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矩阵的秩

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设运输问题的约束矩阵为:

\[A = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 \\[6pt] 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 \\[6pt] 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\[6pt] 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 \\[6pt] 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \]

其中列向量依次对应变量:

\[(x_{11}, x_{12}, x_{13}, x_{21}, x_{22}, x_{23}) \]

行向量对应五条约束:

  • 前两行为 产地约束
  • 后三行为 销地约束

(1)约束关系分析

产销平衡条件下,两个产地约束的和等于三个销地约束的和,即:

\[(x_{11}+x_{12}+x_{13}) + (x_{21}+x_{22}+x_{23}) = (x_{11}+x_{21}) + (x_{12}+x_{22}) + (x_{13}+x_{23}) \]

因此五条约束中存在一条线性相关关系。
也就是说,五个约束中有一个是冗余约束,矩阵 \(A\) 的秩不可能达到 5。


(2)子矩阵 \(A_{(1,4,5,6)}\) 的秩分析

从矩阵 \(A\) 中取出第 1、4、5、6 列,得到子矩阵:

\[A_{(1,4,5,6)} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\[6pt] 0 & 1 & 1 & 1 \\[6pt] 1 & 1 & 0 & 0 \\[6pt] 0 & 0 & 1 & 0 \\[6pt] 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \]

对该子矩阵进行行变换可以验证,其中 4 行线性无关,因此:

\[\text{rank}(A_{(1,4,5,6)}) \ge 4 \]


(3)结论

由于整个矩阵 \(A\) 的秩不超过 4(存在一条约束冗余),
而其子矩阵 \(A_{(1,4,5,6)}\) 的秩至少为 4,
因此可以确定:

\[\boxed{\text{rank}(A) = 4} \]


(4)推广结论

对于一般的 \(m\) 个产地与 \(n\) 个销地的运输问题,
约束矩阵 \(A\) 的秩满足:

\[\text{rank}(A) = m + n - 1 \]

本题中 \(m=2, n=3\),故有:

\[\text{rank}(A) = 2 + 3 - 1 = 4 \]

http://www.jsqmd.com/news/30401/

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