高等代数 · 课程学习笔记

第 P34 集 · 十六:阶梯型矩阵的行秩=列秩、初等行变换的秩

Row Rank = Column Rank for Echelon Matrices; Rank Invariance under Row Operations
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P34 / 151 集 核心概念:行阶梯型矩阵 · 主元 · 极大线性无关组 · 初等行变换 · 延伸组
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◎学习目标

  1. 掌握行阶梯型( echelon form )矩阵的结构特征:主元位置、非零行个数 \(r\);
  2. 会证明:对行阶梯型矩阵 \(J\),其列秩 = 行秩 = 非零行个数 \(r\);
  3. 理解延伸组(extension)的概念及其保持线性无关性的性质;
  4. 证明初等行变换不改变矩阵的行秩;
  5. 掌握"列向量组线性相关 \(\iff\) 对应齐次方程组有非零解"这一基本结论的应用。

1行阶梯型矩阵的列秩 = 行秩 ⏱ 00:00

设 \(J\) 为 \(s\times n\) 行阶梯型矩阵,非零行个数为 \(r\),主元分别在第 \(j_1,j_2,\dots,j_r\) 列(\(j_1

\[ J=\begin{pmatrix} * & \cdots & * & * & \cdots & * & \cdots & * \\ 0 & \cdots & 0 & * & \cdots & * & \cdots & * \\ \vdots & & \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ 0 & \cdots & 0 & 0 & \cdots & * & \cdots & * \\ \vdots & & \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ 0 & \cdots & 0 & 0 & \cdots & 0 & \cdots & 0 \\ \end{pmatrix} \quad\left.\vphantom{\begin{matrix}*\\*\end{matrix}}\right\rbrace\ r\text{ 个非零行} \]
定理 1 · 行阶梯型矩阵的列秩 = 行秩 = r 设 \(J\) 为 \(s\times n\) 行阶梯型矩阵,非零行个数为 \(r\),则
\[ \operatorname{colrank}(J)=\operatorname{rowrank}(J)=r. \]
证明:列秩 = r(构造 \(r\) 个线性无关列向量)

考虑 \(J\) 的第 \(j_1,j_2,\dots,j_r\) 列(即主元所在列),截去下面 \(s-r\) 个零分量后得到 \(r\) 维向量 \(\tilde{\alpha}_{j_1},\tilde{\alpha}_{j_2},\dots,\tilde{\alpha}_{j_r}\)。⏱ 01:02

这 \(r\) 个向量的前 \(r\) 个分量构成的矩阵是上三角矩阵,对角线元素均非零(即各主元),故其行列式非零,该向量组线性无关。

由延伸组定理(教材第 89 页):\(r\) 个 \(r\) 维线性无关向量,在后补 \(s-r\) 个零后所得的 \(s\) 维向量组依然线性无关。⏱ 02:31

因此 \(\alpha_{j_1},\alpha_{j_2},\dots,\alpha_{j_r}\) 线性无关,\(\operatorname{colrank}(J)\geq r\)。

另一方面,所有列向量的第 \(r+1\) 至 \(s\) 分量全为零,故列空间含于

\[ U=\{(x_1,\dots,x_r,0,\dots,0)^{\mathrm{T}}\in K^s\},\quad \dim U=r. \]
所以 \(\operator中{colrank}(J)\leq r\)。综上 \(\operatorname{colrank}(J)=r\)。

证明:行秩 = r

取前 \(r\) 行中每行保留从第 \(j_k\) 列到第 \(j_r\) 列的分量(共 \(j_r-j_k+1\) 个分量,非零),构成 \(r\) 个向量。它们的"延伸"正好是行向量 \(\gamma_1,\dots,\gamma_r\)。⏱ 03:41

这 \(r\) 个截断向量组成的矩阵也是上三角形,对角线为主元(非零),故线性无关。由延伸组定理,\(\gamma_1,\dots,\gamma_r\) 线性无关。

