Понятие о ранге матрицы. §5. Ранг матрицы и способы его вычисления Как найти ранг матрицы с помощью миноров
Для работы с понятием ранга матрицы нам понадобятся сведения из темы "Алгебраические дополнения и миноры. Виды миноров и алгебраических дополнений" . В первую очередь это касается термина "минор матрицы" , так как ранг матрицы станем определять именно через миноры.
Рангом матрицы называют максимальный порядок её миноров, среди которых есть хотя бы один, не равный нулю.
Эквивалентные матрицы - матрицы, ранги которых равны между собой.
Поясним подробнее. Допустим, среди миноров второго порядка есть хотя бы один, отличный от нуля. А все миноры, порядок которых выше двух, равны нулю. Вывод: ранг матрицы равен 2. Или, к примеру, среди миноров десятого порядка есть хоть один, не равный нулю. А все миноры, порядок которых выше 10, равны нулю. Вывод: ранг матрицы равен 10.
Обозначается ранг матрицы $A$ так: $\rang A$ или $r(A)$. Ранг нулевой матрицы $O$ полагают равным нулю, $\rang O=0$. Напомню, что для образования минора матрицы требуется вычёркивать строки и столбцы, - однако вычеркнуть строк и столбцов более, чем содержит сама матрица, невозможно. Например, если матрица $F$ имеет размер $5\times 4$ (т.е. содержит 5 строк и 4 столбца), то максимальный порядок её миноров равен четырём. Миноры пятого порядка образовать уже не удастся, так как для них потребуется 5 столбцов (а у нас всего 4). Это означает, что ранг матрицы $F$ не может быть больше четырёх, т.е. $\rang F≤4$.
В более общей форме вышеизложенное означает, что если матрица содержит $m$ строк и $n$ столбцов, то её ранг не может превышать наименьшего из чисел $m$ и $n$, т.е. $\rang A≤\min(m,n)$.
В принципе, из самого определения ранга следует метод его нахождения. Процесс нахождения ранга матрицы по определению можно схематически представить так:
Поясню эту схему более подробно. Начнём рассуждать с самого начала, т.е. с миноров первого порядка некоторой матрицы $A$.
- Если все миноры первого порядка (т.е. элементы матрицы $A$) равны нулю, то $\rang A=0$. Если среди миноров первого порядка есть хотя бы один, не равный нулю, то $\rang A≥ 1$. Переходим к проверке миноров второго порядка.
- Если все миноры второго порядка равны нулю, то $\rang A=1$. Если среди миноров второго порядка есть хотя бы один, не равный нулю, то $\rang A≥ 2$. Переходим к проверке миноров третьего порядка.
- Если все миноры третьего порядка равны нулю, то $\rang A=2$. Если среди миноров третьего порядка есть хотя бы один, не равный нулю, то $\rang A≥ 3$. Переходим к проверке миноров четвёртого порядка.
- Если все миноры четвёртого порядка равны нулю, то $\rang A=3$. Если среди миноров четвёртого порядка есть хотя бы один, не равный нулю, то $\rang A≥ 4$. Переходим к проверке миноров пятого порядка и так далее.
Что ждёт нас в конце этой процедуры? Возможно, что среди миноров k-го порядка найдётся хоть один, отличный от нуля, а все миноры (k+1)-го порядка будут равны нулю. Это значит, что k - максимальный порядок миноров, среди которых есть хотя бы один, не равный нулю, т.е. ранг будет равен k. Может быть иная ситуация: среди миноров k-го порядка будет хоть один не равный нулю, а миноры (k+1)-го порядка образовать уже не удастся. В этом случае ранг матрицы также равен k. Короче говоря, порядок последнего составленного ненулевого минора и будет равен рангу матрицы .
Перейдём к примерам, в которых процесс нахождения ранга матрицы по определению будет проиллюстрирован наглядно. Ещё раз подчеркну, что в примерах данной темы мы станем находить ранг матриц, используя лишь определение ранга. Иные методы (вычисление ранга матрицы методом окаймляющих миноров , вычисление ранга матрицы методом элементарных преобразований) рассмотрены в следующих темах.
