第4章-向量组的线性相关性.ppt

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1、1,第四章,向量组的线性相关性,4.4 线性方程组解的结构,4.3 向量组的秩,4.2 向量组的线性相关性,4.1 向量组及其线性组合,4.5 向量空间,2,4.1 向量组及其线性组合,三维空间的向量:有向线段。,建立空间直角坐标系后，,它由一点 P 或一个三元数组 (x,y,z) 唯一确定。,我们还定义了向量的加法(即平行四边形法则)和向量的数乘两种运算。,3,在建立空间直角坐标系后，由于向量与三元数组(又称坐标)的一一对应关系。用坐标计算向量的加法与数乘就特别方便。,由于解线性方程组等实际的需要，我们要把三维空间中的向量进行推广(把几何向量代数化)。直接把 n 元的数组叫做(代数中的)向量

2、，向量加法与数乘运算的定义直接平移三维向量坐标的运算。,4,定义,n 个数组成的有序数组,称为一个 n 维行向量或 n 维列向量, 其中 称为该行(列)向量的第 i 个分量. 行向量与列向量统称为向量. 分量全是实数(复数)的向量称为实(复)向量, n 维实(复)向量的全体记为 . 以后如无特殊说明, 向量均指实向量. 约定:所讨论的向量如无说明均指列向量,而行向量用列向量的转置表示. 向量的加法运算和数乘运算同矩阵的这两种运算一样.,或,5,由若干个同维数的列(行)向量组成的集合称为一个向量组. 如无特殊说明,向量组总是指只含有限个向量的向量组.,如: mn 的矩阵 A 全体列向量是含 n

3、个 m 维列向量的向量组, 简称 A 的列组; 全体行向量是含 m 个 n 维的行向量组,简称 A 的行组.,再如: 解的全体是一个含无穷多个 n 维列向量的向量组.,定义,6,观察如图三维空间中的向量, 必有,7,对于向量组 , 表达式,称为向量组 A 的一个线性组合.又如果 是向量组 A 的一个线性组合, 即,则称向量 可由向量组 A 线性表示.,定义,8,(1) 向量 可由向量组 线性表示,存在数 使,上面方程组有解.,另外, 如果解唯一, 则表示方法是唯一的. 如果 ,(按定义),(转换为方程组),(用矩阵的秩),9,(2) 如果向量组 中的每个向量都可由向量组 线性表示, 则称向量组

4、 B可由向量组 A 线性表示.,有解,(改写为矩阵),(转换为矩阵方程),(用矩阵的秩),10,(3) 如果向量组 与向量组 可以相互表示,则称这两个向量组等价.,向量组 A 与向量组 B 等价,(1) 向量组的等价关系是不是等价关系?,(用矩阵的秩),关于线性表示的三种情况关键是学会转换,11,解,记,这就是P76例12. 结论是,时,方程组无解, 不能由 A 表示.,时, 方程组有唯一解, 可由 A 唯一表示.,12,时, 方程组有无穷多解, 可由 A 无穷多种表示.,通解为,所有表示方法:,其中 k 为任意实数.,即,13,(P87例3),设 n 维向量组 构成的矩阵为 , 证明 n 阶

5、单位矩阵 E 的列组 可由向量组 A 线性表示的的充要条件是 (即 A 是行满矩阵).,证,该题已经作为例题讲过了, 这就是P81的第19题.,14,，,向量组 A 与向量组 B 等价吗?,解法一,又易知 , 故等价.,15,解法二,最简阶形一样(不计零行), 故等价.,16,(P108 习题5),已知,证明(1) 能 线性表示; (2) 不能由 线性表示.,证,如果 则,与条件矛盾.,(2) 要证,(1) 要证,第四章,向量组的线性相关性,4.4 线性方程组解的结构,4.3 向量组的秩,4.2 向量组的线性相关性,4.1 向量组及其线性组合,4.5 向量空间,18,4.2 向量组的线性相关性

6、,看看三维空间中的向量(如图),这三个向量任何一个都不能由其它两个,向量线性表示, 说明它们是异面的.,这三个向量在一个平面内(共面).,19,我们把上面这种向量之间的最基本的关系予以推广,并换一种叫法.,定义,该定义不是用数学式子表达的,不便于理论推导.如何改成数学表达式?,20,等价定义,则称该向量组线性相关. 否则,如果设,按后者不妨设 则,符合前面定义.,反之,按前者不妨设,又符合后者定义.,21,存在不全为零的数 使,(按定义),(转化为方程组),上面方程组有非零解.,(用矩阵的秩),22,(P88 例5),的线性相关.,的线性无关.,例1,23,t 取何值时,下列向量组线性相关 ?

7、,解,记,当 t = 5 时, 上面向量组线性相关.,例2,24,设 线性无关, 问 满足什么时,分析:这是一个向量组表示另一向量组的问题, 首先要把它改写成矩阵乘积的形式.,则,例3,25,设,(要讨论上面方程组何时有非零解),由于 故,26,上面方程组有非零解,当 时, 线性相关.,27,另证:,由于 是列满秩矩阵, 故,28,证明向量组 线性无关.,证,(1)式成为,(2),(2)式左乘,同理推出,例4,29,(参见P90定理5),(1) “部分相关,则整体相关.反之”,观察知 相关, 从而 相关.,30,(2) “个数大于维数必相关”,A 的列组是 4 个 3 维向量, 必相关.,31

