向量组的线性相关性与线性方程组的解的结构

线性代数教学教案第三章 向量组及其线性组合授课序号01,n a 组成的有序数组称为2n a ⎪⎪⎪⎭维向量写成),,n a个分量，其中T,…来表示,n a 是复数时，维复向量，当12,,,n a a a 是实数时，本书所讨论的向量都是实向量0⎪⎪⎪⎭或()0,0,,00=.2n a ⎪⎪⎪⎭称为向量2n a ⎪⎪⎪⎭的负向量，记为α. 向量的运算：由于向量可看成行矩阵或列矩阵，因此我们可用矩阵的运算来定义向量的运算，也就是：122,n n a a b ⎛⎫⎛⎪ ⎪=⎪ ⎪⎪ ⎪⎭⎝⎭β，k ∈，则有1122n n a b a b a b +⎛⎫ ⎪+ ⎪= ⎪ ⎪+⎝⎭β； （2）2n k ka ⎪⎪⎪⎭α；我们称这两种运算为向量的线性运算)1221122,,n n n n b ba a ab a b a b b ⎛⎫⎪ ⎪=+++ ⎪ ⎪⎝⎭；()111212212221212,,,n n n n n n n n a b a b a b a b a ba b b b b a a b a b a b ⎛⎫⎪⎪ ⎪=⎪ ⎪⎪⎪⎭⎝⎭. 二、向量组及其线性组合：：由若干个维数相同的向量构成的集合，称为向量组． ：给定n 维向量组,,,n ααα，对于任意一组数,,,n k k k ，表达式+n n k k α,n α和一个,n k ，使得++n n k =βα，,,n α线性表示，或者说向量β是向量组,n α的一个线性组合量组12,,,n ααα（唯一）线性表分必要条件是+n n x =α有（唯一）解.三、向量组的等价：由向量组B 线性表示：,,m αα是m ,,s β是s 维向量组成的向量组. 中每一个向量,)s β均可由向量组,m α线性表,s β可由向量组:A 12,,,m ααα线性表示.A 与向量组可以相互线性表示，则称向量组A 与向量组2,,,m αα与向量组:B 2,,,s βββ. 令矩阵),m A α，),s β，则向量组B 可由向量组线性表示的充分必要条件是矩阵方程=B向量组A 与向量组等价的充分必要条件是矩阵方程=BY A四、主要例题：1211222221122n n n n m m mn n ma x a x a x a x a xb +++++=中第()121,2,,i i i mi a ai n a ⎛⎫ ⎪ ⎪== ⎪ ⎪⎝⎭α，维列向量2m b ⎪⎪⎪⎭， n n x β+=α12122212n n m m mn a a a a a ⎫⎪⎪⎪⎪⎭，将矩阵A 与列向量组和行向量组对应2100010,,,001n ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪== ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭e e ，将任一向量2n a ⎪⎪⎪⎭由12,,n e e e 线性表示536⎫⎪⎪⎪-⎭及向量组123101,2,11⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭βββ，试问α能否由12,ββ123-⎫⎛⎫⎛⎫授课序号02,m α，如果存在一组不全为零的数,m k ，使得m m k +α，则称向量组,m α线性相关．线性无关：若当且仅当0m k ==时，才有112m m k k k ++=0ααα,m α线性无关.m 个n 维向量构成的向量组12,,,m ααα线性相关的充分必要条件是齐次线性方程组1122m m k k k +++=0ααα有非零解；线性无关的充分必要条件是上述齐次线性方程组只有零解0m k k k ===(,m m α线性相关的充分必要条件是存在某一个向量(1j ≤α2线性相关的充分必要条件是它们的分量对应成比例是向量组A 的部分组线性无关，则其部分组,m α是m 个,m α线性无关，而向量组,,m αβ线性相关，则向量,m α线性表示，且表示式是唯一的如果向量组1,,s ααα可由向量组,t β线性表示，并且s >,s α线性如果向量组12,,,s ααα可由向量组2,,t β线性表示，并且向量组,s α线性无关，则2,,s α与向量组,t β均线性无关，并且这两个向量组等价，则s t =.2322,2⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪α，存在一组不全为零的数20,,,001n ⎪ ⎪ ⎪==⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎭⎝⎭⎝⎭e e ，对任意一组数12120001001n n n n k k k k k k k ⎛⎫⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪+=+++= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭e ，0n k ==时，才有1122n n k k k +++=0e e e ，所以向量组1,,n e e e 线性无关证明：任一含有零向量的向量组必定线性相关.221,11⎫⎛⎫⎛⎫⎪ =⎪ ⎪ -⎭⎝α，判断向量组12,,αα授课序号03,r α满足条件：）向量组1,,r ααα线性无关；）对于A 中任意的向量β，向量组,,r αβ线性相关，则称向量组12,,r ααα为向量组的一个极大线性无关组，简称极大无关组向量组A 的任意一个极大无关组所含向量的个数，称为这个向量组的秩，记为等价的向量组有相同的秩二、矩阵秩的概念及求法：rB ，则RA B ,n α为列构作矩阵),,n α，对矩阵的阶梯数给出矩阵的秩，从而给出向量组1,,n ααα的秩),n β，,n α与向量组,n β有相同的线性相关性，从而可以根据向量组,n β的极大无关组给出向量组12,,,n ααα的极大无关组，并给出不属于极大无关组的向量由极大无关组线性表示的表示20,,,001n ⎪ ⎪ ⎪==⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎭⎝⎭⎝⎭e e 线性无关，所以该向量组的极大无关组就是它3145,1227⎫⎛⎫⎪ ⎪=⎪ ⎪⎪ ⎪⎭⎝⎭α，向量1α与2α的分量不对应成比例，。