Кстати, вовсе не обязательно начинать процедуру нахождения ранга с миноров самого малого порядка, как это сделано в примерах №1 и №2. Можно сразу перейти к минорам более высоких порядков (см. пример №3).
Пример №1
Найти ранг матрицы $A=\left(\begin{array}{ccccc} 5 & 0 & -3 & 0 & 2 \\ 7 & 0 & -4 & 0 & 3 \\ 2 & 0 & -1 & 0 & 1 \end{array} \right)$.
Данная матрица имеет размер $3\times 5$, т.е. содержит три строки и пять столбцов. Из чисел 3 и 5 минимальным является 3, посему ранг матрицы $A$ не больше 3, т.е. $\rang A≤ 3$. И это неравенство очевидно, так как миноры четвёртого порядка образовать мы уже не сможем, - для них нужно 4 строки, а у нас всего 3. Перейдём непосредственно к процессу нахождения ранга заданной матрицы.
Среди миноров первого порядка (т.е среди элементов матрицы $A$) есть ненулевые. Например, 5, -3, 2, 7. Вообще, нас не интересует общее количество ненулевых элементов. Есть хотя бы один не равный нулю элемент - и этого достаточно. Так как среди миноров первого порядка есть хотя бы один, отличный от нуля, то делаем вывод, что $\rang A≥ 1$ и переходим к проверке миноров второго порядка.
Начнём исследовать миноры второго порядка. Например, на пересечении строк №1, №2 и столбцов №1, №4 расположены элементы такого минора: $\left|\begin{array}{cc} 5 & 0 \\ 7 & 0 \end{array} \right|$. У этого определителя все элементы второго столбца равны нулю, поэтому и сам определитель равен нулю, т.е. $\left|\begin{array}{cc} 5 & 0 \\ 7 & 0 \end{array} \right|=0$ (см. свойство №3 в теме свойства определителей). Или же можно банально вычислить сей определитель, используя формулу №1 из раздела по вычислению определителей второго и третьего порядков :
$$ \left|\begin{array}{cc} 5 & 0 \\ 7 & 0 \end{array} \right|=5\cdot 0-0\cdot 7=0. $$
Первый проверенный нами минор второго порядка оказался равен нулю. О чём это говорит? О том, что нужно дальше проверять миноры второго порядка. Либо они все окажутся нулевыми (и тогда ранг будет равен 1), либо среди них найдётся хотя бы один минор, отличный от нуля. Попробуем осуществить более удачный выбор, записав минор второго порядка, элементы которого расположены на пересечении строк №1, №2 и столбцов №1 и №5: $\left|\begin{array}{cc} 5 & 2 \\ 7 & 3 \end{array} \right|$. Найдём значение этого минора второго порядка:
$$ \left|\begin{array}{cc} 5 & 2 \\ 7 & 3 \end{array} \right|=5\cdot 3-2\cdot 7=1. $$
Данный минор не равен нулю. Вывод: среди миноров второго порядка есть хотя бы один, отличный от нуля. Следовательно $\rang A≥ 2$. Нужно переходить к исследованию миноров третьего порядка.
Если для формирования миноров третьего порядка мы станем выбирать столбец №2 или столбец №4, то такие миноры будут равными нулю (ибо они будут содержать нулевой столбец). Остаётся проверить лишь один минор третьего порядка, элементы которого расположены на пересечении столбцов №1, №3, №5 и строк №1, №2, №3. Запишем этот минор и найдём его значение:
$$ \left|\begin{array}{ccc} 5 & -3 & 2 \\ 7 & -4 & 3 \\ 2 & -1 & 1 \end{array} \right|=-20-18-14+16+21+15=0. $$
Итак, все миноры третьего порядка равны нулю. Последний составленный нами ненулевой минор был второго порядка. Вывод: максимальный порядок миноров, среди которых есть хотя бы один, отличный от нуля, равен 2. Следовательно, $\rang A=2$.
Ответ : $\rang A=2$.
