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n维向量
n个数a1,a2,⋯,an构成的有序数组称为n维向量
⎝⎛a1a2⋮an⎠⎞或(a1a2⋯an)T列向量
(a1a2⋯an)行向量
其中ai称为向量的第i个分量(i=1,2,⋯,n)
如果向量的所有分量都是0,就称其为零向量,记作O=(0,0,⋯,0)T
设n维向量α=(a1,a2,⋯,an)T,β=(b1,b2,⋯,bn)T
-
α=β⇔a1=b1,a2=b2,⋯,an=bn
-
α+β=(a1+b1,a2+b2,⋯,an+bn)T
-
kα=(ka1,ka2,⋯,kan)T
特别的,0α=(0,0,⋯,0)T
运算规律
α+β=β+α
(α+β)+γ=α+(β+γ)
α+0=α
α+(−α)=0
1⋅α=α
k(lα)=(kl)α
k(α+β)=kα+kβ
(k+l)α=kα+lα
解方程组
例:⎩⎨⎧x1+x2+x3=53x1+2x2+x3=15x2+2x3=2
对增广矩阵作初等行变换
Aˉ=⎝⎛13012111 25132⎠⎞→⎝⎛1001−111−225−22⎠⎞→⎝⎛100110120520⎠⎞→⎝⎛100010−120320⎠⎞
同解方程组为
{x1−x3=3x2+2x3=2
∀x3=t,方程组有∞解
⎩⎨⎧x1=3+tx2=2−2tx3=t或⎝⎛x1x2x3⎠⎞=⎝⎛320⎠⎞+t⎝⎛1−21⎠⎞
令x3=0⇒x1=3,x2=2
特解
α=(3,2,0)
令x3=1⇒x1=1,x2=−2
基础解系
η=(1,−2,1)T
因此x=α+kη=⎝⎛320⎠⎞+k⎝⎛1−21⎠⎞
解方程组只能行变换
例:⎩⎨⎧x1−2x2+x3+2x4=0x1+x2−2x3−4x4=0x1−5x2+4x3+8x4=0
对系数矩阵作初等行变换
A=⎝⎛111−21−51−242−48⎠⎞→⎝⎛100010−1−10−2−20⎠⎞
通解方程组
{x1−x3−2x4=0x2−x3−2x4=0
其中x3,x4为自由变量,令x3=t,x4=u
⎩⎨⎧x1=t+2ux2=t+2ux3=tx4=u或x=t⎝⎛1110⎠⎞+u⎝⎛2201⎠⎞
根据n−r(A)=4−2=2,即有两个自由变量
令x3=1,x4=0⇒x1=1,x2=1
η1=(1,1,1,0)T
令x3=0,x4=1⇒x1=2,x2=2
η2=(2,2,0,1)T
基础解系
x=k1⎝⎛1110⎠⎞+k2⎝⎛2201⎠⎞
线性表出(组合)
线性组合定义:m个n维向量α1,α2,cdots,αm及m个实数k1,k2,⋯,km,称
k1α1+k2α2+⋯+kmαm
是向量α1,α2,⋯,αm的一个线性组合,k1,k2,⋯,km称为这个线性组合的系数
线性表出定义:如果向量β能表示为α1,α2,⋯,αm的线性组合,即存在一组数k1,k2,⋯,km,使
β=k1α1+k2α2+⋯+kmαm
则称向量β可以由α1,α2,⋯,αm线性表出(示)
例:设α1=(1,2,3)T,α2=(1,3,4)T,α3=(2,−1,1)T,β=(2,5,t)T,问t取何值时
-
向量β不能由α1,α2,α3线性表示
-
向量β能由α1,α2,α3线性表示,并且写出表达式
设x1α1+x2α2+x3α3=β
即
x1(1,2,3)T+x2(1,3,4)T+x3(2,−1,1)T=(2,5,t)T(x1+x2+2x3,2x1+3x2−x3,3x1+4x2+x3)T=(2,5,t)T⎩⎨⎧x1+x2+2x3=22x1+3x2−x3=53x1+4x2+x3=t
对增广矩阵Aˉ=(α1,α2,α3,β)作初等行变换
Aˉ=⎝⎛1231342−1125t⎠⎞→⎝⎛1001102−5021t−7⎠⎞
当t=7时,方程组无解,即β不能由α1,α2,α3线性表示
当t=7时,
Aˉ→⎝⎛1001102−50210⎠⎞→⎝⎛1000107−50110⎠⎞
令x3=k⇒x2=1+5k,x1=1−7k
因此β=(1−7k)α1+(1+5k)α2+kα3
定理:向量β可由α1,α2,⋯,αm线性表出
⇔存在实数k1,k2,⋯,km使
