
1.12. Базисный минор
.pdfОстыловский А.Н. Лекция 12.
Базисный минор. Теорема о базисном миноре. Ранг матрицы. Критерий равенства нулю определителя. Теорема о ранге матрицы. Нахождение ранга матрицы
12.1. Теорема о базисном миноре. Рассмотрим произвольную
(m n) матрицу A.
Определение 1.Минором матрицы A, построенным на строках с номерами i1, i2, : : : ; ik и столбцах с номерами j1, j2, : : : ; jk, называется определитель, элементами которого являются элементы матрицы A, расположенные на пересечении указанных строк и столбцов.
Определение 2. Минор M произвольной матрицы называется базисным, если он отличен от нуля, а любой минор на единицу большего порядка, включающий в себя M, равен нулю (или такого минора не существует); строки и столбцы, на которых построен базисный минор, называются базисными.
Теорема 1 (о базисном миноре). Базисные строки (столбцы) линейно независимы; любая строка (столбец) является линейной комбинацией базисных.
Доказательство. Доказательство теоремы проведем для строкдля столбцов она доказывается аналогично.
Допустим, что базисные строки линейно зависимы. Тогда одна из них представима в виде линейной комбинации оставшихся. Значит и в базисном миноре соответствующая строка представима в виде линейной комбинации оставшихся строк с теми же коэффициентами. Но тогда базисный минор равен нулю. Противоречие.
Осталось доказать, что любая строка представима в виде линейной комбинации базисных строк. Не ограничивая общности рассуждений, будем считать, что базисный минор M расположен в левом
1
верхнем углу матрицы (в противном случае строки и столбцы можно
соответствующим образом переставить), k его порядок. Добавим
к нему i-ю строку и j-й столбец:
a11 : : : ak1 aj1 |
|
|
|
2 |
2 |
2 |
: |
:a:1: ::::::: :a: :k |
: :a:j: |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a1k |
: : : |
akk ajk |
|
a1i |
: : : |
aki aji |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Полученный определитель равен нулю. В самом деле, если i k
или j k, то в нем две одинаковые строки или два одинаковых
столбца; если же i > k и j > k, то он является минором (k + 1)-го
порядка, включающим в себя M, а значит, равен нулю по условию
теоремы.
Разложим этот определитель по последнему столбцу:
aj1Aj1 + aj2Aj2 + + ajkAjk + aji M = 0: |
(1) |
При этом числа A1j , A2j , ..., Akj и M не зависят от j (число M не зависит также и от i). Учитывая, что M 6= 0, положим
|
A1 |
|
A2 |
|
Ak |
|
|
1 = |
j |
; 2 |
= |
j |
; : : : ; k = |
j |
: |
M |
M |
M |
Тогда из (1) получим
aji = 1aj1 + 2aj2 + + kajk: |
(2) |
Так как j здесь произвольное, коэффициенты 1, 2, k не зависят
от j, то выполняются n равенств
8
>>ai1 = 1a11 + 2a21 + + kak1;
>
>
>
><ai2 = 1a12 + 2a22 + + kak2;
> : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
>
>
>
>
>
:
ain = 1a1n + 2a2n + + kakn;
2
что можно записать в виде |
|
2a223 |
|
2a2k3 |
||||||
2a2i 3 |
|
2a213 |
|
|
||||||
a1i |
7 |
|
a11 |
7 |
|
a12 |
7 |
+ + k |
a1k |
7 |
6 ... |
= 1 |
6 ... |
+ 2 |
6 ... |
6 ... |
|||||
6 |
7 |
|
6 |
7 |
|
6 |
7 |
|
6 |
7 |
6ai |
7 |
|
6a1 |
7 |
|
6a2 |
7 |
|
6ak |
7 |
6 n7 |
|
6 n7 |
|
6 n7 |
|
6 n7 |
||||
4 |
5 |
|
4 |
5 |
|
4 |
5 |
|
4 |
5 |
или в виде строк
hi
ai |
; ai |
; : : : ; ai |
= |
|
1 |
2 |
n |
= 1 ha11; a21; : : : ; an1 i + |
|
|
|
|
||
|
|
|
h |
i |
+2 a21; a22; : : : ; a2n +
h i
+ k ak1; ak2; : : : ; akn :
Таким образом, i-я строка есть линейная комбинация с коэффициентами 1,..., k базисных строк. 2
Следствие 1. Если минор M базисный, то любой минор большего порядка (если такой есть) равен нулю.
Доказательство. Рассмотрим произвольный минор N порядка p > k. По теореме о базисном миноре любая его строка ni равна линейной комбинации укороченных базисных строк (употребляем немое суммирование)
ni = is^as:
Поэтому
1 |
p |
1 s1 |
p sp |
1 |
p |
s1 |
sp |
): |
N = (n |
; : : : ; n |
) = ( s1^a |
; : : : ; sp^a |
) = s1 |
sp |
(^a |
; : : : ; ^a |
Но каждый из определителей (^as1 ; : : : ; ^asp ) равен нулю, поскольку из p его строк различных не более k. Следовательно, N = 0. 2
Следствие 2. Все базисные миноры имеют одинаковый порядок.
3
Доказательство немедленно получается из следствия 1. 2
12.2. Ранг матрицы.
Определение 3.Максимальной линейно независимой системой строк матрицы называется такая подсистема ее строк, что добавление к ней любой иной строки матрицы (если таковая существует) превращает ее в линейно зависимую.