Пример №2
Найти ранг матрицы $A=\left(\begin{array} {cccc} -1 & 3 & 2 & -3\\ 4 & -2 & 5 & 1\\ -5 & 0 & -4 & 0\\ 9 & 7 & 8 & -7 \end{array} \right)$.
Имеем квадратную матрицу четвёртого порядка. Сразу отметим, что ранг данной матрицы не превышает 4, т.е. $\rang A≤ 4$. Приступим к нахождению ранга матрицы.
Среди миноров первого порядка (т.е среди элементов матрицы $A$) есть хотя бы один, не равный нулю, поэтому $\rang A≥ 1$. Переходим к проверке миноров второго порядка. Например, на пересечении строк №2, №3 и столбцов №1 и №2 получим такой минор второго порядка: $\left| \begin{array} {cc} 4 & -2 \\ -5 & 0 \end{array} \right|$. Вычислим его:
$$ \left| \begin{array} {cc} 4 & -2 \\ -5 & 0 \end{array} \right|=0-10=-10. $$
Среди миноров второго порядка есть хотя бы один, не равный нулю, поэтому $\rang A≥ 2$.
Перейдём к минорам третьего порядка. Найдём, к примеру, минор, элементы которого расположены на пересечении строк №1, №3, №4 и столбцов №1, №2, №4:
$$ \left | \begin{array} {cccc} -1 & 3 & -3\\ -5 & 0 & 0\\ 9 & 7 & -7 \end{array} \right|=105-105=0. $$
Так как данный минор третьего порядка оказался равным нулю, то нужно исследовать иной минор третьего порядка. Либо все они окажутся равными нулю (тогда ранг будет равен 2), либо среди них найдётся хоть один, не равный нулю (тогда станем исследовать миноры четвёртого порядка). Рассмотрим минор третьего порядка, элементы которого расположены на пересечении строк №2, №3, №4 и столбцов №2, №3, №4:
$$ \left| \begin{array} {ccc} -2 & 5 & 1\\ 0 & -4 & 0\\ 7 & 8 & -7 \end{array} \right|=-28. $$
Среди миноров третьего порядка есть хотя бы один, отличный от нуля, поэтому $\rang A≥ 3$. Переходим к проверке миноров четвёртого порядка.
Любой минор четвёртого порядка располагается на пересечении четырёх строк и четырёх столбцов матрицы $A$. Иными словами, минор четвёртого порядка - это определитель матрицы $A$, так как данная матрица как раз и содержит 4 строки и 4 столбца. Определитель этой матрицы был вычислен в примере №2 темы "Понижение порядка определителя. Разложение определителя по строке (столбцу)" , поэтому просто возьмём готовый результат:
$$ \left| \begin{array} {cccc} -1 & 3 & 2 & -3\\ 4 & -2 & 5 & 1\\ -5 & 0 & -4 & 0\\ 9 & 7 & 8 & -7 \end{array} \right|=86. $$
Итак, минор четвертого порядка не равен нулю. Миноров пятого порядка образовать мы уже не можем. Вывод: наивысший порядок миноров, среди которых есть хотя бы один отличный от нуля, равен 4. Итог: $\rang A=4$.
Ответ : $\rang A=4$.
Пример №3
Найти ранг матрицы $A=\left(\begin{array} {cccc} -1 & 0 & 2 & -3\\ 4 & -2 & 5 & 1\\ 7 & -4 & 0 & -5 \end{array} \right)$.
Сразу отметим, что данная матрица содержит 3 строки и 4 столбца, поэтому $\rang A≤ 3$. В предыдущих примерах мы начинали процесс нахождения ранга с рассмотрения миноров наименьшего (первого) порядка. Здесь же попробуем сразу проверить миноры максимально возможного порядка. Для матрицы $A$ такими являются миноры третьего порядка. Рассмотрим минор третьего порядка, элементы которого лежат на пересечении строк №1, №2, №3 и столбцов №2, №3, №4:
$$ \left| \begin{array} {ccc} 0 & 2 & -3\\ -2 & 5 & 1\\ -4 & 0 & -5 \end{array} \right|=-8-60-20=-88. $$
Итак, наивысший порядок миноров, среди которых есть хоть один, не равный нулю, равен 3. Поэтому ранг матрицы равен 3, т.е. $\rang A=3$.
