Простейший вид матрицы линейного оператора.
Матрицы A и B называются эквивалентными, если найдутся невырожденные матрицы Q и T, что A = QBT.
Теорема 6.1. Если матрицы эквивалентны, то их ранги равны.
Доказательство. Поскольку ранг произведения не превосходит ранги сомножителей, то . Так как , то . Объединяя два неравенства, получаем требуемое утверждение.
Теорема 6.2. Элементарными преобразованиями со строками и столбцами матрицу A можно привести к блочному виду , где - единичная матрица порядка k, а 0 – нулевая матрица соответствующих размеров.
Доказательство. Приведем алгоритм приведения матрицы A к указанному виду. Номера столбцов будут указываться в квадратных скобках, а номера строк – в круглых скобках.
1. Положим r =1.
2. Если то перейдем на шаг 4, иначе перейдем на шаг 3.
3. Сделаем преобразования со строками , где i = r +1,…, m, и со столбцами , где j = r +1,…, n, и . Увеличим r на 1 и вернемся на шаг 2.
4. Если , при i = r +1,…, m, j = r +1,…, n, то конец. В противном случае найдем i, j > r, что . Переставим строки и столбцы , вернемся на шаг 2.
|
|
Очевидно, что алгоритмом будет строиться последовательность эквивалентных матриц, последняя из которых имеет требуемый вид.
Теорема 6.3. Матрицы A и B одинаковых размеров эквивалентны тогда и только тогда, когда их ранги равны.
Доказательство. Если матрицы эквивалентны, то их ранги равны (Теорема 6.1). Пусть ранги матриц равны. Тогда найдутся невырожденные матрицы, что , где r = rgA = rgB (Теорема 6.2). Следовательно, , и матрицы A и B – эквивалентны.
Результаты данного пункта позволяют находить простейший вид матрицы линейного оператора и базисы пространств, в которых матрица линейного оператора имеет этот простейший вид.