向量组的线性组合.ppt

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1、上页下页铃结束返回首页关于向量组的线性组合现在学习的是第1页，共29页上页下页铃结束返回首页(一一)、向量组的线性组合、向量组的线性组合1。向量组：。向量组：2。向量组的。向量组的线性组合与线性表示线性组合与线性表示定义定义1 对于向量组对于向量组a a1，a a2， ，a am ，如果有一组数，如果有一组数k1，k2， ，km，使，使 b b k1a a1 k2a a2 kma am，则称向量则称向量b b是向量组是向量组a a1，a a2 ， ，a am的一个线性组合，的一个线性组合，或称或称b b可由向量组可由向量组a a1，a a2 ， ，a am线性表示。线性表示。 定义：定义：若干

2、个同维数的列向量（行向量）所组成的集若干个同维数的列向量（行向量）所组成的集合称为合称为向量组向量组现在学习的是第2页，共29页上页下页铃结束返回首页例例1设设 a a1 (1, 0, 0)，a a2 (0, 1, 0)，a a3 (0, 0, 1)，则，则 b b (2, - -1, 1)是向量组是向量组a a1，a a2 ，a a3的一个线性组合，的一个线性组合，也就是也就是b b可由可由a a1，a a2 ，a a3线性表示。线性表示。 b b 2a a1- -a a2 a a3 2(1, 0, 0)- -(0, 1, 0) (0, 0, 1) (2, - -1, 1)，定义定义1对于向

3、量组对于向量组a a1，a a2， ，a am ，如果有一组数，如果有一组数k1，k2， ，km，使，使 b b k1a a1 k2a a2 kma am，则称向量则称向量b b是向量组是向量组a a1，a a2 ， ，a am的一个线性组合，的一个线性组合，或称或称b b可由向量组可由向量组a a1，a a2 ， ，a am线性表示。线性表示。 。下页下页注意：注意：（1）向量组）向量组a a1，a a2 ，a a3 的线性组合有无穷多个的线性组合有无穷多个（2）一个向量）一个向量b b有可能可由向量组有可能可由向量组a a1，a a2 ，a a3 的线性表示；的线性表示； 也有可能不能由向

4、量组也有可能不能由向量组a a1，a a2 ，a a3 的线性表示。的线性表示。现在学习的是第3页，共29页上页下页铃结束返回首页 例例2任何一个任何一个n维向量维向量a a (a1, a2, , an) T都是都是n维向量组维向量组e e1 (1, 0, , 0) T ，e e2 (0, 1, , 0) T ， ，e en (0, 0, , 1) T的线性组合。的线性组合。 这是因为这是因为a a a1e e1 a2e e2 an e en。向量组向量组e e1，e e2， ，e en称为称为n维维单位向量组或单位向量组或n维基本向量组维基本向量组下页下页定义定义1对于向量组对于向量组a a

5、1，a a2， ，a am ，如果有一组数，如果有一组数k1，k2， ，km，使，使 b b k1a a1 k2a a2 kma am，则称向量则称向量b b是向量组是向量组a a1，a a2 ， ，a am的一个线性组合，的一个线性组合，或称或称b b可由向量组可由向量组a a1，a a2 ， ，a am线性表示。线性表示。结论：结论：任何一个任何一个n维向量维向量a a (a1, a2, , an)都可由都可由n维维单位向量组或单位向量组或n维基本向量组维基本向量组线性表示线性表示现在学习的是第4页，共29页上页下页铃结束返回首页5例：例：设设 123100,010001Ee e e100

6、2 03 17 0001 123237eee 237b 那么那么线性组合的系数线性组合的系数e1, e2, e3的的线性组线性组合合一般地，对于任意的一般地，对于任意的 n 维向量维向量b ，必有，必有1231000010000100001nbbbb 123nbbbbb 现在学习的是第5页，共29页上页下页铃结束返回首页6n 阶单位矩阵阶单位矩阵 En 的列向量叫做的列向量叫做 n 维单位坐标向量维单位坐标向量1231000010000100001nbbbb 123nbbbbb 1000010000100001nE 现在学习的是第6页，共29页上页下页铃结束返回首页例例3零向量是任何一组向量的

