Ранг матрицы: определение, методы нахождения

В этой публикации мы рассмотрим определение ранга матрицы, а также методы, с помощью которых его можно найти. Также мы разберем примеры, демонстрирующие применение теории на практике.

Содержание

Определение ранга матрицы

Ранг матрицы - это ранг его системы строк или столбцов. Любая матрица имеет ранги строк и столбцов, которые равны друг другу.

Ранг системы строк — максимальное количество линейно независимых строк. Ранг системы столбцов определяется аналогичным образом.

Ноты:

  • Ранг нулевой матрицы (обозначается символом «θ«) любого размера равен нулю.
  • Ранг любого ненулевого вектора-строки или вектор-столбца равен единице.
  • Если матрица любого размера содержит хотя бы один элемент, не равный нулю, то ее ранг не меньше единицы.
  • Ранг матрицы не превышает ее минимальной размерности.
  • Элементарные преобразования, выполняемые над матрицей, не меняют ее ранг.

Нахождение ранга матрицы

Метод окантовки минора

Ранг матрицы равен максимальному порядку ненулевой.

Алгоритм следующий: найдите миноров от низшего порядка до высшего. Если несовершеннолетний n-й порядок не равен нулю, и все последующие (n + 1) равны 0, поэтому ранг матрицы равен n.

Пример

Чтобы было понятнее, возьмем практический пример и найдем ранг матрицы A ниже, используя метод окантовки миноров.

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Решения

Мы имеем дело с матрицей размера 4×4, следовательно, ее ранг не может быть выше 4. Также в матрице есть ненулевые элементы, а значит, ее ранг не меньше единицы. Итак, начнем:

1. Начать проверку несовершеннолетние второго порядка. Для начала берем по две строки первого и второго столбца.

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Минор равен нулю.

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Поэтому переходим к следующему минору (остается первый столбец, а вместо второго берем третий).

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Минор — 54≠0, значит ранг матрицы не меньше двух.

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Примечание: Если бы этот минор оказался равным нулю, мы бы дополнительно проверяли следующие комбинации:

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

При необходимости перечисление можно продолжить таким же образом со строками:

  • 1 и 3;
  • 1 и 4;
  • 2 и 3;
  • 2 и 4;
  • 3 и 4.

Если бы все миноры второго порядка были равны нулю, то ранг матрицы был бы равен единице.

2. Нам удалось почти сразу найти подходящего нам минора. Итак, давайте перейдем к несовершеннолетние третьего порядка.

К найденному минору второго порядка, давшему ненулевой результат, добавляем одну строку и один из выделенных зеленым столбцов (начинаем со второго).

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Минор оказался нулевым.

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Поэтому меняем второй столбец на четвертый. И со второй попытки нам удается найти минор, не равный нулю, а это значит, что ранг матрицы не может быть меньше 3.

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Примечание: если бы результат снова оказался нулевым, то вместо второй строки мы бы взяли четвертую дальше и продолжили поиск «хорошего» минора.

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

3. Теперь осталось определиться несовершеннолетние четвертого порядка на основе того, что было найдено ранее. В данном случае это тот, который соответствует определителю матрицы.

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Минор равен 144≠0. Это означает, что ранг матрицы A равно 4

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Приведение матрицы к ступенчатому виду

Ранг ступенчатой ​​матрицы равен количеству ее ненулевых строк. То есть все, что нам нужно сделать, это привести матрицу к соответствующему виду, например, с помощью , которые, как мы уже говорили выше, не меняют ее ранг.

Пример

Найдите ранг матрицы B ниже. Мы не берем слишком сложный пример, поскольку наша главная цель — просто продемонстрировать применение метода на практике.

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Решения

1. Сначала вычтите из второй строки удвоенную первую.

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

2. Теперь вычтите первую строку из третьей строки, умножив ее на четыре.

Ранг матрицы: определение, методы нахождения

Таким образом, мы получили ступенчатую матрицу, в которой количество ненулевых строк равно двум, следовательно, ее ранг также равен 2.

Оставьте комментарий