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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

浏览 30 更新 2025-10-26

秩 (Rank)

线性代数中描述矩阵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

A A m×n m \times n 矩阵:

  1. 列秩A A 列空间线性无关向量的最大数目。
  2. 行秩A A 行空间中线性无关向量的最大数目。
  3. 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) \operatorname{rank}(A)
  4. 计算定义:将 A A 初等行变换化为行阶梯形矩阵,非零行数即为秩。
  5. 子式定义:非零子式的最大阶数。即存在 r×r r \times r 子矩阵行列式非零,而所有 (r+1)×(r+1) (r+1) \times (r+1) 子式均为零,则秩为 r 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

A = \begin{pmatrix}

1 \& 2 \& 1 \& 3 \\ 2 \& 4 \& 3 \& 7 \\ 3 \& 6 \& 6 \& 12

\end{pmatrix}

行变换 R2R22R1 R_2 \to R_2 - 2R_1 , R3R33R1 R_3 \to R_3 - 3R_1

(121300110033)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 3 & 3 \end{pmatrix}

R3R33R2 R_3 \to R_3 - 3R_2 得行阶梯形:

(121300110000)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}

有两个非零行,故 rank(A)=2 \operatorname{rank}(A) = 2

重要性质

A A m×n m \times n 矩阵:

  • 范围0rank(A)min(m,n) 0 \le \operatorname{rank}(A) \le \min(m, n)
  • 零矩阵rank(A)=0 \operatorname{rank}(A) = 0 当且仅当 A A 零矩阵
  • 满秩:若 rank(A)=min(m,n) \operatorname{rank}(A) = \min(m, n) ,则 A A 满秩。n×n n \times n 方阵可逆矩阵当且仅当 rank(A)=n \operatorname{rank}(A) = n ;否则为奇异矩阵
  • 转置rank(A)=rank(AT) \operatorname{rank}(A) = \operatorname{rank}(A^T)
  • 乘积(西尔维斯特不等式):对 A (m×n) A\ (m \times n) B (n×p) B\ (n \times 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 A\mathbf{x} = \mathbf{b} ,令 [Ab] [A|\mathbf{b}] 增广矩阵。由罗奇-卡佩利定理

  1. 解存在rank(A)=rank([Ab]) \operatorname{rank}(A) = \operatorname{rank}([A|\mathbf{b}])
  2. 唯一性:有解时,若 rank(A)=n \operatorname{rank}(A) = n (列满秩),则解唯一;若 rank(A)<n \operatorname{rank}(A) < n ,有无穷多解,自由变量数 nr n - r

几何:秩-零度定理

A A 视为线性变换 T(x)=Ax:RnRm T(\mathbf{x}) = A\mathbf{x} : \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}^m

  • 列空间 Im(A) \operatorname{Im}(A) :所有输出构成的子空间,其维度即秩。
  • 零空间 N(A)={xAx=0} N(A) = \{\mathbf{x} \mid A\mathbf{x} = \mathbf{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\operatorname{rank}(A) + \operatorname{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