定义

设 为 阶矩阵。若

则称 为秩为 矩阵。

秩为 矩阵的等价刻画:存在非零列向量 ,使得

其中 ,,且 。

秩为 矩阵在考研中常与矩阵高次幂、特征值、可对角化、二次型等结合考查。

充要条件

  1. 按定义:

  2. 存在非零列向量 ,使

  3. ,且 的所有 阶子式全为零()。

  4. ,且 的行向量组、列向量组的秩均为 ,即非零行成比例,非零列成比例。

  5. 若 为实对称矩阵,则

    其中 , 为单位列向量。

必要条件

  1. 。

  2. 当 时,

    即 不可逆。

  3. 特征值中至少有 个为 ,另一个为

    因此特征多项式为

  4. 迹满足

  5. 列空间为

    行空间为

  6. 若 ,则

    即 为幂零矩阵。

其他性质

  1. 若 ,则

    从而

  2. 若 ,则 可对角化,且

  3. 若 ,则 的特征值全为 ,且 ,故 不可对角化。

  4. 秩为 矩阵的转置仍为秩为 矩阵:

  5. 两个秩为 矩阵相乘:

    其秩为 或 。

  6. 若 为实对称秩为 矩阵,则

    其中 为单位向量,。其特征值为

    且

  7. 实对称秩为 矩阵的合同规范形:

  8. 当 时,实对称秩为 矩阵不可能正定;若 ,则半正定但不正定。

题型与应用

  1. 求矩阵高次幂: 若已知 ,则

    常用于计算 。

  2. 求特征值与判断可对角化: 秩为 矩阵的特征值为

    当 时可对角化;当 时不可对角化。

  3. 求参数: 利用秩为 的充要条件 ,或利用

    列方程求参数。

  4. 概念辨析题: 判断秩为 矩阵的秩、行列式、特征值、迹、可逆性、可对角化等。

  5. 实对称秩为 矩阵与二次型: 写出

    的谱分解,判断二次型

    的半正定性或半负定性,并求合同规范形。

  6. 证明题: 证明秩为 矩阵可表示为 ;证明

    证明 时可对角化等。