Rango per righe rango per colonne di una matrice sono uguali.

Yuyu_13
Buongiorno, come da titolo sto studiando il seguente teorema, dal Sernesi.

Teorema: Il rango per righe e il rango per colonne di una matrice $A in M_(m,n) (K)$ coincidono.
Dimostrazione:
Siano $r$ rango per righe e $c$ rango per colonne di $A$.
Se $r=0$ gli elementi di $A$ sono nulli e quindi anche $c=0$.
Supponiamo che $r>0$.
Una relazione di dipendenza lineare tra le colonne di $A$ è una soluzione non banale del sistema lineare omogeneo $AX=0$, dove $X=(X_1,...,X_n)^t.$
1) Pertanto, il rango per colonne di $A$ è individuato dall'insieme delle soluzioni del sistema lineare omogeno.
2) Se le righe di $A$ si dispongono in ordine diverso, $c$ non cambia perché un cambiamento nell'ordine delle equazioni del sistema, non influisce sull'insieme delle sue soluzioni.
Neanche $r$ cambia se si riordinano le righe di $A$, perché il rango di un insieme di vettori non dipende dal loro ordine.


Vorrei discutere prima questi due punti e poi continuare con la dimostrazione.
In particolare, in 1) quando si dice che una soluzione $bar{x}=(x_1,...,x_n)^tin K^n$ è una relazione di dipendenza lineare tra le colonne di $A$ significa dire
$A_1x_1+A_2x_2+...+A_nx_n=0$
Dall'altra parte il rango per colonne di $A$ è per definizione il massimo numero di colonne linearmente indipendenti di $A$. Non capisco perché in 1) si dice quello.

Risposte
megas_archon
"E' individuato" nel senso che la dimensione dello spazio delle soluzioni di \(AX=0\) è la dimensione del nucleo di \(A\), o della applicazione lineare associata, e determina univocamente la dimensione dell'immagine di \(A\), cioè esattamente al rango di \(A\), perché \(l+d=n\), dove \(l=\dim\ker A\), \(d=\text{rk } A\).

Questo genere di relazioni, comunque, si apprezza meglio senza coordinate: se \(f :V\to W\) è lineare, il rango per righe non è altro che il rango per colonne della trasposta \(f^\lor : W^\lor \to V^\lor\) indotta tra i duali, e tra le due applicazioni sussistono le relazioni
\[ \ker (f^\lor) = (\text{im } f)^\perp \qquad \text{im}(f^\lor) = (\ker f)^\perp\] Allora usando la formula delle dimensioni e il fatto che \((\ker f)^\perp \cong (V/\ker f)^\lor \cong (\text{im } f)^\lor\), il quale a sua volta è isomorfo -non canonicamente- a \(\text{im } f\), si conclude.

Yuyu_13
Premetto che quello che hai scritto qui non posso capirlo poiché sul Sernesi il concetto di Nucleo e applicazione lineare viene dopo. Lo conosci come testo? è un po ortodosso.
"megas_archon":
"E' individuato" nel senso che la dimensione dello spazio delle soluzioni di \(AX=0\) è la dimensione del nucleo di \(A\), o della applicazione lineare associata, e determina univocamente la dimensione dell'immagine di \(A\), cioè esattamente al rango di \(A\), perché \(l+d=n\), dove \(l=\dim\ker A\), \(d=\text{rk } A\)

Quindi, si vuole dire questo: se definisco $Sigma_0={bar{x} in K^n : Abar{x}=0}$, allora la $dim(Sigma_0)=r(A)$? Se è così l'avevo quasi intuito ma non ero sicuro :cry:
Invece il punto 2) mi è chiaro quello che dice, ma non capisco perché il rango per colonne $c$ è "riferito" all'insieme delle soluzioni.

Invece che vuoi dire con il simbolo tipo \(W^\lor \) ? Qui \( (\ker f)^\perp \cong (V/\ker f)^\lor \cong (\text{im } f)^\lor \) mi sa tanto di primo teorema di omomorfismo, per parlare in generale, di strutture algebriche. Sbaglio?

megas_archon
"Ortodosso" non è il termine con cui mi riferirei al Sernesi.

Per il resto: no, \(\Sigma_0\) è, per definizione, il sottospazio \(\ker A\); quindi (formula delle dimensioni) \(\text{rk } A = n - l\), nelle notazioni di sopra.

Infine, \(W^\lor\) è lo spazio vettoriale \(\hom_k(W,k)\), il duale di \(W\), e sì, per gli spazi vettoriali così come per molte altre strutture è vero il primo teorema di isomorfismo.