Ответ : $\rang A=3$.
Вообще, нахождение ранга матрицы по определению - в общем случае задача довольно-таки трудоёмкая. Например у матрицы сравнительно небольшого размера $5\times 4$ имеется 60 миноров второго порядка. И если даже 59 из них будут равны нулю, то 60й минор может оказаться ненулевым. Тогда придётся исследовать миноры третьего порядка, которых у данной матрицы 40 штук. Обычно стараются использовать менее громоздкие способы, такие как метод окаймляющих миноров или метод эквивалентных преобразований .
Рассмотрим матрицу А размера .
А=
Выделим в нейkстрок иkстолбцов (
).
Определение 26: Минором k-го порядка матрицы А называется определитель квадратной матрицы, получающийся из данной выделением в ней.
kстрок иkстолбцов.
Определение 27: Рангом матрицы называется наибольший из порядков, отличных от нуля, ее миноров,r(A).
Определение 28: Минор, порядок которого совпадает с рангом называетсябазисным минором .
Утверждение:
1. Ранг выражается целым числом.(
)
2. r=0,
,
когда А – нулевая.
Элементарные преобразования матриц.
К элементарным преобразованиям матриц относятся следующие:
1) умножение всех элементов какой-либо строки (столбца) матрицы на одно и то же число.
2) прибавление к элементам какой-либо строки (столбца) матрицы соответствующих элементов другой строки (столбца) умноженные на одно и то же число;
3) перестановка местами строк (столбцов) матрицы;
4) отбрасывание нулевой строки (столбца);
5) замена строк матрицы соответствующими столбцами.
Определение 29: Матрицы, получающиеся одна из другой, при элементарных преобразованиях называется эквивалентными матрицами, обозначаются “ ~“
Основное свойство эквивалентных матриц: Ранги эквивалентных матриц равны.
Пример 18:
Вычислитьr(A),
Решение: Первую строку умножим поэтапно на (-4)(-2)
(-7) и затем прибавим соответственно к второй, третьей и четвертой строкам.
~
поменяем местами вторую и четвертую
строки
вторую строку умножим на (-2) и прибавим
к четвертой строке; сложим вторую и
третью строки.
сложим третью и четвертую строки.
~
откинем нулевую строку
~
r(A)=3
ранг
исходной матрицы
равен трем.
Определение 30:
Назовем матрицу
А ступенчатой, если все элементы главной
диагонали
0,
а элементы под главной диагональю равны
нулю.
Предложение :
1) ранг ступенчатой матрицы равен числу ее строк;
2) всякая матрица может быть приведена к ступенчатому виду с помощью элементарных преобразований.
Пример 19:
При
каких значениях
матрица
имеет ранг, равный единице?
Решение: Ранг равен единице, если определитель второго порядка равен нулю, т.е.
§6. Системы линейных уравнений общего вида.
Система вида
---(9)
называется системой общего вида.
Определение 31: Две системы называются равносильными (эквивалентными), если каждое решение первой системы являются решением второй и наоборот.
В системе (1) матрицу А=
назовем основной матрицей системы, а
=
расширенной матрицей системы
Теорема. Кронекера-Капелли
Для совместности системы (9) необходим
и достаточно, чтобы ранг основной матрицы
системы равнялся рангу расширенной
матрицы, т. е. r(A)=r(
)
Теорема 1. Если ранг матрицы совместной системы равен числу неизвестных, то система имеет единственное решение.
Теорема 2. Если ранг матрицы совместной системы меньше числа неизвестных, то система имеет бесчисленное множество решений.
Правило решения произвольной системы линейных уравнений:
1)найти ранги основной и расширенной
матриц системы. Если
,
то система не совместна.
2) Если
=r,
то система совместна. Найти какой-либо
базисный минор порядкаr.
Базисным будем называть минор, на
основании которого определялся ранг
матрицы.
Неизвестные, коэффициенты которых входят в базисный минор, называют главными (базисными) и оставляют слева, а остальные неизвестные называют свободными и переносят в правую часть уравнения.