k1α1+k2α2+⋯+kmαm=β
⇔存在实数k1,k2,⋯,km使
(α1α2⋯αm)⎝⎛k1k2⋮km⎠⎞=β
⇔方程组有解
(α1α2⋯αm)⎝⎛x1x2⋮xm⎠⎞=β
⇔r(α1α2⋯αm)=r(α1α2⋯αmβ)
例:设α1=(1+λ,1,1)T,α2=(1,1+λ,1)T,α3=(1,1,1+λ)T,β=(0,λ,λ2)T,当λ为何值时
-
β不能由α1,α2,α3线性表示
-
β能由α1,α2,α3线性表示,并写出该表达式
设x1α1++x2α2+x3α3=β按分量写出方程组
⎩⎨⎧(1+λ)x1+x2+x3=0x1+(1+λ)x2+x3=λx1+x2+x(1+λ)x3=λ2
此处可以用正常处理方法,也可以用类似爪型行列式的思路
由于只是要计算r(A)和r(A∣β)之间的大小关系,所以A的部分只要是三角矩阵即可,不一定必须是行最简矩阵
类似爪型行列式的思路
由
Aˉ=⎝⎛1+λ1111+λ1111+λ0λλ2⎠⎞→⎝⎛1+λ−λ−λ1λ010λ0λλ2⎠⎞
若λ=0,同解方程组
x1+x2+x3=0
令x2=t,x3=u,得x1=−t−u
故
β=−(t+u)α1+tα2+uα3,t,u是任意常数
若λ=0
Aˉ→⎝⎛1+λ−1−111010101λ⎠⎞此处只要化成三角行列式即可,由于只能行变换因此根据爪型行列式考虑化成下三角形式⎝⎛λ+3−1−1010001−λ−11λ⎠⎞
若λ=−3,方程组无解,β不能由α1,α2,α3线性表出
若λ=−3且λ=0,解出
x1=−λ+3λ+1,x2=λ+32,x3=λ+3λ2+2λ−1
故
β=−λ+3λ+1α1+λ+32α2+λ+3λ2+2λ−1α3
正常行最简矩阵思路
> 为了化成行最简矩阵计算方便,尽量通过交换行,使第一行在化简前都是简单的数字,复杂的尽可能往第一行的后几列放
由
Aˉ=⎝⎛1+λ1111+λ1111+λ0λλ2⎠⎞将13行互换,第一行有更多简单的数字→⎝⎛111+λ11+λ11+λ11λ2λ1⎠⎞正常从上向下化简→⎝⎛1001λ01+λ−λ−λ(λ+3)λ2λ−λ2λ(1−2λ−λ2)⎠⎞
如果要使β能由α1,α2,α3线性表出且唯一,即r(A)=r(A∣β),故
−λ(λ+3)=0
得λ=0且λ=−3,解出
x1=−λ+3λ+1,x2=λ+32,x3=λ+3λ2+2λ−1
故
β=−λ+3λ+1α1+λ+32α2+λ+3λ2+2λ−1α3
如果要使β能由α1,α2,α3线性表出且不唯一,即r(A)=r(A∣β),故
{−λ(λ+3)=0λ(1−2λ−λ2)=0
得λ=0
如果要使β不能由α1,α2,α3线性表出,即r(A)=r(A∣β),故
{−λ(λ+3)=0λ(1−2λ−λ2)=0
得λ=−3
例:已知α1=(1,2,1)T,α2=(2,3,a)T,β1=(1,3,0)T,β2=(1,a+2,−2)T,β1不能由α1,α2表出,β2能由α1,α2表出,则a=()
由题意得x1α1+x2α2=β1无解,x1α1+x2α2=β2有解
由于两个的系数矩阵一样,所以可以凑成一个大的增广矩阵
⎝⎛12123a1301a+2−2⎠⎞→⎝⎛1002−1011a−31aa2−2a−3⎠⎞
有
{a−3=0a2−2a−3=0→a=−1
例:n维向量α,β1,β2,β3,γ1,γ2,若α可由β1,β2,β3线性表出,β1,β2,β3可由γ1,γ2线性表出,则α可由γ1,γ2线性表出
线性表出具有传递性
按已知条件,可设
αβ1β2β3=k1β1+k2β2+k3β3=l11γ1+l12γ2=l21γ1+l22γ2=l31γ1+l32γ2
于是
α=(k1l11+k2l21+k3l31)γ1+(k1l12+k2l22+k3l32)γ2
或
α=(β1β2β3)⎝⎛k1k2k3⎠⎞=(γ1γ2)(l11l12l21l22l31l32)⎝⎛k1k2k3⎠⎞=(γ1γ2)(l11k1+l21k2+l31k3l12k1+l22k2+l32k3)
线性相关
定义:对m个n维向量α1,α2,⋯,αm,若存在不全为0的实数k1,k2,⋯,km使
k1α1+k2α2+⋯+kmαm=0
