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简答题
设$A$为$m \times n$阶矩阵,$B$为$n \times s$阶矩阵,且$AB = O$(即$A$与$B$的乘积为零矩阵)。请证明:$r(A) + r(B) \leq n$。
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答案:
解析:
为了证明$r(A) + r(B) \leq n$,我们可以按照以下步骤进行推导:
- 由题目已知,矩阵$A$和矩阵$B$的乘积为零矩阵,即$AB = O$。
- 根据矩阵的秩的性质,我们知道对于一个可逆矩阵$P$,有$r(PA) = r(A)$和$r(PB) = r(B)$。这里$P$是一个置换矩阵。
- 对矩阵$A$进行列分块,得到新的矩阵$\overset{\sim}{A}$,其列数等于矩阵$B$的行数,即$\overset{\sim}{A}$的列数为$n$。同样地,对矩阵$B$进行行分块,得到新的矩阵$\overset{\sim}{B}$。由于矩阵的秩在列变换或行变换下是不变的,所以我们可以得到$r(\overset{\sim}{A}) = r(A)$和$r(\overset{\sim}{B}) = r(B)$。
- 将矩阵$\overset{\sim}{A}$和$\overset{\sim}{B}$组合起来形成一个新的矩阵$\lbrack\overset{\sim}{A}\overset{\sim}{B}\rbrack$。由于这个新矩阵是一个垂直拼接的矩阵,所以其秩满足不等式:$r(\lbrack\overset{\sim}{A}\overset{\sim}{B}\rbrack) \leq r(\overset{\sim}{A}) + r(\overset{\sim}{B})$。这里我们用到了矩阵秩的一个基本性质:如果矩阵是由若干子矩阵组合而成的,那么这些子矩阵的秩的和不会超过组合后的矩阵的秩。即,对于任意两个矩阵$C_1$和$C_2$,有:$r(C_1) + r(C_2) \leq r(\lbrack C_1 C_2 \rbrack)$。这是因为在组合后的矩阵中可能存在冗余的行或列。
- 由于已知条件$AB = O$,我们知道新的组合矩阵$\lbrack\overset{\sim}{A}\overset{\sim}{B}\rbrack$的秩为$n$(因为该矩阵相当于把矩阵$A$和零矩阵组合在一起)。因此我们有:$r(\overset{\sim}{A}) + r(\overset{\sim}{B}) = r(A) + r(B) \leq n$。这就证明了题目中的结论。
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