3)Найти выражения главных неизвестных через свободные. Получено общее решение системы.
Пример 20:
Исследовать систему и в
случае ее совместности найти или
единственное или общее решение
Решение: 1) по Т. Кронекера-Капелли находим ранги расширенной и основной матриц системы:
~
~
~
~
ранг
основной матрицы равен двум
2)
находим ранг расширенной матрицы
~
~
~
3) Вывод:
=2,
то система совместна.
Но
система
неопределенная и имеет бесчисленное
множество решений.
4) Базисные неизвестные
и
,
т. к. они принадлежат базисному минору,
а
- свободная неизвестная.
Пусть
=с,
где с – любое число.
5)Последней матрице соответствует
система
6)Ответ:
7) Проверка: в любое из уравнений исходной системы, где присутствуют все неизвестные, подставляем найденные значения.
Ранее
для квадратной матрицы
-го
порядка было введено понятие минора
элемента
.
Напомним, что так был назван определитель
порядка
,
полученный из определителя
вычеркиванием
-й
строки и
-го
столбца.
Введем
теперь общее понятие минора. Рассмотрим
некоторую, не
обязательно квадратную
матрицу
.
Выберем какие-нибудь
номеров строк
и
номеров столбцов
.
Определение
.
Минором
порядка
матрицы
(соответствующим выбранным строкам и
столбцам) называется определитель
порядка
,
образованный элементами, стоящими на
пересечении выбранных строк и столбцов,
т.е. число
.
Каждая
матрица имеет столько миноров данного
порядка
,
сколькими способами можно выбрать
номера строк
и столбцов
.
Определение
.
В матрице
размеров
минор порядка
называетсябазисным
,
если он отличен от нуля, а все миноры
порядка
равны нулю или миноров порядка
у матрицы
вообще нет.
Ясно,
что в матрице может быть несколько
разных базисных миноров, но все базисные
миноры имеют один и тот же порядок.
Действительно, если все миноры порядка
равны нулю, то равны нулю и все миноры
порядка
,
а, следовательно, и всех бόльших порядков.
Определение . Рангом матрицы называется порядок базисного минора, или, иначе, самый большой порядок, для которого существуют отличные от нуля миноры. Если все элементы матрицы равны нулю, то ранг такой матрицы, по определению, считают нулем.
Ранг
матрицы
будем обозначать символом
.
Из определения ранга следует, что для
матрицы
размеров
справедливо соотношение.
Два способа вычисления ранга матрицы
а) Метод окаймляющих миноров
Пусть
в матрице найден минор
-го
порядка, отличный от нуля. Рассмотрим
лишь те миноры
-го
порядка, которые содержат в себе
(окаймляют) минор
:
если все они равны нулю, то ранг матрицы
равен
.
В противном случае среди окаймляющих
миноров найдется ненулевой минор
-го
порядка, и вся процедура повторяется.
Пример
9
. Найти
ранг матрицы
методом окаймляющих миноров.
Выберем
минор второго порядка
.
Существует только один минор третьего
порядка, окаймляющий выбранный минор
.
Вычислим его.
Значит,
минор
базисный, а ранг матрицы равен его
порядку, т.е.
Ясно, что перебирать таким способом миноры в поисках базисного – задача, связанная с большими вычислениями, если размеры матрицы не очень малы. Существует, однако, более простой способ нахождения ранга матрицы – при помощи элементарных преобразований.
б) Метод элементарных преобразований
Определение . Элементарными преобразованиями матрицы называют следующие преобразования:
умножение строки на число, отличное от нуля;
прибавление к одной строке другой строки;
перестановку строк;
такие же преобразования столбцов.
Преобразования 1 и 2 выполняются поэлементно.
Комбинируя преобразования первого и второго вида, мы можем к любой строке прибавить линейную комбинацию остальных строк.
Теорема . Элементарные преобразования не меняют ранга матрицы.
