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2015考研線性代數知識框架:向量組的秩

來源:考試點考研網瀏覽次數:1059發表于2014-06-18

[摘要] 一個矩陣的秩為2意味著什么?按照矩陣的秩的定義,我們可以得到該矩陣中非零子式的最高階數為2。當然這是“直譯”,有沒有“意譯”(或更利于解題的翻譯方式)?有。可以這么翻譯:該矩陣中存在2階非零子式,且不存在3階非零子式。

一個矩陣的秩為2意味著什么?按照矩陣的秩的定義,我們可以得到該矩陣中非零子式的最高階數為2。當然這是“直譯”,有沒有“意譯”(或更利于解題的翻譯方式)?有。可以這么翻譯:該矩陣中存在2階非零子式,且不存在3階非零子式。前半句話怎么理解?這不就是“直譯”的那句話的自然結果嗎?或者反過來理解:試想,如果若這半句話不成立,即矩陣中不存在2階非零子式,那矩陣中非零子式的最高階數就不可能為2了(應小于或等于1),這與已知條件矛盾。那么,根據前面的分析,這半句話等價于矩陣的秩大于等于2。類似的討論可以對后半句話進行。不難得到這半句話等價于矩陣的小于等于2。這里有兩個個問題:矩陣不存在3階非零子式有幾種情況呢?不難發現有兩種:(1)矩陣沒有3階子式(跟別談3階非零子式了,如一個2乘2的矩陣);(2)矩陣有3階子式,但3階子式全為零。另一個問題,如果矩陣不存在3階非零子式,那么有可能存在4階及以上階的非零子式嗎?如果你對行列式的展開定理比較熟悉,應該不難得出答案。

推廣一下,我們就得到了一般情況:

矩陣的秩為k等價于矩陣中非零子式的最高階數為k,也等價于矩陣中存在k階非零子式,且不存在k+1階非零子式。

還有兩個特殊情況需要我們注意:

矩陣的秩為1等價于矩陣中存在1階非零子式,且不存在2階非零子式。思考:什么是1階子式?不就是矩陣的元素嗎?那么1階非零子式就是非零元素了。進一步,矩陣中存在1階非零子式也即矩陣中存在非零元素。這有說明了什么呢?這說明矩陣不是零矩陣。再分析后半句話,2階子式為零意味著什么?大家可以自己舉個例子,是不是說明二階行列式的元素按行按列成比例(這里的成比例是廣義的,比如二階行列式有一行元素為零,那0除0理解成可以等于任何數)。進一步所有二階子式全為零說明什么,是不是說明整個矩陣是按行按列成比例的?分析至此,秩為1的矩陣長什么樣子大家應該有個印象了:存在非零元素,且按行按列成比例。

n階方陣的秩為n等價于其自身取行列式后不為零。這個大家自己分析,應該不困難。這種情況矩陣的秩達到了最大值,秩是滿的,我們稱該矩陣滿秩。

二、向量組的秩

要討論向量組的秩,先要搞清楚什么是向量。其實咱們在中學就討論過向量。中學數學對向量的定義是既有大小又有方向的量。中學物理中把向量稱為矢量。那么線性代數中討論的向量與中學接觸過的向量是什么關系?

首先回顧一下,在中學我們是如何表示向量的。中學數學中主要討論平面上的向量。平面上的向量是可以平行移動的。兩個相互平行且長度相等的向量我們認為是相等的。好,假設在平面直角坐標系中,對于平面上的任何一個向量,我們總是可以將其平移至起點坐標原點重合。這時向量終點的坐標同時也是向量的坐標。這樣,我們就可以用一個實數對表示一個平面向量了。

一個實數對實際是我們線性代數中的一個二維行向量。而線代中討論的向量是任意n維的。所以線性代數中的向量可視為中學向量的推廣。

下面是向量的數學定義:

由n個實數a1,a2,…,an構成的有序實數組(a1,a2,…,an)稱為一個n維行向量。類似可定義列向量。

問個問題:向量和矩陣是什么關系?向量可視為特殊的矩陣(行數或列數為1的矩陣)。這是理解向量的一個很好的角度。因為學習向量時,我們已把矩陣討論得很清楚了,所以通過矩陣理解向量就能省不少事。

知道了什么是向量,那什么是向量組呢?向量一般來說不是單獨出現,而是成組出現的。我們把多個向量放在一起考慮,就構成了向量組。

當然向量組的嚴格數學定義也不難理解:由若干個同型向量構成的集合稱為一個向量組。這里的“同型”可以理解成矩陣同型,也可以用向量的語言描述成:同為行向量或列向量且維數相同。

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