每日一题/004/矩阵/矩阵问题转化为线性方程组问题

题目:
现有 nnn 阶矩阵 AAA,证明:
R(An)=R(An+1)R(A^n)=R(A^{n+1})R(An)=R(An+1)


参考答案:
如果 R(A)=0R(A)=0R(A)=0,显然有 R(An)=R(An+)R(A^n)=R(A^{n+})R(An)=R(An+),以下讨论时均认为 R(A)>0R(A)>0R(A)>0.
原命题转化为几个小命题来证明。

命题一: R(An)=R(An+1)R(A^n)=R(A^{n+1})R(An)=R(An+1),等价于 齐次线性方程组 AnX=0A^nX=0AnX=0 , An+1X=0A^{n+1}X=0An+1X=0 同解:

如果齐次线性方程组 AnX=0A^nX=0AnX=0An+1X=0A^{n+1}X=0An+1X=0 通解,那么根据 矩阵的秩解空间维数 的关系,显然有 R(An)=R(An+1)R(A^n)=R(A^{n+1})R(An)=R(An+1)

另一方面,显然有 AnX=0A^nX=0AnX=0 的解都是 An+1X=0A^{n+1}X=0An+1X=0 的解。如果有 R(An)=R(An+1)R(A^n)=R(A^{n+1})R(An)=R(An+1),那么根据 矩阵的秩解空间维数 的关系,那么 AnX=0A^nX=0AnX=0An+1X=0A^{n+1}X=0An+1X=0 解空间的维数也是相同的。如果有解满足 An+1X=0A^{n+1}X=0An+1X=0,但不满足 AnX=0A^nX=0AnX=0,那么前者解空间的维数就大于后者的维数,矛盾。

注释:AnX=0A^nX=0AnX=0 的解都是 An+1X=0A^{n+1}X=0An+1X=0 这是在任何环境下都成立的。如果R(An)=R(An+1)R(A^n)=R(A^{n+1})R(An)=R(An+1),那么 An+1X=0A^{n+1}X=0An+1X=0 的解也都是 AnX=0A^nX=0AnX=0 的解,

命题二:如果 AnX0=0A^{n}X_0=0AnX0=0,那么 AX0,A2X0,⋯ ,AnX0AX_0,A^2X_0,\cdots,A^nX_0AX0,A2X0,,AnX0 线性无关

证明:

a1AX+a2A2X+⋯+anAnX=0a_1AX+a_2A^2X+\cdots+a_nA^nX=0a1AX+a2A2X++anAnX=0

两边同左乘 An−1A^{n-1}An1 ,得

a1AnX+a2An+1X+⋯+anA2n−1X=a1AnX=0a_1A^nX+a_2A^{n+1}X+\cdots+a_nA^{2n-1}X=a_1A^nX=0a1AnX+a2An+1X++anA2n1X=a1AnX=0

那么就有 a1=0a_1=0a1=0,同理,a2=a3=⋯=an=0a_2=a_3=\cdots=a_n=0a2=a3==an=0

所以 AX,A2X,⋯ ,AnXAX,A^2X,\cdots,A^nXAX,A2X,,AnX 线性无关。

命题三:AnX=0A^nX=0AnX=0An+1X=0A^{n+1}X=0An+1X=0 同解

一方面,显然 AnX=0A^nX=0AnX=0 的解都是 An+1X=0A^{n+1}X=0An+1X=0 的解.

另一方面,(反证法)如果存在解 X0X_0X0 使得 AnX0≠0A^nX_0\ne0AnX0=0,An+1X0=0A^{n+1}X_0=0An+1X0=0,那么 AX0,AX02,⋯ ,AX0nAX_0,AX_0^2,\cdots,AX_0^nAX0,AX02,,AX0nAnX=0A^nX=0AnX=0nnn 个线性无关的解。

又因为 R(A)>0R(A)>0R(A)>0,所以 AnX=0A^nX=0AnX=0 的解空间的维数小于 nnn ,矛盾。

所以 AnX=0A^nX=0AnX=0An+1X=0A^{n+1}X=0An+1X=0 同解

评论
成就一亿技术人!
拼手气红包6.0元
还能输入1000个字符
 
红包 添加红包
表情包 插入表情
 条评论被折叠 查看
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值