(Без доказательства)
Идея практического метода вычисления ранга матрицы
заключается
в том, что с помощью элементарных
преобразований данную матрицу
приводят к виду
,
(5)
в
котором «диагональные» элементы
отличны от нуля, а элементы, расположенные
ниже «диагональных», равны нулю. Условимся
называть матрицу
такого вида треугольной (иначе, ее
называют диагональной, трапециевидной
или лестничной). После приведения матрицы
к треугольному виду можно сразу записать,
что
.
В
самом деле,
(т.к. элементарные преобразования не
меняют ранга). Но у матрицы
существует отличный от нуля минор
порядка
:
,
а
любой минор порядка
содержит нулевую строку и поэтому равен
нулю.
Сформулируем
теперь практическое правило
вычисления ранга
матрицы
с помощью элементарных преобразований:
для нахождения ранга матрицы
следует с помощью элементарных
преобразований привести ее к треугольному
виду
.
Тогда ранг матрицы
будет равен числу ненулевых строк в
полученной матрице
.
Пример
10.
Найти
ранг матрицы
методом
элементарных преобразований
Решение.
Поменяем местами первую и вторую строку (т.к. первый элемент второй строки −1 и с ней будет удобно выполнять преобразования). В результате получим матрицу, эквивалентную данной.
Обозначим
-тую
строку матрицы –
.
Нам необходимо привести исходную матрицу
к треугольному виду. Первую строку будем
считать ведущей, она будет участвовать
во всех преобразованиях, но сама остается
без изменений.
На
первом этапе выполним преобразования,
позволяющие получить в первом столбце
нули, кроме первого элемента. Для этого
из второй строки вычтем первую, умноженную
на 2
,
к третьей строке прибавим первую
,
а из третьей вычтем первую, умноженную
на 3
Получаем матрицу, ранг которой совпадает
с рангом данной матрицы. Обозначим ее
той же буквой
:
.
Так как нам необходимо привести матрицу к виду (5), вычтем из четвертой строки вторую. При этом имеем:
.
Получена
матрица треугольного вида, и можно
сделать вывод, что
,
т. е. числу ненулевых строк. Коротко
решение задачи можно записать следующим
образом:
Число r называется рангом матрицы A , если:
1) в матрице A есть минор порядка r , отличный от нуля;
2) все миноры порядка (r+1) и выше, если они существуют, равны нулю.
Иначе, ранг матрицы – это наивысший порядок минора, отличного от нуля.
Обозначения: rangA , r A или r .
Из определения следует, что r – целое положительное число. Для нуль-матрицы считают ранг равным нулю.
Назначение сервиса . Онлайн-калькулятор предназначен для нахождения ранга матрицы . При этом решение сохраняется в формате Word и Excel . см. пример решения .
Инструкция . Выберите размерность матрицы, нажмите Далее.
Определение
. Пусть дана матрица ранга r . Любой минор матрицы, отличный от нуля и имеющий порядок r, называется базисным, а строки и столбцы его составляющие – базисными строками и столбцами.
Согласно этому определению, матрица A может иметь несколько базисных миноров.
Ранг единичной матрицы E равен n (количеству строк).
Пример 1
. Даны две матрицы , 
и их миноры 
, 
. Какой из них можно принять в качестве базисного?
Решение
. Минор M 1 =0, поэтому он не может быть базисным ни для одной из матриц. Минор M 2 =-9≠0 и имеет порядок 2, значит его можно принять в качестве базисного матриц A или / и B при условии, что они имеют ранги, равные 2 . Поскольку detB=0 (как определитель с двумя пропорциональными столбцами), то rangB=2 и M 2 можно взять за базисный минор матрицы B. Ранг матрицы A равен 3, в силу того, что detA=-27≠0 и, следовательно, порядок базисного минора этой матрицы должен равняться 3, то есть M 2 не является базисным для матрицы A . Отметим, что у матрицы A единственный базисный минор, равный определителю матрицы A .
Теорема (о базисном миноре).
Любая строка (столбец) матрицы является линейной комбинацией ее базисных строк (столбцов).
Следствия из теоремы.
- Всякие (r+1) столбцов (строк) матрицы ранга r линейно зависимы.
- Если ранг матрицы меньше числа ее строк (столбцов), то ее строки (столбцы) линейно зависимы. Если rangA равен числу ее строк (столбцов), то строки (столбцы) линейно независимы.