Теорема 2. Число строк в любой максимальной линейно независимой системе строк матрицы равно порядку её базисного минора.
Доказательство. Пусть k порядок базисного минора матрицы A и a1; : : : ; as некоторая максимальная линейно независимая система её строк. Составим из них матрицу B.
Предположим, что s > k. Так как любой минор матрицы B является минором матрицы A, то порядок базисного минора матрицы
B не превосходит k. Поэтому в матрице B существует небазисная (для этого базисного минора) строка. По теореме о базисном миноре упомянутая строка есть линейная комбинация базисных. Противоречие.
Предположим, что s < k. Тогда произвольная строка b матрицы
A является линейной комбинацией строк a1; : : : ; as. В таком случае, любой минор порядка s + 1, выбранный в строках a1; : : : ; as; b равен нулю. Тогда базисный минор матрицы A имеет порядок s. Противоречие. Следовательно, s = k. 2
Определение 4. Строчным рангом матрицы называется наибольшее (максимальное) число её линейно независимых строк.
Ранг матрицы обозначается так: rang A.
Замечание. Аналогично доказывается, что наибольшее (максимальное) число линейно независимых столбцов матрицы (столбцовый ранг) равно порядку ее базисного минора. Тем самым, наи-
4
большее (максимальное) число линейно независимых строк равно наибольшему (максимальному) числу линейно независимых столбцов и равно порядку базисного минора. Это число и называют рангом матрицы.
Следствие. Определитель равен нулю тогда и только тогда, когда его строки (столбцы) линейно зависимы.
Доказательство. Если строки линейно зависимы, то одна из них равна линейной комбинации остальных, а значит определитель равен нулю. Обратно, если определитель (n n)-матрицы равен нулю, то rang A < n, а значит, ее строки линейно зависимы. 2
12.3. Нахождение ранга матрицы. Будем считать, что первая строка матрицы A ненулевая. Этого можно добиться переставляя нулевые строки на последние места ранг матрицы при этом не меняется. Теперь переставляя столбцы матрицы добьёмся того, чтобы первый элемент первой строки был ненулевой (столбцовый ранг, а значит и просто ранг матрицы при этом не изменился). Итак,
a11 6= 0.
Первую строку, помноженную на a21=a11 прибавим ко второй. Первую строку, помноженную на a31=a11 прибавим к третьей и т.д. Ранг матрицы не изменится, поскольку нулевые миноры останутся нулевыми, а ненулевые ненулевыми. Матрица примет вид
23
|
a101 a201 : : : am01 |
: |
||
A0 = 6:0: : : a: :202: : |
:: :: |
:: : :a:m0 :7 |
||
6 |
|
|
2 |
|
|
|
7 |
|
|
6 |
0 a0n |
: : : a0n7 |
|
|
6 |
2 |
|
m7 |
|
4 |
|
|
5 |
|
При необходимости, переставляя вторую строку с нижележащими и второй столбец со столбцами расположенными правее, добьёмся a022 6= 0. Домножая вторую строку на нужные числа и прибавляя
5
к нижележащим приведем матрицу к виду
23
a011 a021 : : : a0m1
67
60 a0022 : : : a00m27
67
A00 = 6:0: : : : |
0: : : ::::::: :a:m00: :7 |
: |
6 |
3 |
|
7 |
|
|
6 |
7 |
|
6 |
7 |
|
4 |
5 |
|
0 |
0 : : : am0n |
|
Ранг матрицы при этих преобразованиях вновь не изменился, rang A = rang A00.
Продолжая описанный процесс далее, приведем матрицу A к ви-
ду |
201 |
b2 |
: : : : : : : : : : |
b2 3 |
|
||
|
|
b1 |
b21 |
: : : : : : : : : : |
bm1 |
|
|
|
6: : : : :2: : : : : : : : : : : : : : :m:7 |
|
|||||
|
6 |
|
|
|
|
7 |
|
B = |
6 |
0 |
0 |
: : : br : : : br |
7 |
; |
|
|
6 |
r |
m7 |
|
|||
|
6 |
|
|
|
|
7 |
|
|
6 |
0 0 : : : : : : : : : : |
0 |
7 |
|
||
|
6 |
|
|
|
|
7 |
|
|
6 |
|
|
|
|
7 |
|
|
6: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :7 |
|
|||||
|
6 |
|
|
|
|
7 |
|
|
6 |
|
|
|
|
7 |
|
|
6 |
|
|
|
|
7 |
|
|
4 |
0 0 : : : : : : : : : : |
0 |
5 |
|
||
|
|
|
|
где все числа bii отличны от нуля и rang A = rang B. Базисный минор матрицы B находится в её левом верхнем углу и имеет порядок r.
Упражнения
1. Пусть
h iT h i
x = x1; x2; : : : xn ; y = y1; y2 : : : yn ; B = xy:
Докажите, что rang A = 1.
23
1 2 3
|
A = |
6 |
5 |
7 |
|
4 |
6 |
||
2. Дана матрица |
|
67 |
8 |
97. |
а) Найдите её ранг и |
какой-либо базисный минор. |
|||
4 |
|
5 |
6
б) Найдите коэффициенты разложения небазисной строки по базисным строкам и небазисного столбца по базисным столбцам.
в) Найдите все базисные миноры.
3. Пусть A и B квадратные матрицы порядка n, причем det A 6= 0. Докажите, что rang AB = rang BA = rang B.
7