數學積累之線性無關的理解

2021-06-07 09:39:23 字數 3032 閱讀 3040

1問:問一下,線性無關,在方程中怎樣表示啊,是未知量的個數多於方程的個數嗎?

2答:就是向量a無法用[b1,b2,...]的代數和表示

你說的那不是無關,是多解

1問:是啊,不能表示

但是只是定義啊

2答:你說的可以表示

1問:那方程的理解那

2答:只不過不是唯一表示

很多解啊

解不唯一

a1x+b1y+c1z=0

a2x+b2y+c2z=0

這個方程組解可能不唯一!

1問:

嗯,這是相關吧

無關的不是只有零解嗎

2答: 對

但是是未知量的個數多於方程的個數嗎也有無解的情況

並且係數還是相關的

我最後那句說錯了

3答:

y=ax a滿秩

a可逆

a行列式不等於0

4答:

向量組的線性相關,是說這個向量組有「多餘的」向量,它們可以用其他的向量

線性表示。去掉這些「多餘的」向量。對於原來向量組張成的向量空間沒有影響

向量組的線性無關。是說這個向量組沒有「多餘的」向量。它的每乙個向量,都

不能夠用其他的向量線性表示,去掉任何乙個向量,就會使原來向量組張成的向

量空間變小。

5: 1,a1,a2。。。as是乙個向量組,記作a,b1,b2。。。bt是另乙個向量組,記作b。如果a可由b線性表示,並且s>t,則a必然線性相關。

理解:考慮特殊情況b中向量線性無關,則b可以作為乙個基,由s>t知,相當於在b裡面加入s-t個向量形成a,且這s-t個元素均可以由b中向量線性表示,因而b可以相當於a中的乙個極大線性無關組,所以a必然線性相關。

2,設包含m個n維向量的向量組a線性無關,那麼擴充套件a中每乙個向量為n+k維形成向量組b,則b仍然線性無關。

理解:考慮a中m個n維向量乘以對應的m個實係數k1,k2。。。km為0。這個相當於有n個等式的齊次線性方程組,其係數矩陣為m,由於a線性無關,所以只有0解,於是r(a)=m。

擴充套件為n+k維形成b後,未知量個數仍然為m,但是方程個數增加到n+k個,這k個新增方程的係數追加到m後面,必然可以被削成0,也就是

r(a)=m。所以仍然只有0解。

3,a是乙個相性無關向量組,則a的任意子集必然為線性無關組(相當於在a中減少列,不會影響最終0解)。b是乙個線性相關組,則向b中加入向量後,仍然是線性相關組。

補充例題:

1設t1,t2,......,tr是r個互不相同的數,r<=n.證明:向量組ai=(1,ti,ti^2,....ti^(n-1))t(i=1,2,...,r)線性無關

答:設x1×a1+x2×a2+...+xr×ar=0,證明x1=x2=...=xr=0。 

此方程轉化為關於關於x1,x2,...,xr的方程組,係數行列式是范德蒙行列式,所以非零,由此方程組只有零解。

分析:設a=(a_1,a_2,...,a_n),由|a|不等於0即得a為滿秩矩陣,故向量組ai=(1,ti,ti^2,....ti^(n-1))t(i=1,2,...,r)線性無關。

線性無關通俗點講就是解都等於0吧

整體:可以再增加n-r個向量,將r個向量增加為n個向量。 

如果這n個向量都線性無關,那麼顯然r個向量也線性無關。 

將r個互不相等的數t1,t2,......,tr擴充套件為n個互不相等的數t1,t2,......,tn; 

同時將向量組ai=(1,ti,ti^2,....ti^(n-1))t(i=1,2,...,r)擴充套件為向量組ai=(1,ti,ti^2,....ti^(n-1))t(i=1,2,...,n)。 

令a=[a1,a2,…,an],則|a|是n階范德蒙特行列式,|a|=∏(aj-ai),其中1≤i<j≤n,因為i<j,i≠j,ai≠aj,所以|a|≠0,r(a)=n,從而a的n個列向量線性無關,即t1,t2,......,tn線性無關。 

因為r≤n,所以t1,t2,......,tr線性無關。

2

向量組α1,α2。αs是線形方程組ax=0的基礎解系,向量b不是方程組ax=0的解。證明b+α1,b+α2。b+αs線性無關
答:

設k1(b+α1)+k2(b+α2)+...+ks(b+αs)=0    ...(1)

(k1+k2+...+ks)b+k1*a1+...+ks*as=0

向量組α1,α2。αs是線形方程組ax=0的基礎解系,向量b不是方程組ax=0的解,說明b不能由α1,α2,...αs線性表示(若能由其線性表示那麼b必定是方程組ax=0的解),從而b,α1,α2,...αs線性無關,所以依定義(k1+k2+...+ks)=0,k1=0,...,ks=0.所以也就得(1)式線性無關(定義)。證畢。

反證法:

只需使用定義的變形,就可以解答此題。這是大學許多數學問題的共同現象。假設結論不成立,存在不為0的常數k1,k2,k3滿足:

k1*(b+α1)+k2*(b+α2)+k3*(b+αs)=0,(1)

等式兩邊同時左乘a,可化簡的:

(k1+k2+k3)*ab=0,(2)

(因為,α1,α2。αs是線形方程組ax=0的基礎解系,則aαi=0,i=1,2,s.)

由於b不是方程組ax=0的解,故ab不為0矩陣。那麼,必有(k1+k2+k3)=0,(3)

將(3)代入(1)式,得

k1*α1+k2*α2+k3*αs=0,又向量組α1,α2。αs是線形方程組ax=0的基礎解系,故α1,α2。αs線性無關,則k1=k2=k3=0.與k1,k2,k3中有不為0矛盾。

3有一原理:若α1,α2,……,αs線性無關,則它的任一延伸組(α1,β1)t,(α2,β2)t,……,(αs,βs)t,必線性無關

在求齊次方程組的基礎解系時,要按階梯形給自由變數賦值,就可確保延伸後的解向量是線性無關的,也是基於這一原理。 

問:在求齊次方程組的基礎解系時,是怎樣基於這個原理的,請舉乙個例子解釋一下。

答:假設:x3,x4為自由變數。在賦值的時候保證x3,x4線性無關,設為(0,1);(1,0)。則能夠保證解向量α(x1,x2,0,1)和β(x1,x2,1,0)必定線性無關。(基礎解系解向量之間必須滿足的條件:線性無關) 

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