一个向量组只能由一个同维的矩阵列向量线性无关关向量组线性表示?

3.1 向量组的线性表示_图文_百度文库
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3.1 向量组的线性表示
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4向量组的线性相关性
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西南大学线性代数作业答案
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&&线性代数
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你可能喜欢向量组的线性相关与线性无关;1.线性组合;设a1,a2,???,at?Rn,k1,k2,?;?k1???k2【备注1】按分块矩阵的运算规则,;样的表示是有好处的;2.线性表示;设a1,a2,???,at?Rn,b?Rn,如果;b?k1a1?k2a2?????ktat;则称b可由a1,a2,???,at线性表示;?k1???k2写成矩阵形式,即b?(a1,a2
向量组的线性相关与线性无关
1.线性组合
设a1,a2,???,at?Rn,k1,k2,???,kt?R,称k1a1?k2a2?????ktat为a1,a2,???,at的一个线性组合。
?k1???k2【备注1】按分块矩阵的运算规则,k1a1?k2a2?????ktat?(a1,a2,???,at)??。这?????kt?
样的表示是有好处的。
2.线性表示
设a1,a2,???,at?Rn,b?Rn,如果存在k1,k2,???,kt?R,使得
b?k1a1?k2a2?????ktat
则称b可由a1,a2,???,at线性表示。
?k1???k2写成矩阵形式,即b?(a1,a2,???,at)??。因此,b可b?k1a1?k2a2?????ktat,?????kt?
?k1???k2由a1,a2,???,at线性表示即线性方程组(a1,a2,???,at)???b有解,而该方程组有解?????kt?
当且仅当r(a1,a2,???,at)?r(a1,a2,???,at,b)。
3.向量组等价
设a1,a2,???,at,b1,b2,???,bs?Rn,如果a1,a2,???,at中每一个向量都可以由 b1,b2,???,bs线性表示,则称向量组a1,a2,???,at可以由向量组b1,b2,???,bs线性表示。
如果向量组a1,a2,???,at和向量组b1,b2,???,bs可以相互线性表示,则称这两个向量组是等价的。
向量组等价的性质:
(1) 自反性 任何一个向量组都与自身等价。
(2) 对称性 若向量组I与II等价,则向量组II也与I等价。
(3) 传递性 若向量组I与II等价,向量组II与III等价,则向量组I与III等价。
自反性与对称性直接从定义得出。至于传递性,简单计算即可得到。 设向量组I为a1,a2,???,ar,向量组II为b1,b2,???,bs,向量组III为c1,c2,???,ct。向量组II可由III线性表示,假设bj??ykjck,j?1,2,???,s。向量组I可由向
量组II线性表示,假设ai??xjibj,i?1,2,???,r。因此,
ai??xjibj??xji?ykjck??(?ykjxji)ck,i?1,2,???,r
j?1j?1k?1k?1j?1sstts
因此,向量组I可由向量组III线性表示。
向量组II可由I线性表示,III可由II线性表示,按照上述办法再做一次,同样可得出,向量组III可由I线性表示。
因此,向量组I与III等价。结论成立!
4.线性相关与线性无关
设a1,a2,???,at?Rn,如果存在不全为零的数k1,k2,???,kt?R,使得
k1a1?k2a2?????ktat?0
则称a1,a2,???,at线性相关,否则,称a1,a2,???,at线性无关。
按照线性表示的矩阵记法,a1,a2,???,at线性相关即齐次线性方程组
?k1???k2??(a1,a2,???,at)?0 ?????kt?
有非零解,当且仅当r(a1,a2,???,at)?t。a1,a2,???,at线性无关,即
?k1???k(a1,a2,???,at)?2??0 ?????kt?
只有零解,当且仅当r(a1,a2,???,at)?t。
特别的,若t?n,则a1,a2,???,an?Rn线性无关当且仅当r(a1,a2,???,an)?n,当且仅当(a1,a2,???,an)可逆,当且仅当(a1,a2,???,an)?0。
例1. 单独一个向量a?Rn线性相关即a?0,线性无关即a?0。因为,若a线性
1?0相关,则存在数k?0,使得ka?0,于是a?0。而若a?0,由于1?a?a?0,
因此,a线性相关。
例2. 两个向量a,b?Rn线性相关即它们平行,即其对应分量成比例。因为,若a,b线性相关,则存在不全为零的数k1,k2,使得k1a?k2b?0。k1,k2不全为零,不妨假设k1?0,则a??k2b,故a,b平行,即对应分量成比例。如果a,b平行,不妨k1
假设存在?,使得a??b,则a??b?0,于是a,b线性相关。
?1??0??0??x1?????????例3.?0?,?1?,?0?线性无关,且任意x??x2??R3都可以由其线性表示,且表示?0??0??1??x????????3?
