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专题三有关矩阵的秩与矩阵分解.doc
专题讲座三 有关矩阵的秩及其应用 在矩阵理论中,矩阵的秩是一个重要的概念。它是矩阵的一个数量特征,而且是初等变换下的不变量。矩阵的秩与矩阵是否可逆、线性方程组的解的情况等都有着密切的联系。 一个向量组的极大线性无关组所含向量的个数称为这个向量组的秩。所谓矩阵的行秩就矩阵的行向量组的秩,矩阵的列秩就是矩阵的列向量组的秩。矩阵的行秩等于矩阵的列秩,并统称为矩阵的秩。另外,矩阵的秩等于它的不为零的子式的最高阶数,这是矩阵的秩的行列式定义。事实上,以上两种对矩阵的秩的定义是等价的。 我们约定用E表示单位矩阵,分别用表示矩阵A的可逆矩阵、伴随矩阵和矩阵A的秩。矩阵的秩有以下的几个简单的性质: (1)r (A) = 0,当且仅当A是零矩阵; (2)r (A) = n,当且仅当 |A|≠0 ; (3)设A是m×n矩阵,则r (A)≤min (m, n) (4) (5) 矩阵可以进行加法、减法、数乘、乘法、阶乘、伴随等一系列运算。而矩阵经过运算后所得到新矩阵的秩往往与原矩阵的秩有一定的关系。 定理1 两矩阵和的秩不超过两矩阵秩的和。即:设A、B均为m×n矩阵,则 r (A+B)≤ r (A) + r (B) 推论1 两矩阵差的秩的不小于两矩阵秩的差。即:设A、B均为m×n矩阵,则 r (A – B)≥r (A) – r (B) 推论2 设均为m×n矩阵,且,则 证明:由定理1得 定理2 矩阵的乘积的秩不超过各因子的秩。即:设A是m×n矩阵,B是n×s矩阵,则 r (AB)≤min {r (A), r (B)} 定理3 设A是m×n矩阵,P是m阶可逆矩阵,Q是n阶可逆矩阵,则 r (A) = r (PA) = r (AQ) = r (PAQ) 推论 设A是是m×n矩阵,则r (A) = r,当且仅当存在m阶可逆矩阵P和n阶可逆矩阵Q,使得 利用分块矩阵证明秩的若干性质 关于矩阵秩的一些性质的证明,有着多种方法。若充分利用分块矩阵来证明,虽然带有一定的技巧性,但不并难想,尤其是,这种方法的证明本身显得非常简洁,而且方法也很统一,具有较大的优越性。 定理4 设A、B均为n阶方阵。则 r (AB + A + B)≤r (A) + r (B) 证明:由分块矩阵的乘法得 由定理2得 故 定理5 设A、C均为m×n矩阵,B、D均为n×s矩阵,则 r (AB – CD)≤r (A – C) + r (B – D) 证明:由分块矩阵的乘法得 其中是可逆矩阵。 由定理3得 故。 定理6 (Frobenius不等式) 设A是m×n矩阵,B是n×s矩阵,C是s×t矩阵。则 r (ABC)≥r (AB) + r (BC) – r (B) 证明:由分块矩阵的乘法得 由定理2得 因为 所以 r (AB) + r (BC)≤r (B) + r (ABC) 即 r (ABC)≥r (AB) + r (BC) – r (B) . 若A为n阶矩阵,分别用代替Frobenius不等式中的A、B、C,即得以下推论1 推论1 设A是n阶方阵,m,k为非负整数,则。 证明:对m用数学归纳法。 当m = 0时,不等式显然成立。 由Frobenius不等式得 所以当m = 1时不等式成立。 假设当m = k时不等式成立,即 于是 所以当m = k + 1时不等式也成立。 故。 定理7 设A是n阶方阵,且 则对任意自然数k,有 证明: 构造分块矩阵 由Frobenius公式 由 所以 由定理2得 故 由此可推得 故对任意自然数k,有 定理8 设A是m×n矩阵,r (A) = r ,则必存在m×r矩阵B与r×n矩阵C,且 r (B) = r (C) = r ,使A = BC。 证明:因为,由定理3的推论得存在m阶可逆矩阵P和n阶可逆矩阵Q,使得 将P、Q分块: 其中矩阵,矩阵。 因为P、Q分别是m阶和n阶可逆矩阵。所以P的m个列向量线性无关,Q的n个行向量也线性无关,从而B的r个列向量线性无关,C的r个行向量也线性无关。 故 r (B) = r (C) = r ,且。 推论1 设A是n阶方阵,则r (A)≤1,当且仅当A可以表示为一个n×1矩阵和一个1×n矩阵的乘积。 证明: (充分性) 设 则A的任何一个二阶子式 其中1≤i m≤n,1≤jk≤n 所以 r (A)≤1。 (必要性) 若r (A) = 0,即A是零矩阵,则显然有 命题成立。 若r (A) = 1,则存在n×1矩阵B和1×n矩阵C,且r (B) = r (C) = 1,使A = BC。 推论2 设A是n阶方阵,且r (A) = 1,则。 证明:由推论1得,存在n×1矩阵和1×n矩阵,使得 于是 其中 故 矩阵的秩的内容是非常丰富的,其应用是十分广泛的,证明矩阵秩的有关性质,除了利用分块矩阵以外,它
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