8、,则 可由 A 唯一表示.,这由,有唯一解.,又说明: 如果一个向量可用无关组表示, 则表法必然是唯一的.,为以后引用方便, 给它起个名子叫唯一表示定理.,32,写成矩阵乘积:,从而,(4) 向量 组 B 可由向量组 A 表示, 则,(后者的 A, B是矩阵),存在矩阵 C 使得 B = AC,为以后引用方便, 给它起个名子叫表示不等式.,33,(5) 如果一个向量组能由向量个数比它少的向量组表示, 则必相关.(Steinitz定理),表示, 又 mn, 则 B 必相关.,34,(6) “短的无关, 则长的也无关”.反之,是无关的.,也是无关的.,35,( P109 习题16 , P110 习

9、题17 ),(题目看书),(16),(17),则对任一 n 维向量,必相关.,从而, 可由 线性表示( 且表法唯一).,由(16)题知它是线性无关的.,例6,(同P87 例3),36,重新证 P108 习题5 (以前已作为例题讲过),见 P90 例7 (看书),例7,第四章,向量组的线性相关性,4.4 线性方程组解的结构,4.3 向量组的秩,4.2 向量组的线性相关性,4.1 向量组及其线性组合,4.5 向量空间,38,4.3 向量组的秩,对于一个给定的向量组(可以含无穷多向量), 如何把握向量之间的线性关系( 即哪些向量可由另外一些向量线性表示?),希望: 在一个向量组中能找到个数最少的一部

10、分向量, 其余的向量都可由这些向量线性表示.,这样的部分组要满足什么条件？,39,(1) 线性无关,(2) A 中任意 r + 1 个向量(如果有的话)都线性相关.,定义1,如果在向量组 A 中找到 r 个向量 满足,则称向量组 A0 是向量组 A 的一个最大无关组.,(P91 定义5),(2) A 中任一向量都可由 A0 表示.,(P92 等价定义),定义2,(1) 线性无关,如果在向量组 A 中找到 r 个向量 满足,则称向量组 A0 是向量组 A 的一个最大无关组.,40,定义,向量组 A 的最大无关组所含向量的个数 r (显然是唯一的)称为向量组 A 的秩. 仍记为 r(A). 只含零

11、向量的向量组无最大无关组, 规定其秩为0.,41,回答:,(1) 向量组的最大无关组唯一吗? (2) 如果向量组的秩为 r ,则其任一 r 个线性无关的向量都是其最大无关组吗? (3) 向量组与其任一最大无关组等价吗? (4) 向量组的任意两个最大无关组等价吗? (5) 等价向量组的秩相等吗?,42,求向量组,的一个最大无关组和该向量组的秩.,同理, 等也是最大无关组.,易求得,说明 A 中有一个 2 阶子式不为零. 如取前两列前两行:,那么 , 从而 线性无关.,再看 A 的任意三列 , 因为,所以任意三列都是线性相关的.根据定义 就是一个最大无关组,43,( P91 定理6 ),44,求向

12、量组,的一个最大无关组并把其余向量用该最大无关组表出.,接例1, 已求得一个最大无关组为,要求 用 表出, 这相当于要解方程组,45,46,(P94 例11),向量用该最大无关组表出.,矩阵的秩=,线性无关吗?,是最大无关组吗?,47,48,再深入:,说明: 矩阵的初等行变换不改变列之间的线性关系.,前面的做法,也可依此理论为依据(本质一样).,49,右边的最大无关组,左边的最大无关组,50,为什么以前我们把矩阵与向量组以及它们的秩混用同一符号,有了三秩相等定理就能理解了.,但是,如果向量组是无穷向量组符号就不能混用了.有限向量组中的有关结论都可推广到无穷向量组.这部分内容请同学们自学.见P9

13、3定理3和P94例题10.,说明:,第四章,向量组的线性相关性,4.4 线性方程组解的结构,4.3 向量组的秩,4.2 向量组的线性相关性,4.1 向量组及其线性组合,4.5 向量空间,52,4.4 线性方程组解的结构,本节主要讨论,(2) 解集的秩是多少?,(3) 解集的最大无关组(又称为基础解系) 如何求?,(1) 解集的特点?,53,首先回答第一问题(P96性质1和性质2),记 Ax = 0 的解集为,(1) N(A) 对线性运算封闭.,证,54,证,记,设 , 由于 是 N(A) 的最大无关组,从而,由(1) x 是解,从而,55,通过下面的例子, 针对一般的方程组,回答所提问题.,再

14、讨论第(2)和第(3)个问题,56,可知道矩阵 A 的秩 r ，又说明原方程组只有 r 个独立的方程且 B 的前 r 行对应的方程组是与原方程同解的“最简”方程组.,第一步:对系数矩阵 A 初等行变换化最简阶梯形 B,最简阶梯形说明了什么？,第二步：写出同解的方程组(保留第一个未知数在方程的左边,其余的都移到右边. 右边的又叫自由变量),自由变量的个数=?,n r (未知数的个数减独立方程的个数),57,是解吗?,线性无关吗?,任一解都 可由 表示吗?,是基础解系吗?,基础解系所含向量的个数 = ?,n r (自由变量的个数),第四步:写出基础解系,58,再来分析一下基础解系的由来:,第二步的同解方程组为,第三步的通解为,就是,类似的,59,这就启发我们, 由于基础解系所含解向量的个数正好等于自由变量的个数(这里3个).,必然是线性无关的, 从而也是基础解系.,由此得到下面的解法二.,60,第一步:同前,第二步:同前,第三步: 令,第四步:写出通解,61,(P98 定理7),齐次方程组 的基础解系所含向量个数为,设一个基础解系为,则通解为,62,设 , 是 的,两个不同的解向量, k 取任意实数, 则 Ax = 0 的通解是,63,(