矩阵代数(七)- 维数与秩

形象理解线性代数的本质(三) 矩阵的升维和降维 引子:降维打击 科幻小说《三体》里一种很魔幻的攻击方法——降维打击,以其神奇的作用方式和巨大的威力刷新了我们的三观。而在矩阵乘法计算中,这种降维打击时刻存在着。本节讲解一下矩阵乘法中造成的升维和降维。 一、矩阵的降维 还用游戏的例子,有4个角色,每个人都有不同的能力,将其用矩阵表示出来 现在我们要评估他们的两种能力:领兵打仗的能力和协同将领的能力 只要将两个矩阵相乘... 阅读详情

小结

  1. 坐标系
  2. 子空间的维数
  3. 秩与可逆矩阵定理

坐标系

选择子空间H\boldsymbol{H}H的一个基代替一个存粹生成集的主要原因是,H\boldsymbol{H}H中的每个向量可以被表示为基向量的线性组合的唯一表示。

假设β={b1,⋯ ,bp}\boldsymbol{\beta}=\{ \boldsymbol{b_1},\cdots,\boldsymbol{b_p}\}β={b1​,⋯,bp​}是子空间H\boldsymbol{H}H的一组基,对H\boldsymbol{H}H中的每一个向量x\boldsymbol{x}x,相对于基β\boldsymbol{\beta}β的坐标是使x=c1b1+⋯+cpbp\boldsymbol{x}=c_1\boldsymbol{b_1} + \cdots + c_p\boldsymbol{b_p}x=c1​b1​+⋯+cp​bp​成立的权c1,⋯ ,cpc_1,\cdots,c_pc1​,⋯,cp​,且Rp\mathbb{R}^{p}Rp中的向量[x]β=[c1⋮vp]\boldsymbol{[x]_\beta}=\begin{bmatrix}c_1 \\ \vdots \\ v_p \end{bmatrix}[x]β​=⎣⎢⎡​c1​⋮vp​​⎦⎥⎤​称为x\boldsymbol{x}x(相对于β\boldsymbol{\beta}β)的坐标向量,或x\boldsymbol{x}x的β\boldsymbol{\beta}β-坐标向量。

设v1=[362],v2=[−101],x=[3127],β={v1,v2}\boldsymbol{v_1}=\begin{bmatrix}3 \\ 6 \\ 2\end{bmatrix},\boldsymbol{v_2}=\begin{bmatrix}-1 \\ 0 \\ 1\end{bmatrix},\boldsymbol{x}=\begin{bmatrix}3 \\ 12 \\ 7\end{bmatrix},\boldsymbol{\beta}=\{\boldsymbol{v_1}, \boldsymbol{v_2}\}v1​=⎣⎡​362​⎦⎤​,v2​=⎣⎡​−101​⎦⎤​,x=⎣⎡​3127​⎦⎤​,β={v1​,v2​}。因v1,v2\boldsymbol{v_1}, \boldsymbol{v_2}v1​,v2​线性无关,故β\boldsymbol{\beta}β是H=Span{v1,v2}\boldsymbol{H}=Span\{\boldsymbol{v_1}, \boldsymbol{v_2}\}H=Span{v1​,v2​}的基。判断x\boldsymbol{x}x是否在H\boldsymbol{H}H中,如果是,求x\boldsymbol{x}x相对于β\boldsymbol{\beta}β的坐标向量。
解:如果x\boldsymbol{x}x在H\boldsymbol{H}H中,则下面的向量方程是相容的:
c1[362]+c2[−101]=[3127]\boldsymbol{c_1}\begin{bmatrix}3 \\ 6 \\ 2\end{bmatrix} + \boldsymbol{c_2}\begin{bmatrix}-1 \\ 0 \\ 1\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}3 \\ 12 \\ 7\end{bmatrix}c1​⎣⎡​362​⎦⎤​+c2​⎣⎡​−101​⎦⎤​=⎣⎡​3127​⎦⎤​
如果数c1,c2c_1,c_2c1​,c2​存在,则它们是x\boldsymbol{x}x的β\boldsymbol{\beta}β-坐标。由行变换得:
[3−136012217]\begin{bmatrix}3 & -1 & 3 \\ 6 & 0 & 12 \\ 2 & 1 & 7 \end{bmatrix}⎣⎡​362​−101​3127​⎦⎤​~[102013000]\begin{bmatrix}1 & 0 & 2 \\ 0 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}⎣⎡​100​010​230​⎦⎤​
于是c1=2,c2=3,[x]β=[23]c_1=2,c_2=3,\boldsymbol{[x]_\beta}=\begin{bmatrix}2 \\ 3\end{bmatrix}c1​=2,c2​=3,[x]β​=[23​]。
平面***H***的一个坐标系