第 \(r+1\) 至 \(s\) 行全为零行,故行秩就是 \(r\)。

2主元所在列构成列向量组的极大线性无关组 ⏱ 05:02

定理 2 · 主元列是列向量组的极大线性无关组 对行阶梯型矩阵 \(J\),其主元所在的 \(r\) 列构成 \(J\) 的列向量组的一个极大线性无关组。

证明要点:

重要结论(本节核心) 对行阶梯型矩阵,主元所在列 = 列向量组的一个极大线性无关组,这是一个非常实用的判定准则。⏱ 06:25

3初等行变换不改变行秩 ⏱ 06:46

三种初等行变换分别讨论:

定理 3 · 初等行变换不改变行秩 对任意矩阵 \(A\),三种初等行变换后得到的矩阵 \(B\),有 \(\operatorname{rowrank}(B)=\operatorname{rowrank}(A)\)。
第一类:某行的 \(k\) 倍加到另一行

设 \(B\) 由 \(A\) 的第 \(i\) 行的 \(k\) 倍加到第 \(l\) 行得到。则 \(B\) 的行向量组为 \(\gamma_1,\dots,\gamma_i,\dots,\gamma_l+k\gamma_i,\dots,\gamma_s\)。⏱ 07:10

每个 \(B\) 的行向量都可由 \(A\) 的行向量线性表出(\(\gamma_l+k\gamma_i\) 显然);反之,\(\gamma_l=(\gamma_l+k\gamma_i)-k\gamma_i\) 也可由 \(B\) 的行向量表出。故两行向量组等价,秩相等。

第二类:互换两行

互换两行只改变行的顺序,不改变行向量组本身,故行秩不变。⏱ 08:46

第三类:某行乘以非零常数 \(l\)

设第 \(i\) 行乘 \(l\neq 0\)。则 \(B\) 的第 \(i\) 行为 \(l\gamma_i\),其余行不变。⏱ 09:15

\(l\gamma_i\) 可由 \(\gamma_i\) 表出;反之 \(\gamma_i=\frac{1}{l}(l\gamma_i)\) 也可由 \(B\) 的行向量表出。两组等价,行秩相等。

丘老师点评"这三种类型的初等行变换都不改变行秩,这是很直观的。"⏱ 09:52

★重点回顾

1
行阶梯型矩阵的列秩 = 行秩 = 非零行个数 \(r\):关键是用主元列构成上三角子矩阵,行列式非零,从而线性无关。
2
延伸组定理:\(r\) 个 \(r\) 维线性无关向量后补零后仍是线性无关的。这是证明列秩 ≥ r 的关键工具。
3
主元所在列 = 极大线性无关组:对行阶梯型矩阵,主元所在 \(r\) 列是列向量组的一个极大线性无关组。
4
初等行变换不改变行秩:三类变换均保持行向量组等价,从而秩不变。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆"列秩"与"列数":列秩 ≤ 列数,当且仅当列向量组满秩时才相等。
  2. 忽视延伸组定理的条件:延伸组定理要求每个向量添加的零分量位置相同、个数相同,不可随意添加。
  3. 误以为"初等行变换不改变列秩"是显然的:这需要独立证明(下一集 P35),不能直接从行秩不变的结论推出。

✎自测与作业

  1. 验证:对 \(J=\begin{pmatrix}1&2&0&3\\0&0&1&4\\0&0&0&0\end{pmatrix}\),其列秩 = 行秩 = 2,并找出一个极大线性无关组。
  2. 利用延伸组定理证明:若 \((1,2,3),\ (4,5,6)\) 线性无关,则 \((1,2,3,0,0),\ (4,5,6,0,0)\) 也线性无关。
  3. 设 \(A\) 经初等行变换化为 \(B\),证明 \(A\) 与 \(B\) 的行向量组等价,从而行秩相等。
  4. (思考)为何"初等行变换不改变列秩"比"不改变行秩"更难证明?思考下节课的证明思路。
下集预告 第 P35 集 · 十七:将证明初等行变换不改变列秩,进而得到任意矩阵的行秩=列秩,正式定义矩阵的秩\(\operatorname{rank}(A)\)。