如何直观地理解矩阵的秩?

三年前曾经写过如何理解矩阵的秩,该文主要讲了矩阵的秩的几何意义。这期间我们的图解线性代数课程历经数次修改,已经面目全非。教学相长,我们对知识的看法也在不断刷新,基于此,本文尝试提供一个关于秩的一个全新的视角,一个可能不严谨但是更直观的视角。

矩阵的秩可以直观地理解为筛眼的大小:

下面就来解释这句话是什么意思?

1 矩阵的作用

假设对于向量有:

上述关系可以用图像来表示,左侧的向量,在的作用下,变为了右侧的向量

将各个向量依次连起来就得到了两个矩形。那么可以这么理解,左侧的矩形在的作用下,变为了右侧的矩形:

2 矩阵的秩

如果的秩不一样,那么左侧的矩形在的作用下,右侧就可能得到不同的图形:

有一个很明显的特点,矩阵的秩越小,得到的图形越小(这里直接给结论了,细节就不展开了,详细了解可以参看如何理解矩阵的秩,或者在我们的图解线性代数课程中查看):

3 矩阵是筛子

因为上面的结论,所以可以将矩阵看作一个筛子:

那么矩阵的秩可以看作筛眼的大小,越小对应的筛眼越小(忽略掉筛子的形状,下面用带网格的圆来表示筛子):

筛眼越小,自然漏过去的越小。

4 矩阵复合的秩

把矩阵的秩看作筛眼的大小还是有一定解释能力的。比如矩阵的秩有如下的性质,该性质也称为矩阵复合的秩:

可以看作两个筛子:

可以用带网格两个圆来表示这两个筛子,可以看到各自的筛眼大小不同,也就是各自的矩阵的秩不相同:

当这两个筛子叠在一起的时候,叠加部分的筛眼变小了,比单独某一个筛子的筛眼要小:

所以此时有:

当然还有可能如下:

这时叠在一起时,叠加部分的筛眼等于其中某一个筛子的筛眼:

所以此时有;

综合起来就是:

5 满秩矩阵复合的秩

满秩矩阵可以看作完全没有筛眼的筛子:

这样两者复合,筛眼大小就完全取决于

所以可得到满秩矩阵复合的性质:

关注马同学
马同学高等数学
微信公众号:matongxue314