• 矩阵的秩及相关定理


    矩阵是一个数表,里面的元素有很多种理解方式,现在我们将矩阵理解为由行向量或列向量组成的一个向量组。

    则矩阵的秩就是:行向量组或者列向量组中极大线性无关组所含向量的个数,或者说秩是列(行)向量空间的最低维度

    所以我们拿到一组向量,通过构造矩阵求秩,就可以知道这些向量所在空间的最低维度。怎么理解呢?

    线性空间是我们用来容纳向量的集合,比如水平面就是一个线性空间,平面上的所有向量都是该空间内的元素,而水平面内的向量其实

    又全包含在三维空间内,所以三维空间也可以构成一个线性空间,来容纳水平面上的所有向量,一组向量所处的线性空间维度是没有上

    限的,但有下限,这个下限就是这个向量组的秩,比如平面上的所有向量秩为 $2$,那最少得用一个平面来容纳它们,总不能用直线来

    容纳吧。

    总之:秩就是容纳这些向量的最小向量空间的维数

    设有若干个向量,它们能找到一个维数为 $n$ 的空间容纳,且无法再找到更低维度的空间,那么它们的线性组合必然也能被这个空间容纳。

    这是由线性空间的封闭性决定的。

    注:如果不了解什么是向量空间的维数和向量维数,可先阅读博客

    进一步理解:以 $AB=C$ 为例

    $$egin{bmatrix}
    alpha_{1} & alpha_{2} & ... & alpha_{n}
    end{bmatrix} cdot
    egin{bmatrix}
    b_{11} & b_{12} & ... & b_{1n} \
    b_{21} & b_{22} & ... & b_{2n} \
    ... & ... & ... & ... \
    b_{n1} & b_{n2} & ... & b_{nn}
    end{bmatrix} =
    egin{bmatrix}
    eta_{1} & eta_{2} & ... & eta_{n}
    end{bmatrix}$$

    矩阵 $C$ 的列向量组可以由矩阵 $A$ 的列向量组线性表出,输出向量组所在向量空间的最低维度必然不会超过矩阵 $A$ 的秩

    输出的向量可能就被压缩到低维度的空间,即降秩(取决于变换的矩阵)。

    理解了上述内容,可以得到一个定理:

    $$r(AB) leq min(r(A),r(B))$$

       1)将 $A$ 看成变换矩阵,按列分块,矩阵 $B$ 即为输入向量的坐标,则输出矩阵列向量都可以由 $A$ 列向量组表示,故 $r(AB) leq r(A)$。

       2)将 $B$ 看成变换矩阵,按行分块,矩阵 $A$ 即为输入向量的坐标,则输出矩阵行向量都可以由 $B$ 行向量组表示,故 $r(AB) leq r(B)$。

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