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El bit perdido
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Calcular el rango de una matriz

Calculadora del rango de una matriz por el método de Gauss, paso a paso. Matrices de cualquier tamaño hasta 8×8.

A =
Filas 3 Columnas 4

Cada casilla admite enteros (−3), decimales (2.5) o fracciones (3/4).

Ejemplos:

Ejemplo resuelto paso a paso

3×4 de rango 2

rg⁡(A)=2\operatorname{rg}(A) = 2
  1. 1Método de Gauss

    Escalonamos la matriz con operaciones de filas, que no cambian el rango. El rango es el número de filas que no quedan a cero.

    A=(120124133614)A = \left(\begin{array}{cccc} 1 & 2 & 0 & 1 \\ 2 & 4 & 1 & 3 \\ 3 & 6 & 1 & 4 \end{array}\right)
  2. 2Ceros debajo del pivote

    Tomamos como pivote el 11 de la fila 1, columna 1, y hacemos ceros debajo de él.

    F2→F2−2F1F3→F3−3F1(120100110011)\begin{array}{l} F_{2} \to F_{2} - 2F_{1} \\ F_{3} \to F_{3} - 3F_{1} \end{array} \qquad \left(\begin{array}{cccc} \htmlClass{ro}{1} & 2 & 0 & 1 \\ \htmlClass{ve}{0} & 0 & 1 & 1 \\ \htmlClass{ve}{0} & 0 & 1 & 1 \end{array}\right)
  3. 3Ceros debajo del pivote

    Tomamos como pivote el 11 de la fila 2, columna 3, y hacemos ceros debajo de él.

    F3→F3−F2(120100110000)\begin{array}{l} F_{3} \to F_{3} - F_{2} \end{array} \qquad \left(\begin{array}{cccc} 1 & 2 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & \htmlClass{ro}{1} & 1 \\ 0 & 0 & \htmlClass{ve}{0} & 0 \end{array}\right)
  4. 4Contamos las filas no nulas

    La matriz escalonada tiene 2 filas no nulas, así que rg⁡(A)=2\operatorname{rg}(A) = 2.

    (120100110000)  ⇒  rg⁡(A)=2\left(\begin{array}{cccc} 1 & 2 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right) \;\Rightarrow\; \operatorname{rg}(A) = 2

Qué es el rango y para qué se usa

El rango de una matriz AA, que se escribe rg⁡(A)\operatorname{rg}(A), es el número de filas (o de columnas) linealmente independientes. Dicho de otro modo: cuántas filas aportan información nueva y no son combinación de las demás. Sirve para saber si una matriz cuadrada es invertible y, sobre todo, para discutir sistemas de ecuaciones con el teorema de Rouché-Frobenius.

Cómo se calcula

Por Gauss. Se hacen ceros por debajo de cada pivote con operaciones elementales entre filas hasta obtener una matriz escalonada. El rango es el número de filas no nulas.

Por menores. Se busca el mayor orden rr para el que existe un menor (determinante de una submatriz cuadrada) distinto de 00. Entonces rg⁡(A)=r\operatorname{rg}(A)=r.

Ejemplo resuelto

Calculemos el rango de

A=(121243364).A=\begin{pmatrix}1&2&1\\2&4&3\\3&6&4\end{pmatrix}.

Hacemos ceros bajo el primer pivote:

(121243364)→F3−3F1F2−2F1(121001001)→F3−F2(121001000).\begin{pmatrix}1&2&1\\2&4&3\\3&6&4\end{pmatrix}\xrightarrow[F_3-3F_1]{F_2-2F_1}\begin{pmatrix}1&2&1\\0&0&1\\0&0&1\end{pmatrix}\xrightarrow{F_3-F_2}\begin{pmatrix}1&2&1\\0&0&1\\0&0&0\end{pmatrix}.

Quedan dos filas no nulas, luego rg⁡(A)=2\operatorname{rg}(A)=2.

Comprobación por menores. El determinante de AA es 00, así que el rango no es 33. Y el menor formado por las filas 1 y 2 y las columnas 1 y 3,

∣1123∣=3−2=1≠0,\begin{vmatrix}1&1\\2&3\end{vmatrix}=3-2=1\neq0,

demuestra que el rango es al menos 22. Por tanto rg⁡(A)=2\operatorname{rg}(A)=2.

Propiedades

  • 0≤rg⁡(A)≤min⁡(m,n)0\le\operatorname{rg}(A)\le\min(m,n) para una matriz m×nm\times n.
  • rg⁡(A)=rg⁡(At)\operatorname{rg}(A)=\operatorname{rg}(A^t): el rango por filas y por columnas coincide.
  • Las operaciones elementales entre filas no cambian el rango.
  • Una matriz cuadrada n×nn\times n es invertible si y solo si rg⁡(A)=n\operatorname{rg}(A)=n.
  • Solo la matriz nula tiene rango 00.

Rango y sistemas de ecuaciones

El rango es la herramienta básica del teorema de Rouché-Frobenius. Si AA es la matriz de coeficientes y A∗A^* la ampliada con los términos independientes, el sistema es compatible cuando rg⁡(A)=rg⁡(A∗)\operatorname{rg}(A)=\operatorname{rg}(A^*). Será compatible determinado si ese rango coincide con el número de incógnitas, e indeterminado si es menor. Si los rangos son distintos, el sistema es incompatible.

Consejos prácticos

  • Con matrices pequeñas, empieza por el determinante: si es distinto de 00, el rango es máximo y has terminado.
  • En matrices con muchos ceros, el método de menores suele ser más rápido que escalonar.
  • Si dos filas son proporcionales o una es suma de otras, sabes que el rango baja.
  • Al escalonar, intercambia filas si necesitas un pivote distinto de cero.

Errores típicos

  • Contar filas sin escalonar: que ninguna fila sea cero no basta; hay que reducir primero.
  • Contar mal las filas nulas: tras escalonar, el rango es el número de filas no nulas.
  • Dar un rango imposible: una matriz 3×43\times4 no puede tener rango 44, porque rg⁡(A)≤min⁡(3,4)=3\operatorname{rg}(A)\le\min(3,4)=3.
  • Confundir un menor nulo con rango bajo: que un menor de orden rr valga 00 no basta; hay que mirar si existe algún menor de ese orden distinto de cero.
  • Mezclar operaciones por filas y por columnas sin cuidado: ambas conservan el rango, pero cada una debe aplicarse a la matriz entera.

Practica: calcula la inversa por Gauss-Jordan.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el rango de una matriz?

Es el número máximo de filas (o de columnas) linealmente independientes. Equivale al orden del mayor menor distinto de cero.

¿Cómo se calcula el rango por Gauss?

Se escalona la matriz con operaciones entre filas y se cuenta el número de filas que no son todo ceros.

¿Qué rango puede tener como máximo una matriz m×n?

Como máximo el menor de m y n: rg(A) ≤ min(m, n).

¿Qué relación hay entre rango y determinante?

Una matriz cuadrada n×n tiene rango n si y solo si su determinante es distinto de 0. Si el determinante es 0, el rango es menor que n.

¿Para qué sirve el rango en un sistema de ecuaciones?

Según el teorema de Rouché-Frobenius, comparando rg(A) y rg(A|b) con el número de incógnitas se sabe si el sistema es compatible determinado, indeterminado o incompatible.

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