7、线性组合。零向量是任何一组向量的线性组合。下页下页定义定义1对于向量组对于向量组a a1，a a2， ，a am ，如果有一组数，如果有一组数k1，k2， ，km，使，使 b b k1a a1 k2a a2 kma am，则称向量则称向量b b是向量组是向量组a a1，a a2 ， ，a am的一个线性组合，的一个线性组合，或称或称b b可由向量组可由向量组a a1，a a2 ， ，a am线性表示。线性表示。例例4向量组向量组a a1，a a2 ， ，a am中的任一向量中的任一向量i(1 i m)都是此向量都是此向量组的线性组合。组的线性组合。注意：注意：对对k1，k2， ，km未加任何限

8、制；特别是未限制未加任何限制；特别是未限制k1，k2， ，km不全为零。不全为零。这是因为这是因为o=0 a a1 0 a a2 0 a am这是因为这是因为a ai 0 a a1 1 a ai 0 a am 。现在学习的是第7页，共29页上页下页铃结束返回首页 定理定理 n维列向量维列向量b b可由可由n维列向量组维列向量组a a1，a a2， ，a am线性表示的充分线性表示的充分必要条件是：以必要条件是：以x1，x2， ，xm为未知量的线性方程组为未知量的线性方程组 x1a a1 x2a a2 xm a am b b有解。有解。 讨论：讨论： 上述线性方程组在什么情况下有解？上述线性方程

9、组在什么情况下有解？提示：提示： 线性方程组线性方程组 x1a a1 x2a a2 xm a am b b有解的有解的充分必要条件是系数矩阵与增广矩阵有相同的秩，充分必要条件是系数矩阵与增广矩阵有相同的秩，即矩阵即矩阵(a a1 a a2 a am)与矩阵与矩阵(a a1 a a2 a am b b)的秩相等。的秩相等。下页下页3。 b b可由可由a a1，a a2， ，a am线性表示的判定方法：线性表示的判定方法：a11x1 a12x2 a1mxm b1a21x1 a22x2 a2mxm b2an1x1 an2x2 anmxm bn x1a a1 x2a a2 xm a am b b 现在

10、学习的是第8页，共29页上页下页铃结束返回首页定理定理 n维列向量维列向量b b可由可由n维列向量组维列向量组a a1，a a2， ，a am线性表示的充分必线性表示的充分必要条件是：以要条件是：以x1，x2， ，xm为未知量的线性方程组为未知量的线性方程组 x1a a1 x2a a2 xm a am b b有解。有解。 推论：推论：下页下页3。 b b可由可由a a1，a a2， ，a am线性表示的判定方法：线性表示的判定方法：（1） n维列向量维列向量b b可由可由n维列向量组维列向量组a a1，a a2， ，a am线性表示线性表示秩秩(a a1 a a2 a am)=秩秩(a a1

11、a a2 a am b b)定理定理 n维行向量维行向量b b可由可由n维行向量组维行向量组a a1，a a2， ，a am线性表示的充分线性表示的充分必要条件是：以必要条件是：以x1，x2， ，xm为未知量的线性方程组为未知量的线性方程组 x1a a1T x2a a2T xm a amT b bT有解。有解。 （2） n维行向量维行向量b b可由可由n维行向量组维行向量组a a1，a a2， ，a am线性表示线性表示秩秩(a a1T a a2 T a amT)=秩秩(a a1T a a2T a amT b bT)现在学习的是第9页，共29页上页下页铃结束返回首页例例5设设-632,321,

12、211,132321aaab判断向量判断向量b b是否为向量组是否为向量组a a1 ，a a2 ， a a 的线性组合。若是，的线性组合。若是，写出表示式。写出表示式。解：解：设设x1a a1 x2a a2 xa a b b由此可得线性方程组由此可得线性方程组-163233222321321321xxxxxxxxx解此线性方程组解此线性方程组现在学习的是第10页，共29页上页下页铃结束返回首页增广矩阵增广矩阵（a a1a a2a ab b ）-163233212211010050107001-163233222321321321xxxxxxxxx因为线性方程组有解，因为线性方程组有解，所以所以