注意到虽然H\boldsymbol{H}H中的点也在R3\mathbb{R}^{3}R3中,但它们完全由属于R2\mathbb{R}^{2}R2的坐标向量确定。映射x↦[x]β\boldsymbol{x}\mapsto\boldsymbol{[x]_\beta}x↦[x]β​是使H\boldsymbol{H}H和R2\mathbb{R}^{2}R2之间保持线性组合关系的一一映射。我们称这种映射是同构的,且H\boldsymbol{H}H与R2\mathbb{R}^{2}R2同构。
一般地,如果β={b1,⋯ ,bp}\boldsymbol{\beta}=\{ \boldsymbol{b_1}, \cdots, \boldsymbol{b_p}\}β={b1​,⋯,bp​}是H\boldsymbol{H}H的基,则映射x↦[x]β\boldsymbol{x}\mapsto\boldsymbol{[x]_\beta}x↦[x]β​是使H\boldsymbol{H}H和Rp\mathbb{R}^{p}Rp的形态一样的一一映射(尽管H\boldsymbol{H}H中的向量可能有多余ppp个元素)。

子空间的维数

非零子空间H\boldsymbol{H}H的维数(用dim  Hdim \;\boldsymbol{H}dimH)是H\boldsymbol{H}H的任意一个基的向量个数。零子空间{0}\{ \boldsymbol{0} \}{0}的维数定义为零。
Rn\mathbb{R}^{n}Rn空间维数为nnn,Rn\mathbb{R}^{n}Rn的每个基由nnn个向量组合。R3\mathbb{R}^{3}R3中一个经过0\boldsymbol{0}0的平面是二维的,一条经过0\boldsymbol{0}0的直线是一维的。

矩阵A\boldsymbol{A}A的秩(记为rank  Arank \;\boldsymbol{A}rankA)是A\boldsymbol{A}A的列空间的维数。

确定矩阵的秩:
A=[25−3−4847−4−3969−5240−965−6]\boldsymbol{A}=\begin{bmatrix} 2 & 5 & -3 & -4 & 8 \\ 4 & 7 & -4 & -3 & 9 \\ 6 & 9 & -5 & 2 & 4 \\ 0 & -9 & 6 & 5 & -6 \end{bmatrix}A=⎣⎢⎢⎡​2460​579−9​−3−4−56​−4−325​894−6​⎦⎥⎥⎤​
解:行化简A\boldsymbol{A}A称阶梯形:
[25−3−4847−4−3969−5240−965−6]\begin{bmatrix} 2 & 5 & -3 & -4 & 8 \\ 4 & 7 & -4 & -3 & 9 \\ 6 & 9 & -5 & 2 & 4 \\ 0 & -9 & 6 & 5 & -6 \end{bmatrix}⎣⎢⎢⎡​2460​579−9​−3−4−56​−4−325​894−6​⎦⎥⎥⎤​~[25−3−480−325−70004−600000]\begin{bmatrix} 2 & 5 & -3 & -4 & 8 \\ 0 & -3 & 2 & 5 & -7 \\ 0 & 0 & 0 & 4 & -6 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}⎣⎢⎢⎡​2000​5−300​−3200​−4540​8−7−60​⎦⎥⎥⎤​
矩阵A\boldsymbol{A}A有3个主元列,因此rank  A=3rank \;\boldsymbol{A}=3rankA=3

定理 14(秩定理)
如果一矩阵A\boldsymbol{A}A有nnn列,则rank  A+dim  Nul  A=nrank \;\boldsymbol{A} + dim \;Nul \;\boldsymbol{A}=nrankA+dimNulA=n

定理 15(基定理)
设H\boldsymbol{H}H是Rn\mathbb{R}^{n}Rn的ppp维子空间,H\boldsymbol{H}H中的任何恰好由ppp个元素组成的线性无关集构成H\boldsymbol{H}H的一个基。并且,H\boldsymbol{H}H中任何生成H\boldsymbol{H}H的ppp个向量集也构成H\boldsymbol{H}H的一个基。

秩与可逆矩阵定理

定理(可逆矩阵定理(续))
设A\boldsymbol{A}A是一n×nn \times nn×n矩阵,则下面的每个命题与A\boldsymbol{A}A是可逆矩阵的命题等价:
m.  A的列向量构成Rn的一个基n.  Col  A=Rno.  dim  Col  A=np.  rank  A=nq.  Nul  A={0}r.  dim  Nul  A=0\begin{aligned} & m. \;\boldsymbol{A}的列向量构成\mathbb{R}^{n}的一个基 \\ & n.\;Col \;\boldsymbol{A}=\mathbb{R}^{n} & &o.\;dim \;Col\;\boldsymbol{A}=n \\ & p.\;rank \;\boldsymbol{A}=n && q.\;Nul\;\boldsymbol{A}=\{\boldsymbol{0}\} \\ &r.\;dim \;Nul \;\boldsymbol{A} = 0\end{aligned}​m.A的列向量构成Rn的一个基n.ColA=Rnp.rankA=nr.dimNulA=0​​o.dimColA=nq.NulA={0}​

深入浅出矩阵的秩 矩阵(Matrix)其实就是一个用数字排列而成的表格,就是我们平时常见的表格那样,只不过我们将表格里的数据都换成了数字。更正式地讲,矩阵就是把一些数字排成了行和列的形式。例如: [123456] \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \end{bmatrix} [14​25​36​] 这个矩阵就有两行三列,我们称它为“2×3矩阵”。我们通常用大写字母(如 A、B、CA、B、CA、B、C )来表示矩阵,比如: A=[a11a12a13a21a22a23] A = \be 阅读详情

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