方法唯一。事实上,
?x1??1??0??0?????????x??x2??x1?0??x2?1??x3?0?
?x??0??0??1??3???????
5.线性相关与无关的性质
(1) 若一向量组中含有零向量,则其必然线性相关。
设a1,a2,???,at?Rn,其中有一个为零,不妨假设at?0,则
0?a1?0?a2?????0?at?1?1?0?0
因此,a1,a2,???,at线性相关。
(2) 若一向量组线性相关,则增添任意多个向量所形成的新向量组仍然线性相关;若一向量组线性无关,则其任意部分向量组仍然线性无关。
设a1,a2,???,at,?1,?2,???,?s?Rn,a1,a2,???,at线性相关。存在不全为零的数
k1,k2,???,kt,使得
k1a1?k2a2?????ktat?0
k1a1?k2a2?????ktat?0??1?0??2?????0??s?0
k1,k2,???,kt不全为零,因此,a1,a2,???,at,?1,?2,???,?s线性相关。
后一个结论是前一个结论的逆否命题,因此也正确。
(3) 若一个向量组线性无关,在其中每个向量相同位置之间增添元素,所得到的新向量组仍然线性无关。
设a1,a2,???,at?Rn为一组线性无关的向量。不妨假设新的元素都增加在向量
?at??a1??a2?最后一个分量之后,成为??,??,???,??,b1,b2,???,bt是同维的列向量。令 ?b1??b2??bt?
?a??ka?ka?????ktat??a??a?k1?1??k2?2?????kt?t???1122??0
?b1??b2??bt??k1b1?k2b2?????ktbt?
则k1a1?k2a2?????ktat?0。由向量组a1,a2,???,at线性相关,可以得到 k1?k2?????kt?0。结论得证!
(4) 向量组线性相关当且仅当其中有一个向量可以由其余向量线性表示。 证明:
设a1,a2,???,at?Rn为一组向量。
必要性 若a1,a2,???,at线性相关,则存在一组不全为零的数k1,k2,???,kt,使得
k1a1?k2a2?????ktat?0
k1,k2,???,kt不全为零,设kj?0,则
aj??k1a1?????kj?1aj?1?kj?1aj?1?????ktat
充分性 若a1,a2,???,at中某个向量可以表示成其余向量的线性组合,假设aj可以表示成a1,???,aj?1,aj?1,???,at的线性组合,则存在一组数k1,???,kj?1,kj?1,???,kt,使得
aj?k1a1????kj?1aj?1?kj?1aj?1?????ktat
k1a1????kj?1aj?1?aj?kj?1aj?1?????ktat?0
但k1,???,kj?1,?1,kj?1,???,kt不全为零,因此,a1,a2,???,at线性无关。
【备注2】请准确理解其意思,是其中某一个向量可以由其余向量线性表示,而不是全部向量都可以。
(5) 若a1,a2,???,at?Rn线性无关,b?Rn,使得a1,a2,???,at,b线性相关,则b可由a1,a2,???,at线性表示,且表示方法唯一。
a1,a2,???,at,b线性相关,因此,存在不全为零的数k1,k2,???,kt,kt?1,使得
k1a1?k2a2?????ktat?kt?1b?0
kt?1?0,否则kt?1?0,则k1a1?k2a2?????ktat?0。由a1,a2,???,at线性无关,我们就得到k1?k2?????kt?0,这样,k1,k2,???,kt,kt?1均为零,与其不全为零矛盾!这样,
b??k1a1?k2a2?????ktat kt?1
因此,b可由a1,a2,???,at线性表示。
假设b?x1a1?x2a2?????xtat?y1a1?y2a2?????ytat,则
(x1?y1)a1?(x2?y2)a2?????(xt?yt)at?0
由a1,a2,???,at线性无关,有x1?y1?x2?y2?????xt?yt?0,即
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