4131
"Yuyu_13":
Premetto che quello che hai scritto qui non posso capirlo poiché sul Sernesi il concetto di Nucleo e applicazione lineare viene dopo. Lo conosci come testo? è un po ortodosso.

Direi più âgé che ortodosso :-D
"Yuyu_13":

Quindi, si vuole dire questo: se definisco $Sigma_0={bar{x} in K^n : Abar{x}=0}$, allora la $dim(Sigma_0)=r(A)$? Se è così l'avevo quasi intuito ma non ero sicuro :cry:

Considera
[tex]A:=\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix},[/tex]

qual è il suo rango? Qual è la dimensione di [tex]\{x\in\mathbb{R}^2\mid Ax=0\}[/tex]? Hai studiato il teorema di nullità+rango o teorema della dimensione?
"Yuyu_13":
Invece che vuoi dire con il simbolo tipo \(W^\lor \) ? Qui \( (\ker f)^\perp \cong (V/\ker f)^\lor \cong (\text{im } f)^\lor \) mi sa tanto di primo teorema di omomorfismo, per parlare in generale, di strutture algebriche. Sbaglio?

Dato un [tex]\Bbbk[/tex]-spazio vettoriale [tex]V[/tex], con [tex]V^\vee[/tex] o [tex]V^*[/tex] si indica lo spazio dei funzionali [tex]\Bbbk[/tex]-lineari su [tex]V[/tex]
[tex]V^\vee\equiv\operatorname{Hom}_\Bbbk(V,\Bbbk)=\{\phi\colon V\to\Bbbk\mid\phi\text{ è }\Bbbk\text{-lineare}\};[/tex]
mentre, dato un sottoinsieme [tex]S\subseteq V[/tex], l'annullatore di [tex]S[/tex] è
[tex]\operatorname{Ann}(S)\equiv S^\perp:=\{\phi\in V^\vee \mid \phi(s)=0,\,\forall s\in S\}.[/tex]

Vedi pag. 264 (stampata/270 del pdf): https://www1.mat.uniroma1.it/people/manetti/dispense/algebralineare.pdf .
"Yuyu_13":
1) Pertanto, il rango per colonne di $A$ è individuato dall'insieme delle soluzioni del sistema lineare omogeno.

Sia
[tex]A=\begin{bmatrix}A^1|\dots|A^n\end{bmatrix},\quad A^i\in\mathbb{R}^m[/tex]

allora i vettori [tex]A^i[/tex] sono linearmente indipendenti sse per ogni [tex]x=(x^1,\dots,x^n)^t\in\mathbb{R}^n[/tex]
[tex]x^1A^1+\dots x^n A^n=0\rightarrow x^1=\dots=x^n=0[/tex]

l'uguaglianza a sinistra, scritta per esteso, diventa
[tex]\begin{align*}&a_{11}x^1+\dots+a_{1n}x^n=0\\
&\vdots\\
&a_{m1}x^1+\dots+a_{mn}x^n=0
\end{align*}[/tex]

che è equivalente a
[tex]\begin{gather}Ax=0\label{eq:omo}\end{gather}[/tex]

quindi i vettori [tex]A^1,\dots,A^n\in\mathbb{R}^m[/tex] sono linearmente indipendenti se e solo se il sistema lineare omogeneo ha come unica soluzione quella banale, [tex]x=(0,\dots,0)^t[/tex]; il rango risulta pertanto determinato dalla dimensione dello spazio delle soluzioni di[tex]\ref{eq:omo}[/tex]: se questo ha dimensione [tex]k>0[/tex] ottieni [tex]k[/tex] relazioni di dipendenza lineare indipendenti che abbassano il rango della matrice.

Se non sei convinto, prova a ragionare su un esempio semplice:
[tex]A=\begin{bmatrix}1&0&1\\
0&1&1\\
0&0&0\end{bmatrix}[/tex]

qual è il rango di [tex]A[/tex]? Qual è la dimensione dello spazio delle soluzioni del sistema lineare associato? Scegli una base dello spazio delle soluzioni e scrivi le relazioni di dipendenza lineare (indipendenti) associate[nota]Quelle che ottieni sostituendo, per ciascun vettore della base scelta, le sue componenti in[tex]\ref{eq:omo}[/tex].[/nota] per le colonne della matrice [tex]A[/tex] (potrebbe essercene solo una).

marco2132k
Il punto è che è un anno che chiedi lo stesso tipo di cose. Non puoi pretendere che gli altri vengano qui a ricopiare le definizioni per te.