13、b b可由可由a a1，a a2 ，a a线性表示线性表示又因解为又因解为x1 ， x2 ， x 所以所以b b a a1 a a2 a a现在学习的是第11页，共29页上页下页铃结束返回首页 例例6判断向量判断向量b b1 (4, 3, - -1, 11) T与与b b2 (4, 3, 0, 11) T是否各为向是否各为向量组量组a a1 (1, 2, - -1, 5) T，a a2 (2, - -1, 1, 1) T的线性组合。若是，写出表的线性组合。若是，写出表示式。示式。 解：解：(1)考虑线性方程组考虑线性方程组x1a a1 x2a a2 b b1。因为。因为 2 - -1 3- -

14、1 1 - -1 5 1 11 1 2 4 ( a a1 a a2 b b1) 0 - -5 - -5 0 3 3 0 - -9 - -9 1 2 4 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 2 4秩秩(a a1 a a2 b b1) 秩秩(a a1 a a2)，所以，所以b b1可由可由a a1，a a2线性表示。线性表示。因为线性方程组的解为因为线性方程组的解为x1 2， x2 1，所以使，所以使2a a1 a a2 b b。 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 2，下页下页现在学习的是第12页，共29页上页下页铃结束返回首页 例例6判断向量判断向量b b1 (4, 3, - -1

15、, 11) T与与b b2 (4, 3, 0, 11) T是否各为向量是否各为向量组组a a1 (1, 2, - -1, 5) T，a a2 (2, - -1, 1, 1) T的线性组合。若是，写出表示的线性组合。若是，写出表示式。式。 解：解： (2)考虑线性方程组考虑线性方程组x1a a1 x2a a2 b b2。因为。因为 2 - -1 3- -1 1 0 5 1 11 1 2 4 ( a a1 a a2 b b2) 0 - -5 - -5 0 3 4 0 - -9 - -9 1 2 4 0 1 1 0 3 4 0 0 0 1 2 4秩秩(a a1 a a2 b b2) 秩秩(a a1

16、a a2)，所以，所以b b2不能由不能由a a1，a a2线性表示。线性表示。 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 2 4，下页下页现在学习的是第13页，共29页上页下页铃结束返回首页 例例7设向量设向量a a1 (1, 2, 3) ， a a2 (0,1,4) ， a a3 (2, 3, 6) b b (-1,1, 5)，证明，证明b b由由向量组向量组a a1，a a2， a a3线性表示并写出具体的表示线性表示并写出具体的表示式。式。解：解：考虑线性方程组考虑线性方程组x1a a1T x2a a2T x3a a3T b bT。因为。因为 ( a a1T a a2Ta a3T b b

17、T) -564313121201-110020101001秩秩( a a1T a a2Ta a3T b bT) 秩秩( a a1T a a2Ta a3T)，所以，所以b b可由可由a a1，a a2 ， a a3线性表线性表示。示。 因为线性方程组的解为因为线性方程组的解为x1 1， x2 2， x3 - -1， 所以所以b b a a1 2a a2 - -a a3 现在学习的是第14页，共29页上页下页铃结束返回首页15例：例：设设证明向量证明向量 b 能由向量组能由向量组 a1, a2, a3 线性表示，并求出表示式线性表示，并求出表示式12311111210, , , 21432301a

18、aab - - 解：解：向量向量 b 能由能由 a1, a2, a3 线性表示当且仅当线性表示当且仅当R(A) = R(A, b) 1111103212100121( , )2143000023010000rA b - - - - 因为因为R(A) = R(A, b) = 2， 所以向量所以向量 b 能由能由 a1, a2, a3 线性表示线性表示现在学习的是第15页，共29页上页下页铃结束返回首页161111103212100121( , )2143000023010000rA b - - - - 行最简形矩阵对应的方程组为行最简形矩阵对应的方程组为通解为通解为所以所以 b = (3c +

