CHAPTER 04   /   矩阵与线性方程组 II(空间理论)

4.2矩阵的秩

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矩阵 AA 的列空间维数叫列秩,行空间维数叫行秩。行秩与列秩总是相等(都等于主元个数),这个共同的数称为矩阵的秩,记作 rank⁡(A)\operatorname{rank}(A)。

rank⁡A=dim⁡Col⁡A=dim⁡Row⁡A=行阶梯形矩阵的主元个数\begin{aligned}\operatorname{rank}A&=\dim\operatorname{Col}A\\&=\dim\operatorname{Row}A\\&=\text{行阶梯形矩阵的主元个数}\end{aligned}

m×nm\times n 矩阵的秩不会超过行数或列数。以行为例,最多有 mm 个线性无关的行向量,因此 rank⁡(A)≤m\operatorname{rank}(A)\le m;对列同理,有 rank⁡(A)≤n\operatorname{rank}(A)\le n。零矩阵的秩为 0。列满秩表示所有列线性无关,行满秩表示所有行线性无关。对于 n×nn\times n 方阵,秩为 nn 时称它为满秩方阵。

0≤rank⁡(A)≤min⁡{m,n},列满秩: rank⁡(A)=n,行满秩: rank⁡(A)=m,满秩方阵: A∈Rn×n, rank⁡(A)=n.\begin{gathered} 0\le\operatorname{rank}(A)\le\min\{m,n\},\\[.5em] \text{列满秩:}\ \operatorname{rank}(A)=n,\\[.3em] \text{行满秩:}\ \operatorname{rank}(A)=m,\\[.3em] \text{满秩方阵:}\ A\in\mathbb R^{n\times n},\ \operatorname{rank}(A)=n. \end{gathered}

满秩方阵消元时每一列都有主元,因而能通过初等行变换化成单位矩阵。初等变换可逆,所以满秩方阵也可逆;反过来,可逆方阵也一定满秩。

秩还有一种行列式刻画:非零矩阵的秩等于其非零子式的最大阶数。行列式将在第五章正式介绍;这里先说明子式的选取方式。选出相同数目的行与列,按原顺序保留交叉位置上的元素,就得到一个方形子矩阵;这个方阵的行列式是一个数,称为相应的子式。

再看矩阵乘积的秩。设 AA 是 m×nm\times n 矩阵,BB 是 n×pn\times p 矩阵。把整列或整行当成一个块写出来,可以直接看清乘积的各列、各行从哪里来:

按列分块
A=[a1⋯an],B=[b1⋯bp],AB=[Ab1⋯Abp],Abj=b1ja1+⋯+bnjan.\begin{gathered} A=\begin{bmatrix}a_1&\cdots&a_n\end{bmatrix},\qquad B=\begin{bmatrix}b_1&\cdots&b_p\end{bmatrix},\\[.5em] AB=\begin{bmatrix}Ab_1&\cdots&Ab_p\end{bmatrix},\\[.4em] Ab_j=b_{1j}a_1+\cdots+b_{nj}a_n. \end{gathered}
按行分块
A=[r1⋮rm],B=[s1⋮sn],AB=[r1B⋮rmB],riB=ai1s1+⋯+ainsn.\begin{gathered} A=\begin{bmatrix}r_1\\\vdots\\r_m\end{bmatrix},\qquad B=\begin{bmatrix}s_1\\\vdots\\s_n\end{bmatrix},\\[.5em] AB=\begin{bmatrix}r_1B\\\vdots\\r_mB\end{bmatrix},\\[.4em] r_iB=a_{i1}s_1+\cdots+a_{in}s_n. \end{gathered}

因此,ABAB 的每一列都属于 AA 的列空间,每一行都属于 BB 的行空间;乘积的秩不会超过任意一个因子的秩。

矩阵乘积的秩 · 上界
Col⁡(AB)⊆Col⁡(A)Row⁡(AB)⊆Row⁡(B)rank⁡(AB)≤min⁡(rank⁡(A),rank⁡(B))\begin{gathered}\operatorname{Col}(AB) \subseteq \operatorname{Col}(A) \\ \operatorname{Row}(AB) \subseteq \operatorname{Row}(B)\\[.5em] \operatorname{rank}(AB) \le \min (\operatorname{rank}(A), \operatorname{rank}(B))\end{gathered}

即使 AA、BB 的秩相同,乘积 ABAB 的秩也可能更小。把它看成先做 BB、再做 AA:BB 已经输出的某些非零方向,可能又被 AA 送到零向量。这些方向就在 AA 诱导映射的核中,下面简记这个核为 ker⁡A\ker A。

复合映射:中间的方向可能被下一步消去
输入空间
x∈Rpx\in\mathbb R^p

从任意输入向量出发。

经过 BB
Bx∈Col⁡(B)Bx\in\operatorname{Col}(B)

其中可能有非零向量落在 ker⁡A\ker A 中。

再经过 AA
ABx∈Col⁡(AB)ABx\in\operatorname{Col}(AB)

