ранг матрицы и системы уравнений
высшая математикалекция
что было
оглавление
оглавление
Два способа найти ранг: через ненулевой минор максимального порядка и через число ненулевых строк ступенчатой матрицы.
Ранг измеряет число независимых строк или столбцов. Для небольшой матрицы его можно подтвердить минорами, а для вычислений удобнее привести матрицу к ступенчатому виду.
ранг через миноры
Ранг — максимальный порядок ненулевого минора. Поэтому доказательство состоит из двух частей: предъявить ненулевой минор порядка и объяснить, почему миноров большего порядка нет или все они нулевые.
оценка ранга по минору
условие: Для определить ранг.
ход решения
Определитель всей матрицы равен 0, потому что вторая строка равна удвоенной первой; значит, ранг меньше 3
Берём минор первых и третьих строк, первых двух столбцов:
Есть ненулевой минор порядка 2, поэтому ранг не меньше 2
ответ:
проверка: Одновременно получены верхняя оценка и нижняя оценка .
элементарные преобразования и ступенчатый вид
Ранг не меняют: перестановка строк, умножение строки на ненулевое число, прибавление к строке другой строки с коэффициентом. Эти операции последовательно создают нули под ведущими элементами.
ступенчатая матрица
Нулевые строки стоят снизу, а ведущий элемент каждой следующей ненулевой строки расположен правее ведущего элемента предыдущей.
ранг методом строк
Строки упрощают, не меняя ранга.
описание схемы словами
Алгоритм приведения матрицы к ступенчатому виду и подсчёта ранга
полный пример приведения
Преобразования строк особенно удобны для прямоугольных матриц: не приходится перебирать множество миноров.
ранг по числу ступеней
условие: Найти ранг .
ход решения
, :
:
В ступенчатом виде две ненулевые строки
ответ:
проверка: Минор подтверждает наличие двух независимых строк.
связь с системами
Те же преобразования применяют к расширенной матрице . Сравнение рангов и определяет совместность системы; подробно это разобрано в теме о методе Гаусса.
что запомнить
Ранг — максимальный порядок ненулевого минора.
Ранг также равен числу ненулевых строк ступенчатого вида.
Три элементарных преобразования строк сохраняют ранг.
Для доказательства ранга минорами нужны верхняя и нижняя оценки.
самопроверка
Почему одной находки ненулевого минора порядка 2 недостаточно, чтобы сразу утверждать ранг 2?
Какие преобразования строк сохраняют ранг?
Как узнать ранг ступенчатой матрицы?
Почему пропорциональные строки уменьшают ранг?
источники
материал занятия: фотографии студенческого конспекта, страницы 129–132 — /materials/notes/engineering_graphics/photo_129@20-09-2026_10-34-37.jpg
редакционная сверка: MIT OpenCourseWare: Elimination with Matrices — https://ocw.mit.edu/courses/18-06sc-linear-algebra-fall-2011/pages/ax-b-and-the-four-subspaces/elimination-with-matrices/
что сделать
Найдите ранг матрицы методом строк.
благодарность
Евгения Прохорова (1-45) и Никита Козлов (1-48)