12 , 设向量组B: b1 , b2 , ⋯ ,
br能由向量组A: a1 , a2 , ⋯ ,
as线性表示为
(b1 , b2 , ⋯ , br)=(a1 ,
a2 , ⋯ , as)K , 其中K为s×r矩阵 , 且A组线性无关
试证明向量组B线性无关的充要条件是矩阵K的秩R(K)=r
证:
先明确核心前提和定义
1.向量组线性无关的定义:
若存在一组常数,使得(零向量),
则只有时等式成立,称B组线性无关。
2.矩阵乘法与向量组表示:
题目中,其中是矩阵。
我们可以把这个等式转化为“线性组合的矩阵形式”:
设列向量,则。
代入题目条件,得:。
3.A组线性无关的关键性质:因为线性无关,所以由
(是维列向量),只能推出。
第一步:证明必要性
目标:已知B组线性无关,证明矩阵的秩等于其列数
(因为是矩阵,秩最大为,要证)。
证明过程:
1.假设存在维列向量,使得(即齐次线性方程组的解)。
2.两边左乘,得:。
3.由题目条件,,因此上式可化为:。
4.因为B组线性无关,根据线性无关的定义,由只能推出。
5.这说明:齐次线性方程组只有零解。
6.回忆线性方程组的核心定理:对于矩阵,
齐次方程组只有零解的充要条件是(秩等于列数)。
这里是矩阵(),所以只有零解⇒。
结论:必要性得证(B线性无关⇒R(K)=r)。
第二步:证明充分性
目标:已知矩阵的秩,证明B组线性无关。
证明过程:
1.假设存在维列向量,使得
(即B组的线性组合为零向量,要证只有)。
2.由题目条件,代入上式得:。
3.因为A组线性无关,根据A组的性质(前面强调的核心性质),
由只能推出。这里,因此:。
4.已知,而是矩阵(列数为)。
5.再次使用线性方程组的核心定理:
对于矩阵,若(秩等于列数),
则齐次方程组只有零解。
这里的秩(等于列数),所以只有零解⇒。
6.这说明:由只能推出,
根据线性无关的定义,B组线性无关。
结论:充分性得证(R(K)=r⇒B线性无关)。
13 , 求下列向量组的秩 , 并求一个最大无关组
(1)
a1= ,
a2= ,
a3= (2)
a1= ,
a2= ,
a3=
解:(1)对(a1 , a2 ,
a3)作初等行变换 , 求它的行阶梯形
(a1 , a2 ,
a3)=
由此可知R(a1 , a2 , a3)=2 ,
并且a1 , a2是它的一个最大无关组
(2) (a1 , a2 ,
a3)=
由此可知R(a1 , a2 , a3)=2 ,
并且a1 , a2是它的一个最大无关组
14 ,
利用初等行变换求下列矩阵的列向量组的一个最大无关组
并把其余列向量用最大无关组线性表示
(1)
(2)
解: (1)记A=(a1 , a2 ,
a3 , a4)
因A=
从A的行最简形可知: a1 , a2 ,
a3是A的列向量组的一个最大无关组
且a4=a1
- a2 +2a3
(2)记A=(a1 , a2 , a3 , a4
, a5)
A=
从A的行最简形可知: a1 , a2 ,
a3是A的列向量组的一个最大无关组
且a4=a1+3a2-a3 ,
a5=-a2+a3
15 ,
设向量组a1= ,
a2= ,
a3= ,
a4=的秩为2 , 求a , b
解: 对含参数a和b的矩阵(a3 , a4
, a1 , a2)作初等行变换 , 以求其行阶梯形
(a3 , a4 , a1 ,
a2)=
故R(a1 , a2 , a3 , a4)=2
⟺R(a3 , a4 , a1 ,
a2)=2⟺a-2=0且5-b=0 , 得a=2 , b=5
16 , 设向量组A: a1 , a2 ; B:
a1 , a2 , a3; C: a1 ,
a2 , a4的秩为RA=RB=2 ,
RC=3
求向量组D: a1 , a2 , 2a3
-3a4的秩
解:
定义法(基于线性无关性判定)
核心思路:向量组的秩是其极大线性无关组的向量个数,
需证明线性无关,进而得秩为3。
步骤:
1.由得基础性质:
向量组的秩为2,故线性无关,
2.由推导的表达式:
向量组的秩为2,而已线性无关,
故可由线性表示(极大无关组为),
即存在常数使得:
3.由推导与线性无关:
向量组的秩为3,故线性无关。
假设存在常数使得:
将代入上式,
整理得:
因线性无关,故系数必须全为0:
解得,进而。因此线性无关。
4.结论:线性无关的向量组秩等于向量个数,故。
17 , 设有n维向量组A: a1 , a2 ,
⋯ , an
试证明它们线性无关的充要条件 是任一n维向量都可由它们线性表示
证:
方法:利用向量组秩与空间维数的关系
核心依据:n维向量空间的维数为n
(所有n维向量构成的空间,其基的个数为n);
向量组的秩等于其生成子空间的维数;线性无关向量组的秩等于向量个数。
证明过程:
1.必要性(线性无关⇒任一n维向量可由A表示)
若线性无关,则向量组A的秩
(线性无关向量组的秩=向量个数)。
向量组A生成的子空间,且子空间的维数。
因是n维空间,且其子空间也是n维,故
(n维空间的n维子空间必为自身)。
因此,任一n维向量,即可由线性表示。
2.充分性(任一n维向量可由A表示⇒线性无关)
取的标准基
(标准基是线性无关的n维向量组)。
由条件,每个可由线性表示,故向量组可由A线性表示。
根据向量组秩的性质:若向量组X可由向量组Y线性表示,则。
因线性无关,故,因此。
又因A是含n个向量的n维向量组,其秩
(向量组的秩不超过向量个数)。
故,即线性无关(秩=向量个数的向量组线性无关)。
18 , 设向量组a1 , a2 , ⋯ ,
am线性相关 , 且a1≠0
试证明存在某个向量ak(2⩽k⩽m) ,
使ak能由a1 , a2 , ⋯ ,
ak-1线性表示
证:由于向量组是线性相关的,
那么一定至少存在一个不为0的系数c,使得
设是最大的下标()使得。
由于系数c不全为零,这样的下标一定存在。
若,则向量组只有一个向量,表出式为,
因为向量组线性相关,需要,这样导致,这与已知a1≠0矛盾。
故向量组至少有2个向量,。
因此有表出式成立,
可解出:
即向量可由线性表示。且,满足要求。
所以存在某个向量ak(2⩽k⩽m) ,
使ak能由a1 , a2 , ⋯ ,
ak-1线性表示