3.向量组的线性相关性与线性方程组的解§3.1 线性方程组解的判定1.定理3.1:n 元线性方程组AX=b ，其中A=(a 12a 12a 1n a 21a 22a 2na m1a m2a mn),x=( x 1x 2??x n ) ,b=( b 1b 2??b m )(1)无解的充要条件是R(A)＜R(A,b)；(2)有惟一解的充要条件是R(A)=R(A,b)=n ，(3)有无穷多解的充要条件是R(A)=R(A,b)＜n.注：(1)R(A,b)先化为行阶梯形，判别。

有解时再化为行最简形求解。

(2)R(A)=m 时，AX=b 有解。

(3)R(A)=r 时，有n-r 个自由未知量，未必是后面n-r 个。

2.定理3.2:n 元线性方程组AX=0(1)有惟一解（只有零解）的充要条件是R(A)=n ； (2)有无穷多解(有非零解)充要条件是R(A)＜n .注：(1)m ＜n,AX=0必有非零解。

3.定理3.3:矩阵方程AX=B 有解的充要条件是R(A)=R(A,B) 求解线性方程组例1. {4x 1+2x 2?x 3=23x 1?x 2+2x 3 =1011x 1+3x 2 =8例2. {2x 1+x 2?x 3+x 4 =14x 1+2x 2?2x 3+x 4=22x 1+x 2 ?x 3?x 4 =1例3. 求解齐次线性方程组{3x 1+ 4x 2?5x 3+ 7x 4 =02x 1?3x 2+3x 3? 2x 4 =04x 1+11x 2?13x 3+16x 4=07x 1?2x 2+ x 3+ 3x 4 =0例4.写出一个以X=C 1(2?310)+C 2(?2401)为通解的齐次线性方程组。

例5（每年）.（1）λ取何值时，非齐次线性方程组{ λx 1+x 2+x 3=1x 1+λx 2+x 3=λx 1+x 2+λx 3=λ2（1）有惟一解；（2）无解；（3）有无穷多组解？并在有无穷多组解时求出通解.（2）非齐次线性方程组{x 1+x 2+2x 3=02x 1+x 2+ax 3=13x 1+2x 2+4x 3=b当a,b 取何值时，（1）有惟一解；（2）无解；（3）有无穷多组解？并求出通解.例5(12/13学年).设A=(λ110λ?1011λ), b=(a11),已知Ax=b 存在两个不同的解：(1)求λ,a;(2)求Ax=b 的通解。