- Определитель матрицы A равен нулю тогда и только тогда, когда ее строки (столбцы) линейно зависимы.
- Если к строке (столбцу) матрицы прибавить другую строку, (столбец) умноженную на любое число, отличное от нуля, то ранг матрицы не изменится.
- Если в матрице зачеркнуть строку (столбец), являющуюся линейной комбинацией других строк (столбцов), то ранг матрицы не изменится.
- Ранг матрицы равен максимальному числу ее линейно независимых строк (столбцов).
- Максимальное число линейно независимых строк совпадает с максимальным числом линейно независимых столбцов.
Пример 2
. Найти ранг матрицы 
.
Решение.
Исходя из определения ранга матрицы, будем искать минор наивысшего порядка, отличный от нуля. Сначала преобразуем матрицу к более простому виду. Для этого первую строку матрицы умножим на (-2) и прибавим ко второй, затем ее же умножим на (-1) и прибавим к третьей.
Строк (столбцов). Несколько строк (столбцов) называются линейно независимыми, если ни одна из них не выражается линейно через другие. Ранг системы строк всегда равен рангу системы столбцов, и это число называется рангом матрицы.
Ранг матрицы - наивысший из порядков всевозможных ненулевых миноров этой матрицы. Ранг нулевой матрицы любого размера ноль. Если все миноры второго порядка равны нулю, то ранг равен единице, и т.д.
Ранг матрицы - размерность образа dim (im (A)) {\displaystyle \dim(\operatorname {im} (A))} линейного оператора , которому соответствует матрица.
Обычно ранг матрицы A {\displaystyle A} обозначается rang A {\displaystyle \operatorname {rang} A} , r A {\displaystyle \operatorname {r} A} , rg A {\displaystyle \operatorname {rg} A} или rank A {\displaystyle \operatorname {rank} A} . Последний вариант свойственен для английского языка, в то время как первые два - для немецкого, французского и ряда других языков.
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Пусть - прямоугольная матрица.
Тогда по определению рангом матрицы A {\displaystyle A} является:
Теорема (о корректности определения рангов). Пусть все миноры матрицы A m × n {\displaystyle A_{m\times n}} порядка k {\displaystyle k} равны нулю ( M k = 0 {\displaystyle M_{k}=0} ). Тогда ∀ M k + 1 = 0 {\displaystyle \forall M_{k+1}=0} , если они существуют.
Связанные определения
Свойства
- Теорема (о базисном миноре): Пусть r = rang A , M r {\displaystyle r=\operatorname {rang} A,M_{r}} - базисный минор матрицы A {\displaystyle A} , тогда:
- Следствия:
- Теорема (об инвариантности ранга при элементарных преобразованиях): Введём обозначение для матриц, полученных друг из друга элементарными преобразованиями . Тогда справедливо утверждение: Если A ∼ B {\displaystyle A\sim B} , то их ранги равны.
- Теорема Кронекера - Капелли :
Система линейных алгебраических уравнений совместна тогда и только тогда, когда ранг её основной матрицы равен рангу её расширенной матрицы. В частности:
- Количество главных переменных системы равно рангу системы.
- Совместная система будет определена (её решение единственно), если ранг системы равен числу всех её переменных.
- Неравенство Сильвестра : Если A и B матрицы размеров m x n и n x k , то
Это частный случай следующего неравенства.
- Неравенство Фробениуса : Если AB, BC, ABC корректно определены, то
Линейное преобразование и ранг матрицы
Пусть A {\displaystyle A} - матрица размера m × n {\displaystyle m\times n} над полем C {\displaystyle C} (или R {\displaystyle R} ). Пусть T {\displaystyle T} - линейное преобразование, соответствующее A {\displaystyle A} в стандартном базисе; это значит, что T (x) = A x {\displaystyle T(x)=Ax} . Ранг матрицы A {\displaystyle A} - это размерность области значений преобразования T {\displaystyle T} .
Методы
Существует несколько методов нахождения ранга матрицы:
- Метод элементарных преобразований
- Метод окаймляющих миноров
