满秩矩阵与满秩或不满秩矩阵相乘所得矩阵的秩该怎么判断?

满秩矩阵与满秩或不满秩矩阵相乘所得矩阵的秩该怎么判断?

一、前言

在「荒原之梦考研数学」的《满秩矩阵与满秩或不满秩矩阵相乘所得矩阵是否满秩?》这篇文章中,我们知道:

两个同阶满秩的方阵相乘所得的矩阵一定也满秩;

两个同阶的方阵,如果一个满秩一个不满秩,则相乘得到的矩阵一定不满秩.

而在本文中,我们就通过具体的公式推导,来看看,满秩或者不满秩的方阵相乘,所得的矩阵的秩为什么值.

二、正文

若矩阵 $\boldsymbol{A} \boldsymbol{B}$ 是 $\boldsymbol{A}_{n \times m}$ 和矩阵 $\boldsymbol{B}_{m \times k}$ 相乘得到的矩阵,则有以下公式:

$$\textcolor{lightgreen}{\begin{align}& \mathrm{r} \left( \boldsymbol{A} \boldsymbol{B} \right) \leqslant \mathrm{min} \left[ \mathrm{r} \left( \boldsymbol{A} \right), \mathrm{r} \left( \boldsymbol{B} \right) \right] \tag{1} \\ \notag \\& \mathrm{r} \left( \boldsymbol{A} \boldsymbol{B} \right) \geqslant \mathrm{r} \left( \boldsymbol{A} \right) + \mathrm{r} \left( \boldsymbol{B} \right) – m \tag{2} \\ \notag \\& \mathrm{r} \left( \boldsymbol{A} \boldsymbol{B} \right) \geqslant 0 \tag{3}\end{align}}$$

因此,为了求解矩阵 $\boldsymbol{A} \boldsymbol{B}$ 的秩,我们就需要使用上面的公式.

例如,若 $\mathrm{r} \left( \boldsymbol{A}_{21 \times 30} \right)$ $=$ $6$, $\mathrm{r} \left( \boldsymbol{B}_{30 \times 31} \right)$ $=$ $17$, 则:

$$\begin{aligned}& \mathrm{r} \left( \boldsymbol{A} \boldsymbol{B} \right) \leqslant \mathrm{min} \left[ 6, 17 \right] = 6 \\ \\& \mathrm{r} \left( \boldsymbol{A} \boldsymbol{B} \right) \geqslant 6 + 17 – 30 = -7 \\ \\& \mathrm{r} \left( \boldsymbol{A} \boldsymbol{B} \right) \geqslant 0\end{aligned}$$

于是:

$$0 \leqslant \mathrm{r} \left( \boldsymbol{A} \boldsymbol{B} \right) \leqslant 6$$

综上可知,$\mathrm{r} \left( \boldsymbol{A} \boldsymbol{B} \right)$ 的取值可能是:

$$\textcolor{lightgreen}{\mathrm{r} \left( \boldsymbol{A} \boldsymbol{B} \right) = 0, \ 1, \ 2, \ 3, \ 4, \ 5, \ 6}$$

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