033-2022-8-926434110120112400000000331101210112430001100000-2022-8-9273132110120112400011000001100101102(2)0001100000-2022-8-928将U记作z1,z2,z3,z4,z5
12、.易见z1,z2,z4是U的一个极大无关组,12110010110200011000001010101102.0001100000U-2022-8-929易见z1,z2,z4是U的一个极大无关组,所以a1,a2,a4也是A的列向量组的一个极大无关组,故秩a1,a2,a3,a4,a5=3,令x1a1+x2a2+x4a4=a3y1a1+y2a2+y4a4=a5用高斯消元法解这两个线性方程组可利用阶梯阵U,得123451010101102,0001100000Uz zz zz2022-8-930得a3=a1+a2,a5=a1+2a2+a4.如果只需求向量组的秩和极大线性无关组,只要对A作初等行变换将
13、其化为一般的阶梯阵,而不必化为行简化阶梯阵.123451010101102,0001100000Uz zz zz2022-8-931由定理1和定理2可以推出:初等列变换也不改变矩阵的列秩和行秩.因为对A作列变换就是对AT作行变换,AT的行(列)秩就是A的列(行)秩.于是就有定理3 初等变换不改变矩阵的行秩和列秩.由定理1和定理2还可推出下面的定理.定理4 矩阵A的行秩等于其列秩.证 对A作初等行变换将其化为阶梯阵U,则有A的行秩=U的行秩=U的列秩=A的列秩.2022-8-932由于矩阵的行秩和列秩相等,给出下列定义.定义1 矩阵A的行秩的数值称为矩阵A的秩,记作:秩(A)或r(A).定理5
14、n阶矩阵A的秩等于n的充要条件是A为非奇异矩阵(即|A|0).证 若r(A)=n,则对A作初等行变换可将其化为有n个非零行的行简化阶梯矩阵(即单位阵I),也就是,存在可逆阵P使PA=I,故|A|0,则齐次线性方程组AX=O只有零解,故A的n个列向量线性无关,即r(A)=n.2022-8-933定义2 矩阵A=aijmn的任意k个行(i1,i2,.,ik行)和任意k个列(j1,j2,.jk列)的交点上的k2个元素按原顺序排成的k阶行列式1 11 212 12 2212(3.13)kkkkk ki ji ji ji ji ji ji ji ji jaaaaaaaaa称为A的k阶子行列式,简称A的k
15、阶子式,其值等于零(不等于零)时,称为零子式(非零子式).如j1=i1,j2=i2,.,jk=ik时,称为A的主子式.2022-8-934如矩阵A存在r阶非零子式,而所有r+1阶子式(如果存在)都等于零,则矩阵A的非零子式的最高阶数为r,因为由所有r+1阶子式都等于零可推出所有更高阶的子式都等于零.定理6 秩(A)=r的充要条件是A的非零子式的最高阶数为r.证 必要性,设秩(A)=r,即A的行秩为r,不妨设A的前r个行向量线性无关,把A的前r个行作成的矩阵记作A1,则A1的列秩=A1的行秩=r,不妨再设A1的前r个列向量线性无关.如此,由定理5可知A的左上角r阶子式为非零子式.2022-8-9
16、35又因为A的任意r+1个行向量线性相关,因此,在A的任意r+1个行中作成的任一个r+1阶子式都是零子式,故A的非零子式的最高阶数为r.充分性,不妨设A的左上角r阶子式为非零子式,令A的前r个行作成的矩阵为A1,由于A1中前r个列作成的r阶子式是非零子式,所以A1的前r个列向量线性无关,但A1的列秩=A1的行秩r,所以A1的列秩=r,从而A1的行秩=r,因此A的前r个行向量线性无关.要证秩(A)=r(即A的行秩=r),还需证明A的其余各行可由A的前r行线性表示.2022-8-936这里用反证法,假设某行(不妨假设第r+1)行不能用前r行线性表示,于是A的前r+1行线性无关,如此,由A的前r+1
17、行作成的矩阵A2的秩等于r+1,由必要性的证明可知A2存在r+1阶非零子式,这与题设矛盾.故秩(A)=r.证毕.综上所述,关于矩阵的秩的基本结论是:矩阵的秩=矩阵的行秩=矩阵的列秩=矩阵的非零子式的最高阶数;初等变换不改变矩阵的秩.2022-8-937性质1 r(A+B)r(A)+r(B)证 设A,B均是mn矩阵,r(A)=p,r(B)=q,将A,B按列分块为A=a1,a2,.,an,B=b1,b2,.,bn,于是 A+B=a1+b1,a2+b2,.,an+bn.不妨设A和B的列向量组的极大无关组分别为a1,a2,.,ap和b1,b2,.,bq,于是A+B的列向量组可由a1,a2,.,ap,b
18、1,b2,.,bq线性表示,因此,r(A+B)=A+B的列秩秩(a1,a2,.,ap,b1,b2,.,bq)p+q.2022-8-938性质2 r(AB)min(r(A),r(B)证 设A,B分别是mn,ns矩阵,将A按列分块11121212221212,ssnnnnsbbbbbbABbbba aa的列向量组g1,.,gs可由A的列向量组a1,.,an线性表示,故 r(AB)=AB的列秩A的列秩=r(A).类似地,将B按行分块可得r(AB)r(B).2022-8-939性质3 设A是mn矩阵,P,Q分别是m阶,n阶可逆矩阵,则r(A)=r(PA)=r(AQ)=r(PAQ).证 由于可逆阵P,Q可以表示为若干个初等阵的乘积,而初等变换不改变矩阵的秩,故结论成立.2022-8-940例2 设A是mn矩阵,mn,证明:|ATA|=0.证 由于r(A)=r(AT)min(m,n)n,根据性质2,有r(ATA)min(r(AT),r(A)n,而ATA是n阶矩阵,利用定理5或定理6的结论,即得|ATA|=0.2022-8-941今天作业:第142页开始13，19，20题
