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第四章矩阵的进一步讨论 线性代数 1 4 3矩阵的秩 2 一 子式 定义 在矩阵中 任取行与列 位于这些行列交叉处的个元素 不改变它们在中所处的位置次序而得到的阶行列式 称为矩阵的阶子式 例如 是的一个2阶子式 的2阶子式共有个 一般地 矩阵的阶子式共有个 3 二 矩阵的秩 定义 设在矩阵中有一个不等于零的阶子式 且所有阶子式 如果存在的话 全等于零 那么称为矩阵的最高阶非零子式 数称为矩阵的秩 记作或 规定 零矩阵的秩等于0 例1求矩阵和的秩 4 在中 容易看出一个2阶子式 的3阶子式只有一个 因此 因此 这里的两个行列式分别是和的最高阶非零子式 5 说明 根据行列式的展开法则知 在中当所有阶子式全为零时 所有高于阶的子式也全为0 因此把阶非零子式称为最高阶非零子式 矩阵的秩就是中不等于零的子式的最高阶数 这就是矩阵的秩所表明的矩阵的一个特征 当矩阵中有某个阶子式不为0 则 当矩阵中所有阶子式都为0 则 6 矩阵的秩等于行阶梯形矩阵的非零行数 这也可以作为矩阵的秩定义 但是这样定义矩阵的秩不能清楚表明矩阵的特征 对于阶矩阵 当时 称为满秩矩阵 否则称为降秩矩阵 由于阶矩阵的阶子式只有一个 当时 所以可逆矩阵的秩等于矩阵的阶数 可逆矩阵又称满秩矩阵 不可逆矩阵又称降秩矩阵 7 三 矩阵的秩的计算 定理 若 则 即两个等价矩阵的秩相等 说明 根据此定理 为求矩阵的秩 只要把矩阵用初等行变换变成行阶梯形矩阵 行阶梯形矩阵中非零行的行数即是矩阵的秩 证明 8 所以 大多情况下只用初等行变换 不用初等列变换 9 解 析 根据定理 为求的秩 只需将化为行阶梯形矩阵 10 再求的一个最高阶非零子式 因此 在中 找一个3阶非零子式是比较容易的 另外注意到 的子式都是的子式 所以易求得的一个最高阶非零子式 11 说明 最高阶非零子式一般是不唯一的 上述找最高非零子式的方法是一般方法 另外观察法也是常用的方法 12 解 析 这是一道已知矩阵的秩 讨论其中参数的值的题目 一般有两个途径 一是利用行列式 二是用初等变换 当时 的3阶子式全为零 从而可以计算出参数的值 下面用初等变换解答此题 13 因为 故 即 说明 此方法就是 用初等变换 将矩阵化为比较简单的矩阵 然后根据矩阵的秩进行讨论 14 解 析 此题中矩阵的前4列与的列相同 如果用初等行变换将化为行阶梯形 则就是的行阶梯形 故从中可同时看出及 15 由此可见 16 注 把此题中的看作方程组的系数矩阵 看作常数项列 则就是增广矩阵 由的行阶梯形矩阵知 这个方程组无解 因为行阶梯形的第3行对应的方程为矛盾方程 17 四 矩阵的秩的性质 若为矩阵 则 特别地 当b为列矩阵时 有 即 分块矩阵的秩不小于每一个子块的秩 不超过所有子块的秩之和 证明 18 19 例5设为阶矩阵 证明 证 因为 由
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