19、2) a1 + (2c1) a2 + c a3 13233221xxxx - - - 3232212110cxccc- - - - - - - 现在学习的是第16页，共29页上页下页铃结束返回首页17结论：含有限个向量的有序向量组与矩阵一一对应结论：含有限个向量的有序向量组与矩阵一一对应 1111211221222211221212,mmmmmmnnnmmxaaaxxaaaxx ax ax aa aaxaaax 1122mmbaaa 11121121222212mmnnnmmaaaaaabaaa ( )( , )R AR A b 向量向量b 能由能由向量组向量组 A线性表示线性表示线性方程组线

20、性方程组 Ax = b 有解有解P.83 定理定理1 的结论：的结论：现在学习的是第17页，共29页上页下页铃结束返回首页18定义：定义：设有向量组设有向量组 A：a1, a2, , am 及及 B：b1, b2, , bl ， 若若向量组向量组 B 中的每个向量都能由向量组中的每个向量都能由向量组 A 线性表示，则称线性表示，则称向向量组量组 B 能由向量组能由向量组 A 线性表示线性表示若向量组若向量组 A 与向量组与向量组 B 能互相线性表示，则称这两个能互相线性表示，则称这两个向量向量组等价组等价 4。向量组的等价。向量组的等价 现在学习的是第18页，共29页上页下页铃结束返回首页例例

21、1向量组向量组a a1 =(1, 2) T ，a a2 = (1, 1) T ，a a3 = (2, 3) T可以由基本向可以由基本向量组量组e e1 (1, 0) T，e e2 (0, 1) T 线性表示；线性表示；同时因为向量组同时因为向量组e e1 (1, 0) T =- -a a1 T+2a a2 T，e e2 (0, 1) T= a a1 T- -a a2T，即向量组，即向量组e e1 ， e e2可由向量组可由向量组a a1，a a2，线性表示；线性表示；所以向量组所以向量组a a1，a a2与向量组与向量组e e1，e e2等价等价现在学习的是第19页，共29页上页下页铃结束返回

22、首页20设有向量组设有向量组 A：a1, a2, , am 及及 B：b1, b2, , bl ， 若向量组若向量组 B 能由向量组能由向量组 A 线性表示，即线性表示，即11211121122112212222mlmlmmlmlmbk ak akabk ak akabk ak ak a 1112221122121212,mmmmllmlllkkkkkkb bba aakkk 线性表示的线性表示的系数矩阵系数矩阵现在学习的是第20页，共29页上页下页铃结束返回首页21设有向量组设有向量组 A：a1, a2, , am 及及 B：b1, b2, , bl ， 若向量组若向量组 B 能由向量组能由

23、向量组 A 线性表示，即线性表示，即对于对于 b1 ，存在一组实数，存在一组实数 k11, k21, , km1 ，使得，使得b1 = k11a1 + k21 a2 + + km1 am ；对于对于 b2 ，存在一组实数，存在一组实数 k12, k22, , km2 ，使得，使得b2 = k12a1 + k22 a2 + + km2 am ；对于对于 bl ，存在一组实数，存在一组实数 k1l , k2l , , kml ，使得，使得bl = k1l a1 + k2l a2 + + kml am现在学习的是第21页，共29页上页下页铃结束返回首页22若若 Cmn = Aml Bln ，即，即则

24、则 1112121222121212,nnnllllnbbbbbbc cca aabbb 结论：结论：矩阵矩阵 C 的列向量组的列向量组能由矩阵能由矩阵 A 的列向量组的列向量组线性表示，线性表示，B 为这一线性表示的系数矩阵为这一线性表示的系数矩阵111211112111121212222122221222121212nlnnlnmmmnmmmllllncccaaabbbcccaaabbbcccaaabbb 现在学习的是第22页，共29页上页下页铃结束返回首页23若若 Cmn = Aml Bln ，即，即111211112111121212222122221222121212nlnnlnmm

