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趣味线性代数(七),什么是“秩”?从维度空间入手轻松理解

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方程:有三个未知数,为什么只有两个方程? 矩阵:三列为什么配两行,横竖不能一样长吗?


1楼2023-12-19 22:06回复
    图形:三维坐标系,怎么只画了两条向量线段? 如果你也有上述自我强迫式的疑问,那恭喜你,你的线性代数,要有“秩”的飞跃了。


    2楼2023-12-19 22:06
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      2025-05-12 06:47:45
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      1、齐次线性方程组的几何含义是,画出给定的两条向量线段的垂直线段(或直线); 2、原点(0,0,0)与任意一条向量线段垂直。如果向量空间是饱满的,则方程无解;如果向量空间不够饱满,则方程有解,并且解向量正好将它填充。


      3楼2023-12-19 22:06
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        那么,在不求解的情况下,如何测度向量空间呢?分析一下系数矩阵就可以了,而分析的结果就是矩阵或向量组的“秩”。 阶子式(如果存在的话)全等于0,那么


        4楼2023-12-19 22:06
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          向量组的秩:设的向量组 个向量的话)都线性相关,那么称


          5楼2023-12-19 22:06
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            的一个最大线性无关向量组,简称最大无关组;数 的秩,并规定只含零的向量组的秩为


            6楼2023-12-19 22:07
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              对于阶子式,我们可以把它理解为对N维空间的解构, 以三维空间为例,二维平面和一维直线便是三维空间的“阶子式”。基于有线才有面、有面才体的常识,判定N维向量空间的饱满程度(即矩阵或向量组的秩),可以从二维平面是否有面积(即二阶子式是否为0)开始。 试想一下,常见的三维体都有几个面?长方体有六个面,三棱柱有五个面,三棱锥有四个面。所以,某个二维平面面积为0(即阶子式为0),并不影响三维体的体积,只要找一个面积不为0的二维平面(即阶子式),再由低阶向高阶推演,就可以算来矩阵或向量组的秩了。


              7楼2023-12-19 22:07
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                比如,上面列出的矩阵: 如果将列向量看作是向量线段,那么向量空间是2维的,2维平面有三条向量线段,两条即可成面,所以,这个矩阵则是满秩的,秩为2,也就是维度数。


                8楼2023-12-19 22:07
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                  2025-05-12 06:41:45
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                  如果将横向量看作向量线段,只需要增加一个零量(0,0,0),即 三维的向量空间里,只有两条向量线段,任一个二阶子式不为零,就意味着两条向量线段不共线。而三阶子式(即矩阵本身)是0,意味着这个矩阵对应的是一个二维平面,它的秩为2,而向量空间的维度数是3。


                  9楼2023-12-19 22:07
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                    总之,矩阵的“秩”与齐次线性方程组的解、向量组的线性相关和线性无关、向量空间的饱满度,在内在含义上是相通的。


                    10楼2023-12-19 22:07
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