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秩與零核

大一 · 線性代數

觀念

121011000列梯形 =主元主元 → rank = 2零列 → nullity = 3 − 2 = 1

矩陣的秩 (rank) 是列梯形中非零列的數目,也等於線性獨立的列向量個數、線性獨立的行向量個數,以及行空間的維度——它衡量矩陣「真正有多少維的資訊」。零核空間 (null space) 是 Ax=0A\mathbf{x} = \mathbf{0} 的所有解,其維度叫 nullity。

秩-零度定理 (rank–nullity theorem):對 m×nm\times n 矩陣,rankA+nullityA=n\text{rank}A + \text{nullity}A = n(行數 = 變數個數)。直覺:nn 維輸入空間裡,一部分被壓成 0(零核),剩下的維度構成輸出(秩)。

算例:3×33\times3 矩陣前兩列線性獨立、第三列是前兩列之和,秩為 2,零核一維——方程組 Ax=0A\mathbf{x} = \mathbf{0} 有一條直線的解。2×52\times5 矩陣秩最多 2,零核至少 3 維。

秩決定方程組有解與否、解的自由度,也是資料壓縮(低秩近似、SVD)與推薦系統矩陣分解背後的概念。

例題

求矩陣 A=[1333−3−1402]A = \begin{bmatrix} 1 & 3 & 3 \\ 3 & -3 & -1 \\ 4 & 0 & 2 \end{bmatrix} 的秩 (rank)。

看解法與答案

秩 = 列梯形中非零列的數目 = 線性獨立的列數。觀察:第三列 =(1)⋅= (1)\cdot第一列 +(1)⋅+ (1)\cdot第二列,是前兩列的線性組合,對秩沒有貢獻。

列運算(第 1 行):R2→R2−3R1R_{2} \to R_{2} - 3R_{1}、R3→R3−4R1R_{3} \to R_{3} - 4R_{1},得 [1330−12−100−12−10]\left[\begin{array}{ccc} 1 & 3 & 3 \\ 0 & -12 & -10 \\ 0 & -12 & -10 \end{array}\right]。

列運算(第 2 行):R3→R3−R2R_{3} \to R_{3} - R_{2},得 [1330−12−10000]\left[\begin{array}{ccc} 1 & 3 & 3 \\ 0 & -12 & -10 \\ 0 & 0 & 0 \end{array}\right]。

列梯形中非零列有 22 列,所以 rankA=2\text{rank}A = 2。

答案: 22

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