被送到零的方向不再增加独立输出。

当 Bx≠0Bx\ne0 而 A(Bx)=0A(Bx)=0 时,BB 输出的这个方向在复合后被消去了。下面的投影例子中,整个纵轴都会被消去。

乘积的秩还有一个下界,称为 Sylvester 秩不等式。这里的 nn 是中间空间的维数,即 AA 的列数、BB 的行数。若表达式给出的下界小于 0,还要结合秩至少为 0。

矩阵乘积的秩 · 上下界
rank⁡A+rank⁡B−n≤rank⁡(AB)max⁡{0,rank⁡A+rank⁡B−n}≤rank⁡(AB)≤min⁡{rank⁡A,rank⁡B}\begin{gathered}\operatorname{rank}A+\operatorname{rank}B-n\le\operatorname{rank}(AB)\\[.5em]\max\{0,\operatorname{rank}A+\operatorname{rank}B-n\}\\\le\operatorname{rank}(AB)\\\le\min\{\operatorname{rank}A,\operatorname{rank}B\}\end{gathered}

可以从核来理解这个下界。令 rA=rank⁡(A)r_A=\operatorname{rank}(A)、rB=rank⁡(B)r_B=\operatorname{rank}(B)。在 BB 的像中,所有会被 AA 送到零向量的向量组成空间 KK;它也就是同时属于 Col⁡(B)\operatorname{Col}(B) 和 ker⁡A\ker A 的部分。记它的维数为 dd:

K={y∈Col⁡(B):Ay=0}=Col⁡(B)∩ker⁡A,d=dim⁡K.K=\{y\in\operatorname{Col}(B):Ay=0\}=\operatorname{Col}(B)\cap\ker A,\qquad d=\dim K.

先取 KK 的一组基,再把它补成 Col⁡(B)\operatorname{Col}(B) 的一组基。前 dd 个基向量经 AA 后变成零,其余 rB−dr_B-d 个基向量的像线性无关,并张成 Col⁡(AB)\operatorname{Col}(AB)。所以乘积的秩恰好是留下的独立方向数:

rank⁡(AB)=rB−d.\operatorname{rank}(AB)=r_B-d.
Sylvester 下界:最多能消去多少个独立方向
BB 的像空间
rB=rank⁡(B)r_B=\operatorname{rank}(B)

先取被消去部分的基,再补齐整个像空间的基。

被 AA 消去
d=dim⁡Kd=\dim K

这些方向全在核中,d≤n−rAd\le n-r_A。

留下的独立输出
rank⁡(AB)=rB−d\operatorname{rank}(AB)=r_B-d

补齐的其余基向量经 AA 后仍给出独立输出。

BB 原有 rBr_B 个独立输出方向;AA 的核最多容纳 n−rAn-r_A 个独立方向。因此至少留下 rB−(n−rA)r_B-(n-r_A) 个。

从消元看,齐次方程 Ay=0Ay=0 有 nn 个未知量和 rAr_A 个主元,因此核有 n−rAn-r_A 个独立方向;4.3 会具体说明这个计数。KK 包含在核中,所以 d≤n−rAd\le n-r_A,代入上式就得到 rank⁡(AB)≥rA+rB−n\operatorname{rank}(AB)\ge r_A+r_B-n。

特别地,左乘或右乘大小相容的可逆方阵(即满秩方阵),不会改变原矩阵的秩。可以用下面两种方式理解。

第一种方式用初等变换。根据 1.8 的矩阵与初等操作的对应关系,将可逆方阵 PP 消元为单位矩阵,得到 Ek⋯E1P=IE_k\cdots E_1P=I,于是 P=E1−1⋯Ek−1P=E_1^{-1}\cdots E_k^{-1};逆操作仍是初等操作,所以 PP 是若干初等矩阵的乘积。左乘这样的方阵,就是连续做初等行变换,行空间的维数不变;右乘则对应初等列变换,列空间的维数不变。

第二种方式用乘积秩的上界。设 PP 是 mm 阶可逆方阵、QQ 是 nn 阶可逆方阵,AA 是 m×nm\times n 矩阵。先应用上界,再利用逆矩阵写出反向不等式:

rank⁡(PA)≤rank⁡(A),A=P−1(PA) ⟹ rank⁡(A)≤rank⁡(PA);rank⁡(AQ)≤rank⁡(A),A=(AQ)Q−1 ⟹ rank⁡(A)≤rank⁡(AQ).\begin{aligned} \operatorname{rank}(PA)&\le\operatorname{rank}(A),\\ A=P^{-1}(PA)&\ \Longrightarrow\ \operatorname{rank}(A)\le\operatorname{rank}(PA);\\[.6em] \operatorname{rank}(AQ)&\le\operatorname{rank}(A),\\ A=(AQ)Q^{-1}&\ \Longrightarrow\ \operatorname{rank}(A)\le\operatorname{rank}(AQ). \end{aligned}
rank⁡(PA)=rank⁡(AQ)=rank⁡(PAQ)=rank⁡A(P,Q 可逆,大小相容)\begin{aligned}\operatorname{rank}(PA)&=\operatorname{rank}(AQ)\\&=\operatorname{rank}(PAQ)\\&=\operatorname{rank}A\\&\quad(P,Q\text{ 可逆,大小相容})\end{aligned}
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