秩 (Rank)
秩是线性代数中描述矩阵或线性变换的核心概念。一个矩阵的秩衡量其行(或列)向量所张成空间的维度,即矩阵中"独立信息"的数量。秩在求解线性方程组、判断矩阵可逆性及理解线性变换的几何性质中起关键作用。
定义
设 A 为 m×n 矩阵:
- 列秩:A 的列空间中线性无关向量的最大数目。
- 行秩:A 的行空间中线性无关向量的最大数目。
- 核心定理:任意矩阵的行秩恒等于列秩,此共同值即矩阵的秩,记作 rank(A)。
- 计算定义:将 A 经初等行变换化为行阶梯形矩阵,非零行数即为秩。
- 子式定义:非零子式的最大阶数。即存在 r×r 子矩阵行列式非零,而所有 (r+1)×(r+1) 子式均为零,则秩为 r。
计算:高斯消元法
利用高斯消元法将矩阵化为行阶梯形,非零行数即为秩。
示例:
公式暂不可显示
1 \& 2 \& 1 \& 3 \\ 2 \& 4 \& 3 \& 7 \\ 3 \& 6 \& 6 \& 12
公式暂不可显示
行变换 R2→R2−2R1, R3→R3−3R1:
100200113313
R3→R3−3R2 得行阶梯形:
100200110310
有两个非零行,故 rank(A)=2。
重要性质
设 A 为 m×n 矩阵:
- 范围:0≤rank(A)≤min(m,n)。
- 零矩阵:rank(A)=0 当且仅当 A 为零矩阵。
- 满秩:若 rank(A)=min(m,n),则 A 满秩。n×n 方阵可逆矩阵当且仅当 rank(A)=n;否则为奇异矩阵。
- 转置:rank(A)=rank(AT)。
- 乘积(西尔维斯特不等式):对 A (m×n) 和 B (n×p), \[ \operatorname{rank}(A) + \operatorname{rank}(B) - n \le \operatorname{rank}(AB) \le \min(\operatorname{rank}(A), \operatorname{rank}(B)) \]
秩与线性方程组
对于 Ax=b,令 [A∣b] 为增广矩阵。由罗奇-卡佩利定理:
- 解存在:rank(A)=rank([A∣b])。
- 唯一性:有解时,若 rank(A)=n(列满秩),则解唯一;若 rank(A)<n,有无穷多解,自由变量数 n−r。
几何:秩-零度定理
将 A 视为线性变换 T(x)=Ax:Rn→Rm:
- 列空间 Im(A):所有输出构成的子空间,其维度即秩。
- 零空间 N(A)={x∣Ax=0}:映射到零的向量集,其维度为零度。
秩-零度定理:
rank(A)+nullity(A)=n
即输入空间维度 = 像空间维度 + 零空间维度。
经济学应用