25、mnmmmllllncccaaabbbcccaaabbbcccaaabbb 则则1112111212222212TTlTTlTTmmmlmlaaarbaaarbaaarb 结论：结论：矩阵矩阵 C 的行向量组的行向量组能由矩阵能由矩阵 B 的行向量组的行向量组线性表示，线性表示，A 为这一线性表示的系数矩阵为这一线性表示的系数矩阵现在学习的是第23页，共29页上页下页铃结束返回首页24口诀：左行右列定理：设A是一个 mn 矩阵，对 A 施行一次初等行变换，相当于在 A 的左边乘以相应的 m 阶初等矩阵；对 A 施行一次初等列变换，相当于在 A 的右边乘以相应的 n 阶初等矩阵.结论：若 C =

26、 AB ，那么 矩阵 C 的行向量组能由矩阵 B 的行向量组线性表示，A为这一线性表示的系数矩阵（A 在左边）矩阵 C 的列向量组能由矩阵 A 的列向量组线性表示，B为这一线性表示的系数矩阵（B 在右边）现在学习的是第24页，共29页上页下页铃结束返回首页25cABA 经过有限次初等经过有限次初等列列变换变成变换变成 B存在有限个初等矩阵存在有限个初等矩阵P1, P2, , Pl ，使，使 AP1 P2 , Pl = B存在存在 m 阶阶可逆矩阵可逆矩阵 P，使得，使得 AP = B矩阵矩阵 B 的列向量组的列向量组与矩阵与矩阵 A 的列向量组的列向量组等价等价rAB矩阵矩阵 B 的行向量组的

27、行向量组与矩阵与矩阵 A 的行向量组的行向量组等价等价 同理可得同理可得 口诀：左行右列口诀：左行右列. .把把 P 看成看成是线性表示是线性表示的的系数矩阵系数矩阵现在学习的是第25页，共29页上页下页铃结束返回首页26向量组向量组 B：b1, b2, , bl 能由向量组能由向量组 A：a1, a2, , am 线性表示线性表示存在矩阵存在矩阵 K，使得，使得 AK = B 矩阵方程矩阵方程 AX = B 有解有解 R(A) = R(A, B) （P.84 定理定理2）R(B) R(A) （P.85 定理定理3） 推论：推论：向量组向量组 A：a1, a2, , am 及及 B：b1, b

28、2, , bl 等价的充分等价的充分必要条件是必要条件是 R(A) = R(B) = R(A, B)证明：证明：向量组向量组 A 和和 B 等价等价 向量组向量组 B 能由向量组能由向量组 A 线性表示线性表示 向量组向量组 A 能由向量组能由向量组 B 线性表示线性表示从而有从而有R(A) = R(B) = R(A, B) 因为因为 R(B) R(A, B) R(A) = R(A, B)R(B) = R(A, B)现在学习的是第26页，共29页上页下页铃结束返回首页27n 阶单位矩阵的列向量叫做阶单位矩阵的列向量叫做 n 维单位坐标向量维单位坐标向量设有设有nm 矩阵矩阵 A = (a1,

29、a2, , am) ，试证：，试证：n 维单位坐标向维单位坐标向量组能由矩阵量组能由矩阵 A 的列向量组线性表示的充分必要条件是的列向量组线性表示的充分必要条件是R(A) = n 分析：分析：n 维单位坐标向量组能由矩阵维单位坐标向量组能由矩阵 A 的列向量组线性表示的列向量组线性表示R(A) = R(A, E) R(A) = n （注意到：（注意到：R(A, E) = n 一定成立）一定成立）现在学习的是第27页，共29页上页下页铃结束返回首页28小结( )( , )R AR A b 向量向量 b 能由能由向量组向量组 A线性表示线性表示线性方程组线性方程组 Ax = b 有解有解( )( ,)R AR A B 向量组向量组 B 能能由向量组由向量组 A线性表示线性表示矩阵方程组矩阵方程组AX = B 有解有解( )( )R BR A ( )( )( ,)R AR BR A B 向量组向量组 A 与与向量组向量组 B等价等价现在学习的是第28页，共29页上页下页铃结束返回首页感谢大家观看现在学习的是第29页，共29页