满列秩

定义

Full Column Rank) 满列秩指一个 m×n 矩阵 A 的秩达到列数:

r=rank(A)=n.

这意味着每一列都是主元列,列向量线性无关,n≤m。用行最简阶梯形矩阵表示时,若主元列排在前面,典型形态是

R=[I0],

其中 I 是 n×n 单位矩阵,下面有 m−n 个零行。

等价刻画

满列秩可以从几种角度同时识别:

N(A)={0}.

这些条件说的是同一件事:没有非零方向能在经过 A 后变成零。因此一旦两个解 x1,x2 都满足 Ax=b,差 x1−x2 必在 N(A) 中,只能等于零,所以 x1=x2。

对非齐次方程的影响

满列秩不保证 Ax=b 对所有 b 都有解。若 m>n,列空间 C(A) 是 Rm 中的一个 n 维子空间,很多右端项不在列空间内。此时

Ax=b

的解数只能是 0 或 1:

这就是“满列秩给唯一性,不给总可解性”。它排除了无穷多解,因为无穷多解需要非零零空间方向。

零行一致性条件

把右端项并入增广矩阵:

[A b]⟶[R d].

满列秩时 R 的下方可能有 m−n 个零行。为了相容,这些零行对应的 d 分量必须全为零:

dn+1=dn+2=⋯=dm=0.

这些就是一致性条件。它们等价于 b∈C(A)。一旦这些条件成立,就没有自由变量,特解也是唯一解,通解退化为

x=xp+0.

例如

A=[1112−2−3],b=[b1b2b3].

消元得到最后一行条件

0=b3+b1+b2.

所以 Ax=b 可解当且仅当

b1+b2+b3=0.

在该条件下没有自由变量,唯一解是

x=[2b1−b2b2−b1].

若 b1+b2+b3≠0,则无解。

与可逆矩阵的边界

若 m=n 且 r=n,则满列秩同时也是满行秩,矩阵为可逆矩阵。这时 R=I,没有零行,也没有自由变量,对每个 b 都有唯一解:

x=A−1b.

若 m>n,矩阵是“高而窄”的过定系统。满列秩只保证列向量独立和解的唯一性;是否存在解仍要看右端项是否满足零行条件。

在四种秩情形中的位置

满列秩覆盖两种情形:

秩情形 解的结论 原因
r=m=n 每个 b 恰有一个解 无零行条件,无自由变量
r=n<m 依 b 而定,有 0 或 1 个解 有零行条件,无自由变量

与此相对,若 r<n,就存在自由变量和非零零空间方向;只要方程相容,就会有无穷多解。

相邻概念关系

满列秩连接的是唯一性问题。它与线性独立、主元、零空间和矩阵的秩直接相关;与列空间的关系则体现在存在性上:只有当 b 落在列空间内,满列秩系统才有那个唯一解。和满行秩相比,满列秩关注“同一个右端项能不能由多种系数组合产生”,满行秩关注“每个右端项能不能被某种组合产生”。