SymPy 秩与 NumPy 矩阵秩不同

Question

给定一些 SymPy 矩阵 M

M = Matrix([
 [0.000111334436666596, 0.00114870370895408, -0.000328330524152990, 5.61388353859808e-6, -0.000464532588930332, -0.000969955779635878, 1.70579589853818e-5, -5.77891177019884e-6, -0.000186812539472235, -2.37115911398055e-5],
 [-0.00105346453420510, 0.000165063406707273, -0.00184449574409890, 0.000658080565333929, 0.00197652092300241, 0.000516180213512589, 9.53823860082390e-5, 0.000189858427211978, -3.80494288487685e-5, 0.000188984043643408],
 [-0.00102465075104153, -0.000402915220398109, 0.00123785300884241, -0.00125808154543978, 0.000126618511490838, 0.00185985865307693, 0.000123626008509804, 0.000211557638637554, 0.000407232404255796, 1.89851719447102e-5],
 [0.230813497584639, -0.209574389008468, 0.742275067362657, -0.202368828927654, -0.236683258718819, 0.183258819107153, 0.180335891933511, -0.530606389541138, -0.379368598768419, 0.334800403899511],
 [-0.00102465075104153, -0.000402915220398109, 0.00123785300884241, -0.00125808154543978, 0.000126618511490838, 0.00185985865307693, 0.000123626008509804, 0.000211557638637554, 0.000407232404255796, 1.89851719447102e-5],
 [0.00105346453420510, -0.000165063406707273, 0.00184449574409890, -0.000658080565333929, -0.00197652092300241, -0.000516180213512589, -9.53823860082390e-5, -0.000189858427211978, 3.80494288487685e-5, -0.000188984043643408],
 [0.945967255845168, -0.0468645728473480, 0.165423896937049, -0.893045423193559, -0.519428986944650, -0.0463256408085840, -0.0257001217930424, 0.0757328764368606, 0.0541336731317414, -0.0477734271777646],
 [-0.0273371493900004, -0.954100482348723, -0.0879282784854250, 0.100704543595514, -0.243312734473589, -0.0217088779350294, 0.900584332231093, 0.616061129532614, 0.0651163853434486, -0.0396603397583054],
 [0.0967584768347089, -0.0877680087304911, -0.667679934757176, -0.0848411039101494, -0.0224646387789634, -0.194501966574153, 0.0755161040544943, 0.699388977592066, 0.394125039254254, -0.342798611994521],
 [-0.000222668873333193, -0.00229740741790816, 0.000656661048305981, -1.12277670771962e-5, 0.000929065177860663, 0.00193991155927176, -3.41159179707635e-5, 1.15578235403977e-5, 0.000373625078944470, 4.74231822796110e-5]
 ])

我已经计算了矩阵的 SymPy rank() 和 rref()。排名是7 和rref() 结果是：

Matrix([
[1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -5.14556976678473, -3.72094268951566,  3.48581267477014],
[0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, -5.52930150663022, -4.02230308325653,  3.79193678096199],
[0, 0, 1, 0, 0, 0, 0,  2.44893308665325,  1.83777402439421, -1.87489784909824],
[0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, -7.33732284392352, -5.25036238623229,  4.97256759287563],
[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0,  5.48049237370489,  3.90091366576548, -3.83642187384021],
[0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, -10.6826798792866, -7.56560803870182,  7.45974067056387],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, -3.04726210012149, -2.66388837034592,  2.48327234504403],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,                 0,                 0,                 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,                 0,                 0,                 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,                 0,                 0,                 0]])

奇怪的是，如果我用NumPy 或MATLAB 计算排名，我得到6 的值并用MATLAB 计算rref，我得到预期的结果——最后4 行都为零（而不是最后一个3)。

有谁知道这种差异来自哪里以及为什么我无法使用 SymPy 获得正确的结果？我知道等级6 是正确的，因为它是存在一些线性相关性的方程组。

Answer 1

看看你的矩阵的特征值，秩确实是6：

array([ 1.14550481e+00+0.00000000e+00j, -1.82137718e-01+6.83443168e-01j,
   -1.82137718e-01-6.83443168e-01j,  2.76223053e-03+0.00000000e+00j,
   -3.51138883e-04+8.61508469e-04j, -3.51138883e-04-8.61508469e-04j,
    5.21160131e-17+0.00000000e+00j, -2.65160469e-16+0.00000000e+00j,
   -2.67753616e-18+9.70937977e-18j, -2.67753616e-18-9.70937977e-18j])

在我拥有的sympy 版本中，我什至获得了第8 名，而numpy 返回的第6 名。

但实际上Sympy由于矩阵的大小（可能与SymPy could not compute the eigenvalues of this matrix有关）无法求解这个矩阵的特征值。

因此，其中一个 Sympy 试图以符号方式求解方程并找到等级 (based on imperfect floating point numbers)，而另一个 numpy 使用近似值 (lapack IIRC) 来找到特征值.通过具有足够的阈值，numpy 可以找到适当的排名，但它可能会以不同的阈值表示不同。 Sympy 试图根据一个完美的 6 秩系统的近似系统来求秩，发现它是 7 或 8 秩。由于浮点数的差异，这并不奇怪（Sympy 移动到整数试图找到例如，特征值，而不是停留在浮点领域）。