首先给出向量组线性无关的概念,一组向量无法通过线性组合(除了全取0)得到0向量,则该组向量相互之间线性无关。
如果一个矩阵,其列向量组是线性无关的,那么这个矩阵的零空间将只有零向量;反之,如果矩阵的零空间中不仅仅存在零向量,这意味着可以通过线性组合将其列向量组合成零向量,也即这些向量线性相关。
矩阵的秩rank,代表着矩阵中主元个数,主列个数。如果rank=n(列数),同时也代表每个列都是主列,那它们彼此也是线性无关的;如果rank<n,则代表存在自由列,那么列向量之间也就是线性相关的。
一组向量,其所有线性组合将张成一个空间,该空间是包含这些向量(包括其线性组合)的最小空间;如在中,向量
和向量
的所有线性组合将构成一个平面空间,该空间是
的子空间,所以这些向量自然也应该包含在
中,所以说平面空间是包含这些向量的"最小"空间。
要想张成N维度空间,最少需要N个线性无关的向量,这些向量成为
空间的一组基,基向量的个数就是张成的空间的维度,一个空间内可以有很多组基,但每组基所包含的向量的个数一定是相等的,为N。基向量构成的矩阵是一个可逆矩阵
给定矩阵,其列向量张成列空间
,容易看出,该矩阵的列空间的一组基为
、
,则其张成的列空间为
即二维空间,同时矩阵的秩rank=2。矩阵的秩rank的意义除了代表矩阵的主元个数、主列个数,还代表着矩阵的列空间的维度。
矩阵的零空间同样是由一组基张成的。已知矩阵A有4列,rank=2,则自由列有4-2=2列,方程中的自由变量也有两个,基础解系有两个向量,显然这同样意味着零空间的维度是2。推广到m*n的情况,如果矩阵有n列,rank=r,则矩阵的零空间的维度等于方程Ax=0的自由变量的个数、基础解系的个数n-r。
显然,矩阵的列空间的维度和零空间的维度具有对称关系,列空间的维度为rank,而零空间的维度为n-rank