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2015考研數學復習:尋根問底之秩篇(一)

新知識的獲取離不開探索。探索越多,收獲越多。雖然考研備考更多的是復習而非創新,但只要一個知識點、一種方法、一種理解角度對你是新的,那這種復習便可歸為廣義的探索。這種探索與學術研究有所不同,學術研究更多地是在某點的深入,形不成體系;而研究生考試考查的知識不少已形成知識體系,是可以系統地理解的。而要理解并把握一個知識體系需要做到融會貫通。

所以我們復習時要有尋根究底的精神:為了弄清概念A,我們要理解概念B,而概念B中很可能又含有你不甚了解的概念C……不要放棄,堅持下去!只要這些概念是考綱要求的,就不要放過!下面的文字也是按照這種思路組織的。我當年也是按照這種方式學習的,效果不錯。
 
秩的中文含義是官員俸祿的動態排序,英文單詞是rank,也有次序、排位之意。秩在線性代數中用在矩陣和向量組上,我們也可以將秩視為對矩陣和向量組排序的一種指標(如果按照秩從小到大的順序排列,那零矩陣排在最前面,接著是秩為1的矩陣,……)。跟秩打了個招呼后,請睜大眼睛,做好迎接挑戰的準備,我們的探索之旅開始了。
 
一、 矩陣的秩
 
什么是矩陣?矩陣即由m乘n個實數排列而成的m行n列的數表。
 
有人說,要想真正認識一座山,除了要親自爬一下這座山,還要爬其它的山。這是有道理的:前者讓人有親身經驗,后者使人有所參照。生活和學習中的很多道理是相通的。要透徹理解一個概念,不僅需要深入理解其定義,而且需要將其與其它概念作比較,以辨明區別與聯系。
 
下面,我們就把矩陣與行列式做一個比較:
 
矩陣
 
行列式
 
區別
 
本質
 
陣(數表)
 
式(運算法則,結果為數)
 
形式
 
矩(行數、列數未必相同)
 
方(行數、列數相同)
 
寫法
 
放大的小括號或中括號
 
放大的絕對值
 
聯系
 
矩陣為方陣時
 
可以對矩陣取行列式
 
矩陣不為方陣時
 
可以從矩陣中“挑出”子式
 
上表提到了子式,那什么是子式?
 
子式即矩陣任取i行i列交叉位置的元素所構成的行列式。為什么叫子式?子即孩子,因為它由矩陣產生的,是矩陣的孩子;式即行列式。這里的子式是相對矩陣而言的,行列式有沒有子式呢?因為行列式中的元素是按方陣形式排列的,是可以按照矩陣找子式的方式找出子式的。但這只是矩陣找子式的方式,行列式有自己找子式的方式。也即行列式也有子式,不過子式的找法與矩陣不同。如何找,找出來是什么樣子?我們看下面兩個概念:
 
1. 余子式
 
顧名思義:余下的子行列式。仍有疑問:余下的,怎么余下的?子式是“由行列式產生的行列式”嗎?后面問題回答是肯定的。對于第一個問題,看一下余子式的完整定義就可以了:行列式中元素aij對應的余子式為在行列式中劃掉aij所在行和列后構成的低一階的行列式。
 
所以我們發現:余下的含義是劃掉了一行一列而剩下。并且還發現余子式是只能是低一階的行列式,不能低兩階或低多階,也不能是同階。
 
電影《肖申克的救贖》中有句臺詞,大意為:既然已經走了這么遠,為什么不多走一點呢?套用過來:既然我們已經弄清了余子式的概念,那為什么不多走一步,弄清一個相關的概念——代數余子式呢?
 
2. 代數余子式
 
代數作為修飾語的含義是“帶符號”(或加正負號)。如定積分的幾何意義是曲邊梯形面積的代數和。所以代數余子式即帶符號的余子式。這里又產生了一個問題:符號的正負是如何確定的呢?這是由劃掉的行數和列數決定的,或者說由元素aij所在的位置決定的,即-1的i+j次冪。
 
通過一番討論,我們搞清了子式的概念。那對于這樣一個1乘3矩陣:(1 2 0),你能找出它的所有的子式嗎?不難發現它的子式共有三個:1,2,0。這說明:一個矩陣的子式可能有多個。而我們關注的是那些非零的子式(注意到子式是行列式,而行列式的值是可以算出來的)。此處非零的子式有:1,2。現在我們再完成一項工作,勝利就在眼前了。在這些非零的子式里,我們挑出階數最高的。此處兩個非零子式都是一階的,最高階數當然是1。這個最高階數不是別的,就是原矩陣的秩。所以矩陣(1 2 0)的秩為1。是不是有“眾里尋他千百度,那秩卻在燈火闌珊處”的感覺?
 
對于一個一般的m乘n矩陣,我們也可以按照上面的三個步驟找出它的秩:找出它的所有子式;在這些子式里面找出非零的;挑出非零子式中階數最高的,這個最高階數就是矩陣的秩。下面再看矩陣的秩的定義,就會覺得它不那么難理解了。
 
矩陣的秩即矩陣中非零子式的最高階數。

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