4131
Non mi pare l'OP abbia preteso nulla e non penso megas_archon si sia sentito obbligato da quest'ultimo a rispondere; per quanto mi riguarda, io certamente no :wink: ad ogni modo, sarei interessato a sapere se l'OP ha chiarito i suoi dubbi :smt023

Yuyu_13
Buongiorno. Grazie per le risposte!
@marco2132k forse ti confondi con un altro utente, sono iscritto a questo forum da giugno; quindi, sono circa quattro mesi che sono iscritto.
@413, @megas_archon sì, infatti, non è vero che la $dim(Sigma_0)=rg(A)$ poiché se prendo in esempio la matrice
\( \displaystyle A=\begin{bmatrix}1&0&1\\ 0&1&1\\ 0&0&0\end{bmatrix} \)

ha le seguenti caratteristiche:
-$r(A)=2$; ha le prime due colonne $A^1=(1,0,0), A^2=(0,1,0)$ che dipendono linearmente dalla $A^3=(1,1,0)$
-Considero $S$ sistema associato
$ S:{ ( x+z=0 ),( y+z=0 ):} <=> S:{ ( x=-z ),( y=-z ):} $
dando un valore arbitrario $t in RR$ all'incognita $z$ si ha che una soluzione generale del sistema $S$ è $(x,y,z)=(-t,-t,t)$
-Dall'altra parte per definizione $Sigma_0={(-t,-t,t) in RR^3: t in R}$. Una base di $Sigma_0$ è il singleton ${(-1,-1,1)}$. Dunque, $dim(Sigma_0)=1$
-Questo torna anche con la relazione della dimensione @megas_archon.
-Una relazione di dipendenza lineare tra le colonne di $A$ è
$-A^1-A^2+A^3=0$


@413 quando dici questo: il rango risulta pertanto determinato dalla dimensione dello spazio delle soluzioni di $Ax=0$: se questo ha dimensione k>0 ottieni k relazioni di dipendenza lineare indipendenti che abbassano il rango della matrice.
Vuoi dire "più grande il rango" e "più si abbassa la dimensione dello spazio delle soluzioni"?

megas_archon
Ma ti sono note (e chiare) le cose di cui parlo? Se sai dimostrare la formula delle dimensioni, perché riscoprirla a ogni cantone?

In ogni caso, un altro modo di vedere che il rango per righe è uguale al rango per colonne usa la riduzione di Gauss; prendi \(A\in M_{m\times n}(k)\), e

1. usiamo la notazione \(A_{[1]} | \dots | A_{[n]})\) per le colonne di $A$, \(\left(\begin{smallmatrix} \langle A^{[1]}\\ \vdots \\ A^{[n]} \end{smallmatrix}\right) \) per le righe di \(A\),
2. definiamo \(\text{rkc}(A) := \dim \langle A_{[1]},\dots, A_{[n]}\rangle\), e \(\text{rkr}(A) := \langle (A^{[1]})^t,\dots, (A^{[n]})^t\rangle\)

Fatto ciò, l'algoritmo di riduzione di Gauss dice che esistono due matrici invertibili \(P,Q\) delle giuste dimensioni tali che il prodotto \[\boxed{\begin{matrix}
&&\\
&P&\\
&&
\end{matrix}}\,
\boxed{\begin{matrix}
&&\\
&&A&&\\
&&
\end{matrix}}\,
\boxed{\begin{matrix}
&&\\
&&\\
&&Q&&\\
&&\\
&&
\end{matrix}}\] sia la matrice \(\left( \begin{smallmatrix} \mathbf{1}_k & \\ & \mathbf{O}_{n-k}\end{smallmatrix}\right)\). Ora, osserva (o meglio, dimostra) che la moltiplicazione a destra (resp., sinistra) per una matrice invertibile non cambia il rango per righe (resp., per colonne), quindi
\[\text{rkc}(A) = \text{rkc}(AQ)= \text{rkc}(PAQ) = \text{rkc}\left( \begin{smallmatrix} \mathbf{1}_k & \\ & \mathbf{O}_{n-k}\end{smallmatrix}\right) = k = \text{rkr}\left( \begin{smallmatrix} \mathbf{1}_k & \\ & \mathbf{O}_{n-k}\end{smallmatrix}\right) = \text{rkr}(PA)=\text{rkr}(A)\]

...Mi sembra tu ti stia rendendo la vita inutilmente difficile, imparando l'algebra lineare come un ingegnere.

Yuyu_13
@megas_archon come detto, sto studiando dal Sernesi, se lo conosci, sai che il teorema della dimensione viene dopo il capitolo sul rango. Detto ciò, il teorema sulle dimensioni lo conosco e so che potrei risolvere il mio problema diversamente, esempio, come hai proposto all'inizio; quindi, non è che voglio complicarmi la vita, ma ora sto studiando per l'esame non per la materia, purtroppo.

