秩-非零子式的最高阶数(矩阵内部的连通性)

原创 云深之无迹 2024-10-07 00:33

解答

其实这里面的知识不少,正好补充。

矩阵非零子式的最高阶数,简单来说就是从一个矩阵中能剪出最大的、非零的正方形有多大。这个数值可以反映矩阵的很多性质。

想象一个池塘,里面的水代表矩阵的元素。非零子式的最高阶数就像是在这个池塘里挖一个最大的方形池塘,这个方形池塘能装的水量就代表矩阵的秩。

我们把一个矩阵想象成一个表格,每个数字都占据一个格子。

从表格里剪出最大的“非零正方形”

  • 子式:就像是从这个表格里剪下来的一小块正方形。你可以选择表格中任意多行和任意多列,然后把这些行和列交叉的部分“剪”下来,就得到一个小正方形。这个小正方形里的数字组成一个行列式,这个行列式就是子式。


注意是个行列式!!!啊!再见吧!我的行列式~

  • 非零子式:就是说,这个小正方形里算出来的值不是0。行列式的值

  • 最高阶数:就是说,我们能从这个表格里剪出的最大的、非零的正方形有多大。这个“大”指的是正方形的边长,也就是包含的行列数。


看懂没有?子式就是一个正方形的行列式,随意取有点像遍历的感觉。

| 1  2  3 || 4  5  6 || 7  8  9 |


这个表格就是一个矩阵。我们可以从中剪出很多不同大小的正方形,比如:

  • 2x2的正方形


    这个正方形算出来的值不是0,所以它是一个2阶的非零子式。

    | 1  2 || 4  5 |
  • 3x3的正方形


    这个正方形算出来的值是0,所以它不是一个非零子式。

    | 1  2  3 || 4  5  6 || 7  8  9 |


那么,这个矩阵中最大的非零子式是什么呢?

在这个例子中,最大的非零子式就是那个2x2的。所以,这个矩阵的非零子式的最高阶数就是2。

这个“最高阶数”有什么用呢?

  • 反映矩阵的“胖瘦”: 阶数越高,说明矩阵包含的信息越丰富,矩阵的“秩”就越高。

  • 判断矩阵是否可逆: 如果一个方阵(行数和列数相等)的非零子式的最高阶数等于它的阶数,那么这个矩阵就是可逆的。

  • 解决线性方程组: 在解线性方程组时,非零子式的最高阶数可以告诉我们方程组解的情况。


接下来为了完整性,可以看这个结论:如果一个方阵(行数和列数相等)的非零子式的最高阶数等于它的阶数,那么这个矩阵就是可逆的。

如果一个方阵中,最大的那个非零的“小方阵”(也就是子式)的边长正好等于整个方阵的边长,那么这个方阵就是可逆的。

我喜欢不厌其烦的重复,里面的名词一定要搞明白。

  • 方阵: 行数和列数相等的矩阵。方阵也是矩阵

  • 子式: 从一个矩阵中选取若干行和若干列,保留这些行列交叉处的元素所构成的行列式。子式是行列式

  • 非零子式: 值不为零的子式。子式的一种特殊情况

  • 最高阶数: 所有非零子式中,边长最大的那个子式的阶数。

  • 可逆矩阵: 存在逆矩阵的矩阵。

  • 秩: 非零子式的最高阶数就是矩阵的秩。

  • 初等变换: 初等变换不改变矩阵的秩。


  • 行列式与可逆性: 一个方阵可逆的充分必要条件是它的行列式不为零。

  • 子式与行列式: 一个矩阵的行列式可以看作是它本身这个最大的子式。

  • 最高阶非零子式: 如果一个方阵的最高阶非零子式的阶数等于方阵的阶数,那么这个方阵的行列式就是这个最高阶非零子


是不是又蚌湖住了?没关系!我来解决~有三个例子,再学不会就没办法了,抬出去吧。

想象一个城市的地图

pdd偷图

我们可以把一个矩阵看作是一个城市的地图。矩阵中的每个数字代表一个路口,数字的大小代表这个路口的重要性。

  • 子式:想象一下,我们在地图上圈出一个小区域。这个小区域内的路口组成的一个子矩阵,它的行列式就是这个小区域的“交通繁忙程度”。如果这个小区域内的路口相互连接非常紧密,那么它的交通就非常繁忙,行列式的值也就很大。

  • 非零子式:如果一个子区域的交通非常繁忙,那么它的行列式就一定不为0。

  • 最高阶非零子式:就是说,我们能在这个地图上找到的最大的、交通最繁忙的区域。


为什么最大的繁忙区域能决定整个地图的“通畅程度”呢?

  • 如果最大的繁忙区域能覆盖整个地图,也就是说,整个地图都是相互紧密连接的,没有“死角”,那么这个城市交通就非常通畅,任何一个路口都可以到达任何一个路口。这就相当于矩阵是可逆的。

  • 如果最大的繁忙区域不能覆盖整个地图,也就是说,地图上还有一些孤立的区域,这些区域与其他区域的连接非常薄弱,那么这个城市的交通就不那么通畅,有些地方可能无法到达。这就相当于矩阵不可逆。


  • 矩阵可逆意味着整个矩阵的各个部分紧密相连,没有孤立的部分。

  • 非零子式的最高阶数反映了矩阵中最大的一个紧密连接的区域。

  • 当最大的紧密连接区域能覆盖整个矩阵时,矩阵就是可逆的。


把矩阵想象成一张蜘蛛网。如果这张网的每一个节点都和其他节点紧密相连,那么这张网就是坚固的。

最大的一个没有破损的网就是非零子式。如果这个最大的网能覆盖整个蜘蛛网,那么这张网就是完整的,也就是矩阵是可逆的。

  • 非零子式的最高阶数反映了矩阵的“连通性”。

  • 当矩阵的“连通性”非常好时,矩阵就是可逆的。


一个方阵是一个拼图。如果这个拼图的所有碎片都能完美地拼在一起,而且没有缺失,那么这个拼图就是完整的。而这个“最大的能拼起来的完整部分”就对应着非零子式的最高阶数。如果这个最大的完整部分正好能拼满整个拼图,那么这个拼图就是完整的,也就是矩阵是可逆的。

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