成立,则其向量组α1,α2,⋯,αm线性相关,否则称其线性无关
例:判断向量组α1=(1,2,−1,4)T,α2=(0,−1,−5,3)T,α3=(2,5,3,5)T的线性相关性
设x1α1+x2α2+x3α3=0,即
x1⎝⎛12−14⎠⎞+x2⎝⎛0−1−53⎠⎞+x3⎝⎛2535⎠⎞=⎝⎛0000⎠⎞
按分量写出
⎩⎨⎧x1+2x3=02x1−x2+5x3=0−x1−5x2+3x3=04x1+3x2+5x2=0
写出系数矩阵
⎝⎛12−140−1−532535⎠⎞→⎝⎛100001002−100⎠⎞
同解方程组
{x1+2x3=0x2−x3=0
有非零解
定理:向量组α1,α2,⋯,αm线性相关
⇔存在不全为0的k1,k2,⋯,km,使
k1α1+k2α2+⋯+kmαm=0
⇔存在不全为0的k1,k2,⋯,km,使
(α1α2⋯αm)⎝⎛k1k2⋮km⎠⎞=0
⇔齐次方程组有非零解
(α1α2⋯αm)⎝⎛x1x2⋮xm⎠⎞=0
⇔r(α1α2⋯αm)<m,m为未知数的个数
推论:
-
n个n维向量α1,α2,⋯,αm线性相关⇔∣∣α1α2⋯αm∣∣=0
-
n+1个n维向量必线性相关
例:A=⎝⎛123210−224⎠⎞,α=⎝⎛a11⎠⎞,已知Aα,α线性相关,则a=()
Aα=⎝⎛a2a+33a+4⎠⎞
Aα与α线性相关
aa=12a+3=13a+4
因此a=−1
例:A=(α1α2⋯αn),B=(β1β2⋯βn),AB=(γ1γ2⋯γn)均为n阶矩阵,记向量组(I)α1,α2,⋯,αn;(II)β1,β2,⋯,βn;(III)γ1,γ2,⋯,γn,若向量组(III)线性相关,证明(I),(II)中至少有一个线性相关
符合n个n维向量,则有
(III)线性相关⇔∣AB∣∣A∣⋅∣B∣∣A∣=0=0=0或∣B∣=0
得证
定理:如果n维向量α1,α2,⋯,αn线性无关,α1,α2,⋯,αn,β线性相关,则向量β可由α1,α2,⋯,αn线性表出,且表示方法唯一
证明:因为α1,α2,⋯,αn,β线性相关,故存在不全为0的k1,k2,⋯,kn,k,使得
k1α1+k2α2+⋯+knαn+kβ=0(1)
(反证)如果k=0,则k1,k2,⋯,kn不全为0,而
k1α1+k2α2+⋯+knαn=0
与条件α1,α2,⋯,αn线性无关矛盾,从而k=0,由(1)得
β=−kk1α1−kk2α2−⋯−kknαn
即β一定能由α1,α2,⋯,αn线性表出
(反证)如果β有两种不同的表示方法,设
β=x1α1+x2α2+⋯+xnαn=y1α1+y2α2+⋯+ynαn
两式相减
(x1−y1)α1+(x2−y2)α2+⋯+(xn−yn)αn=0
因有两种不同的表示x1−y1,x2−y2,⋯,xn−yn不全为0与α1,α2,⋯,αn线性无关相矛盾,从而β的表示法唯一
定理:向量组α1,α2,⋯,αs(s≥2)线性相关⇔存在ai可由其余的向量线性表出
必要性
如α1,α2,⋯,αs线性相关,则存在不全为0的k1,k2,⋯,ks
k1α1+k2α2+⋯+ksαs=0
不妨设k1=0,则有
k1α1=−k2α2−⋯−ksαs
于是
α1=−k1k2α2−⋯−k1ksαs
充分性
如果αi可由α1,⋯,αi−1,αi+1,⋯,αs线性表出,设
αi=k1α1+⋯+ki−1αi−1+ki+1αi+1+⋯+ksαs
即有
k1α1+⋯+ki−1αi−1−αi+ki+1αi+1+⋯+ksαs=0
组合系数
k1,⋯,ki−1,−1,ki+1,⋯,ks
不全为0
定理:如果α1,α2,⋯,αs可由β1,β2,⋯,βt线性表出,且s>t,则α1,α2,⋯,αs必然线性相关
即多数向量能够用少数向量表示,则多数向量一定线性相关
推论:如果α1,α2,⋯,αs线性无关,且α1,α2,⋯,αs可由β1,β2,⋯,βt线性表出,则s≤t
简单的线性无关证明题思路
当k1α1+k2α2+⋯+ksαs=0时,必有k1=0,k2=0,⋯,ks=0,则称向量组α1,α2,⋯,αs线性无关
例:已知A为n阶可逆矩阵,α1,α2,α3是n维线性无关向量,证明Aα1,Aα2,Aα3线性无关