Inoltre, questo qui\[ \text{rkc}(A) = \text{rkc}(AQ)= \text{rkc}(PAQ) = \text{rkc}\left( \begin{smallmatrix} \mathbf{1}_k & \\ & \mathbf{O}_{n-k}\end{smallmatrix}\right) = k = \text{rkr}\left( \begin{smallmatrix} \mathbf{1}_k & \\ & \mathbf{O}_{n-k}\end{smallmatrix}\right) = \text{rkr}(PA)=\text{rkr}(A) \] viene dimostrato subito dopo il teorema e fa uso dello stesso.

megas_archon
Faccio fatica a capire il fatto che stai "studiando per l'esame e non per la materia": uno dei criteri con cui si valuta l'esame di uno studente è l'autonomia di giudizio, quale che sia il modo in cui arriva a dimostrare quello che devi controllare che sa, è più importante che sia giusto che non il fatto che usi i teoremi nell'ordine proposto dal libro di testo, sia esso Sernesi o altro.

Anche perché sorpresa, per quanto ci si sforzi di rendere lineare e consequenziale l'esposizione, non sempre questo è possibile, oppure a volte bisogna fare un sacco di fatica per dimostrare qualcosa mediante un argomento elementare, e questa fatica non è istruttiva, è molto più istruttivo apprendere come funzionano gli argomenti evoluti attraverso il loro uso nel rendere più semplice il processo dimostrativo. Altrimenti non si impara la matematica, ma appunto, a passare gli esami, pratica che è notoriamente inutile e fine a sé stessa.

Quindi, a me non è chiaro cosa vuoi: una dimostrazione che usi solo i risultati del Sernesi? Questo è stupido: ce ne sono di più intelligenti che semplicemente se ne sbattono di cosa Edoardo fa o crede di fare, e dimostrano il risultato che ti interessa in maniera semplice e diretta (immagino tu voglia presentarti all'esame ricordando quello che hai studiato, e quindi dovresti privilegiare argomenti eleganti, perché più semplici da ricordare di un castello di numeri, apici e pedici). Oppure il problema è che il docente del tuo corso è uno di quegli animali che vi chiede di imparare le cose "come ci sono scritte nel libro" e penalizza quelli che invece cercano -e trovano e usano- riferimenti migliori?

Yuyu_13
@megas_archon quando eri studente ragionavi allo stesso modo?
Piacerebbe anche a me studiare a modo mio e non avere l'obbligo di fare certe scelte, purtroppo non posso.
"megas_archon":
Oppure il problema è che il docente del tuo corso è uno di quegli animali che vi chiede di imparare le cose "come ci sono scritte nel libro" e penalizza quelli che invece cercano -e trovano e usano- riferimenti migliori?

Brutti esseri quelli lì

megas_archon
@megas_archon quando eri studente ragionavi allo stesso modo?
La risposta è sì, ovviamente. Ero un bolo d'odio concentrato sull'aorta di chiunque mi facesse perdere tempo.

Ero, hehe.

Yuyu_13
Se non hai voglia di rispondere nessuno ti dice nulla.
Buonasera

megas_archon
Sei tu che non hai risposto:
Quindi, a me non è chiaro cosa vuoi

4131
@Yuyu_13 penso che megas_archon voglia aiutarti a capire, a suo modo, fornendoti una intuizione alternativa del concetto che fatichi a comprendere... vale la pena leggerlo con attenzione.

Ciò detto, a pag. 61 del libro di Sernesi, esempio 4.15 numeri 3 e 4 e Prop. 4.7, ti viene spiegato in dettaglio quello che ti ho scritto nel post precedente. Per cui a me viene il dubbio che tu non abbia capito cosa sia il rango per colonne di una matrice, pertanto ti chiedo: data la matrice
[tex]A:=\begin{bmatrix}1&2 &3 &4 &5 &6 &7 &8 &9 &10 \\
2&4 &6 &8 &10 &12 &14 &16 &18 &20 \\
3&6 &9 &12 &15 &18 &21 &24 &27 &30 \\
4&8 &12 &16 &20 &24 &28 &32 &36 &40 \\
5&10 &15 &20 &25 &30 &35 &40 &45 &50 \\
6&12 &18 &24 &30 &36 &42 &48 &54 &60 \\
7&14 &21 &28 &35 &42 &49 &56 &63 &70 \\
8&16 &24 &32 &40 &48 &56 &64 &72 &80 \\
9&18 &27 &36 &45 &54 &63 &72 &81 &90 \\
10&20 &30 &40 &50 &60 &70 &80 &90 &100 \\
\end{bmatrix}[/tex]

qual è il suo rango? Qual è una base dello spazio delle soluzioni di [tex]Ax=0[/tex]?

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