- •Линейная алгебра. Линейное пространство.
- •Линейная зависимость. База. Размерность.
- •Изоморфизм.
- •Координаты.
- •Подпространства.
- •Ранг матрицы.
- •Общая теория линейных систем.
- •Однородное линейное уравнение.
- •Ранг и дефект линейного преобразования.
- •Действия с линейными преобразованиями.
- •Линейные преобразования.
- •Собственные векторы.
- •Инвариантные подпространства.
- •Многочленные матрицы.
- •Элементарные делители.
- •Нормальная форма Жордана.
- •Унитарные и Евклидовы пространства.
- •Ортогональные суммы.
- •Ортогональное дополнение.
Ранг матрицы.
Опр.:
!
,
где
–поле.
Рассмотрим
.
Выберем в
произвольные
строк
и
столбцов.
Составляем определитель из элементов
матрицы
,
стоящих на пересечении этих строк и
столбцов. Этот определитель называется
минором порядка
.
Опр.:
Рангом (минорным) матрицы
называется
число
,
которое определяется так:
,
если
–нулевая
матрица,
,
если
минор
порядка
матрицы
,
отличный от нуля, а все миноры порядка
равны
нулю или
.
Опр.: Рангом по строкам (столбцам) называется максимальное число линейно независимых строк (столбцов). Другими словами , где – линейная оболочка строк (столбцов) матрицы .
Опр.:
Элементарными преобразованиями строк
(столбцов) матрицы
называются
следующие преобразования: 1) Перестановка
2-х строк (столбцов); 2) Прибавление к
одной из строк (одному из столбцов)
другой строки (другого столбца),
умноженной (умноженного) на некоторый
элемент
.
Лемма 1: Если получается из элементарным преобразованием, то ранги и по строкам (столбцам) совпадают.
Доказательство:
Установим, например, неизменность ранга
по строкам при элементарном преобразовании
строк. 1) !
получается
из
элементарным
преобразованием 1-го типа. т.к. множество
строк матриц
и
одинаково, то подпространство, порождённое
строками матриц
и
совпадают;
2) Пусть
получается
из
прибавлением
к
-й
строке
-й
строки, умноженной на
.
!
– строка матрицы
.
Тогда
– это строка матрицы
.
Обозначим
– линейная оболочка строк матрицы
,
–так
же, то
.
С другой стороны
,
поэтому строки
содержатся
в
–т.о.
.
Лемма
2: Если
получается
из
элементарным
преобразованием, то
.
Доказательство: Лемма 2 вытекает из свойств определителей.
Теорема (о ранге матрицы): У матрицы все 3 ранга совпадают.
Доказательство:
Если
– нулевой матрице, то тогда теорема
верна в силу определений. !
.
Элементарными преобразованиями 1-го
типа приводим
к
виду, где в левом верхнем углу стоит
элемент
.
Элементарными преобразованиями 2-го
типа приводим полученную матрицу к
виду
.
Если все элементы
кроме
равны
нулю, то процесс закончился. Если
ещё
один ненулевой элемент, то элементарными
преобразованиями строк и столбцов, с
номерами, большими единицы, приводим
к
виду:
,
где
.Продолжая
процесс, мы элементарными преобразованиями
приводим к виду
,
где
.
Но по виду этой матрицы заключаем, что
у не все три ранга равны. В силу лемм 1
и 2 это верно и для матрицы
.
Следствие
1: !
– квадратная матрица порядка
.
1)
строки
(столбцы) матрицы
линейно независимы, т.е. образуют базу
пространства
(базу пространства строк или столбцов);
2)
строки
(столбцы)
линейно зависимы (одна из строк (столбцов)
есть линейная комбинация остальных).
Следствие
2:
матрицы
.
Теорема
(о ранге произведения матриц): !
– квадратные матрицы порядка
.
Тогда
.
Доказательство:
!
.
.
Тогда
,
где
–
-я
строка матрицы
.
т.о.
строка
матрицы
является
линейной комбинацией строк матрицы
.
Поэтому, если
–
линейная оболочка строк
,
–линейная
оболочка строк
(всевозможная линейная комбинация
строк –
),
то
.
Далее,
.
Следствие:
!
– квадратные матрицы порядка
,
.
Тогда
.
Доказательство:
!
.
По теореме о ранге произведения матриц
.
В силу условия
матрица
.
Снова по теореме о ранге произведения
матриц
.
Итак,
.
