Калькулятор ранга матрицы

Ранг прямоугольной или квадратной матрицы через ступенчатый вид.

Решение

Что такое ранг матрицы

Ранг — это число линейно независимых строк матрицы (столько же линейно независимых и среди столбцов — это одно и то же число). Проще говоря, ранг показывает, сколько «полезной», не выражающейся друг через друга информации несут строки матрицы. У матрицы размера m×n ранг не может быть больше min(m, n).

Как считают: приведение к ступенчатому виду

Матрицу элементарными преобразованиями строк — перестановкой, вычитанием одной строки из другой с множителем — приводят к ступенчатому виду, где каждая следующая строка начинается правее предыдущей. Ранг равен числу ненулевых строк в результате: нулевая строка означает, что она была линейной комбинацией остальных и не добавляла независимой информации.

Пример: матрица 3×4 с зависимой строкой

A = [[1, 2, 0, −1], [2, −1, 3, 1], [3, 1, 3, 0]]

Видно, что третья строка — это сумма первой и второй: (1+2, 2−1, 0+3, −1+1) = (3, 1, 3, 0).

После вычитания из второй строки первой с множителем 2 и из третьей — первой с множителем 3 третья строка совпадает со второй.

Вычитание второй строки из третьей даёт нулевую строку — она лишняя.

Осталось 2 ненулевые строки, значит ранг матрицы A равен 2.

Такая зависимость строк часто встречается в системах уравнений: если одно уравнение — следствие двух других, ранг матрицы коэффициентов меньше числа уравнений. Проверить, к чему это приводит для конкретной системы, можно в калькуляторе метода Гаусса — там же видно, есть ли у системы решение и сколько их.

Частые вопросы

Может ли ранг быть больше числа строк или столбцов?
Нет: ранг матрицы всегда не больше меньшего из чисел «строк» и «столбцов». У матрицы 3×4 ранг не превышает 3.
Зачем нужен ранг матрицы?
По рангу проверяют совместность системы линейных уравнений (теорема Кронекера — Капелли), находят число независимых уравнений или переменных, а в геометрии — размерность решения.
Меняется ли ранг при перестановке строк или столбцов?
Нет, элементарные преобразования — перестановка строк, умножение строки на ненулевое число, прибавление одной строки к другой — ранг не меняют, поэтому на них и основан способ его вычисления.

Обновлено