空间向量基本定理推论空间向量基本定理是线性代数中的重要定理之一，它描述了向量空间中的向量组的线性相关性与线性无关性的关系。

根据空间向量基本定理，我们可以得出一些重要的推论，这些推论对于解决线性代数中的问题具有重要的意义。

本文将围绕空间向量基本定理推论展开讨论。

一、线性相关与线性无关的判断根据空间向量基本定理，一个向量组线性相关的充分必要条件是存在其中一个向量，可以由其他向量线性表示出来。

因此，当我们判断一个向量组是否线性相关时，只需要找到其中一个向量，看是否可以由其他向量线性表示即可。

如果存在这样的向量，那么向量组线性相关；反之，如果不存在这样的向量，那么向量组线性无关。

二、线性相关向量组与线性方程组的联系根据空间向量基本定理，一个向量组线性相关等价于对应的齐次线性方程组有非零解。

这是因为线性相关的向量组可以表示为一个线性组合，将其转化为线性方程组即可得到非零解。

反之，如果一个向量组线性无关，那么对应的齐次线性方程组只有零解。

三、线性相关向量组的极大线性无关子组根据空间向量基本定理，一个向量组的极大线性无关子组是指向量组中的子集，它既是线性无关的，又不能再添加任何一个向量使其线性无关。

在一个向量组中，找到极大线性无关子组对于研究向量组的性质非常有帮助。

我们可以通过高斯消元法或矩阵的行列式来确定一个向量组的极大线性无关子组。

四、向量组的秩与线性无关向量组的个数根据空间向量基本定理，向量组的秩等于它的极大线性无关子组中向量的个数。

这意味着，在一个向量组中，极大线性无关子组的向量个数是向量组的一个重要特征。

通过计算向量组的秩，我们可以确定极大线性无关子组的向量个数，从而进一步研究向量组的性质。

五、线性方程组的解的结构根据空间向量基本定理，线性方程组的解可以分为两个部分：特解和齐次解。

特解是线性方程组的一个解，而齐次解是线性方程组的齐次方程的解。

通过求解线性方程组，我们可以得到特解和齐次解的表达式，进而得到线性方程组的所有解的结构。

数二考研范围大纲2024具体一、基础知识1.1高等代数1.1.1行列式的定义、性质及计算；1.1.2矩阵的概念、性质及运算；1.1.3矩阵的初等变换、秩以及矩阵的特征值、特征向量；1.1.4线性方程组的解的条件，以及线性方程组解的结构；1.1.5向量空间及其子空间的概念，向量组的线性相关性和线性无关性；1.1.6线性变换的定义、性质以及线性变换的矩阵表示。

1.2数学分析1.2.1极限的概念、性质与运算；1.2.2函数的连续性、可导性以及极值和最值；1.2.3函数的积分与导数的关系；1.2.4曲线的参数方程与极坐标方程；1.2.5一元函数和多元函数的微分学和积分学；1.2.6常微分方程的基本概念、解的存在唯一性、一阶线性常微分方程以及解的表达式；1.2.7多元函数的方向导数、梯度、散度和旋度；1.2.8多元函数的极值与条件极值。

1.3概率论与数理统计1.3.1随机事件的概念和性质；1.3.2概率的定义、性质和运算；1.3.3随机变量的概念、离散型随机变量的概率分布、连续型随机变量的概率密度及分布函数；1.3.4随机变量的数学期望、方差以及协方差；1.3.5大数定律和中心极限定理的基本概念和简单应用；1.3.6统计推断的基本思想和方法，参数估计和假设检验的基本概念和方法。

二、专业知识2.1高等代数2.1.1线性空间、线性子空间、基与维数、线性变换的基本概念；2.1.2特征值和特征向量、对角化与相似矩阵；2.1.3矩阵的标准型及其应用；2.1.4线性方程组推广；2.1.5双线性函数与二次型。

2.2实变函数2.2.1实数域与函数；2.2.2函数列的极限和连续函数；2.2.3导数与微分；2.2.4积分与不定积分；2.2.5无穷级数；2.2.6幂级数。

2.3复分析2.3.1复数系与复函数；2.3.2复变函数的极限与连续性；2.3.3复变函数的导数与积分；2.3.4复变函数的级数展开；2.3.5解析函数与调和函数；2.3.6留数定理和辐角原理。