设
k1Aα1+k2Aα2+k3Aα3A(k1α1+k2α2+k3α3)k1α1+k2α2+k3α3k1α1+k2α2+k3α3=0=0=A−1⋅0=0
由于α1,α2,α3是n维线性无关向量,则
k1=0,k2=0,k3=0
因此,Aα1,Aα2,Aα3线性无关
例:已知α1,α2,α3线性无关,证明α1+α2,α2+α3,α3+α1线性无关
设
k1(α1+α2)+k2(α2+α3)+k3(α3+α1)(k1+k3)α1+(k1+k2)α2+(k2+k3)α3=0=0
因为α1,α2,α3线性无关
⎩⎨⎧k1+k3=0k1+k2=0k2+k3=0(1)
由
∣∣110011101∣∣=2=0
齐次方程组(1)只有0解,即必有k1=0,k2=0,k3=0,因此α1+α2,α2+α3,α3+α1线性无关
秩
极大线性无关组
向量组αi1,αi2,⋯,αir(i≤ir)是向量组α1,α2,⋯,αs的部分组,且满足
-
αi1,αi2,⋯,αir线性无关
-
向量组中的任一一个向量ai(i≤i≤s)均可由 αi1,αi2,⋯,αir线性表出
则称 αi1,αi2,⋯,αir是向量组α1,α2,⋯,αs的一个极大线性无关组
同一向量组可以有多个极大线性无关组,其中的成员组成不一样,数量一定一样
定理:如果αi1,αi2,⋯,αir与αj1,αj2,⋯,αjt都是向量组α1,α2,⋯,αs的极大线性无关组,则r=t
证明:
因为αi1,αi2,⋯,αir是α1,α2,⋯,αs的极大线性无关组,那么αj1,αj2,⋯,αjt可由αi1,αi2,⋯,αir线性表示
又因为αj1,αj2,⋯,αjt线性无关,则有t≤r
同理r≤t,故有r=t
例:已知向量组α1=(1,−1,0,5)T,α2=(2,0,1,4)T,α3=(3,1,2,3)T,α4=(4,2,3,a)T,其中a是参数,求向量组的秩与一个极大线性无关组,并将其他向量用该极大线性无关组线性表示
经初等行变换
(α1α2α3α4)=⎝⎛1−10520143123423a⎠⎞→⎝⎛10000100−1200−23a−20⎠⎞
当a=2时,秩r(α1α2α3α4)=2,极大线性无关组是α1,α2。α3=−α1+2α2,α4=−2α1+3α2
(行最简形式中第一二列、一二行行列式不为0;同理可以使α1,α3,即第一三列、一二行行列式不为0)
一般选择主元,即行最简每行主元所在的列,为了便于用极大线性无关组表示其他向量
当α=2,秩r(α1α2α3α4)=3,极大线性无关组是α1,α2,α4。α3=−α1+2α2
矩阵的秩
k阶子式:A为m×n的矩阵,任取k行与k列(k≤m,k≤n)位于交叉点的k2元素,按A中的位置次序而得到的k阶行列式,称为矩阵A的k阶子式
秩:矩阵A中非0子式的最高阶数称为矩阵A的秩,记为r(A)
r(A)=r⇔A中有r阶子式不为0而所有r+1阶子式(若有)全为0
r(A)<r⇔A中r阶子式全为0
r(A)≥r⇔A中r阶子式全不为0
A=0⇔r(A)≥1
A为n阶矩阵,r(A)=n⇔∣A∣=0⇔A可逆
r⎝⎛10 002000−150001003061⎠⎞=3,虽然第四行不全为0,但是所有四阶子式都为0
公式
-
r(AT)=r(A)
-
r(kA)=r(A),k=0
r(0E−A)=r(A)
r(A−E)=r(E−A)
-
r(A+B)≤r(A)+r(B)
-
r(AB)≤min{r(A),r(B)}
若A可逆,则r(AB)=r(B),r(BA)=r(B)
-
r(ATA)=r(A)
-
A−m×n,B−n×s且AB=0,则r(A)+r(B)≤n
-
r(AOOB)=r(A)+r(B)
-
若A∼B,则r(A)=r(B),r(A+kE)=r(B+kE)
例:已知r(A)=3,A=⎝⎛102311351−1a11b47⎠⎞,求a,b
对矩阵A作初等变换
A=⎝⎛102311351−1a11b47⎠⎞→⎝⎛100011001−1a−101b2−b4−2b⎠⎞
有
{a−1=04−2b=0或{a−1=04−2b=0
则a=1,b=2或a=1,b=2