线性代数25向量的线性相关性.pptx
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1、会计学1线性代数线性代数25向量的线性相关性向量的线性相关性5.1 5.1 5.1 5.1 线性组合与线性表示线性组合与线性表示线性组合与线性表示线性组合与线性表示 例例1设设 a a1(1,0,0),a a2(0,1,0),a a3(0,0,1),b b(2,1,1),则则b b(2,1,1)是向量组是向量组a a1,a a2,a a3的线性组合的线性组合.即即 b b(2,1,1)是向量组是向量组a a1,a a2,a a3的线性组合,也就是说的线性组合,也就是说b b可由可由a a1,a a2,a a3线性表示线性表示.因为因为 2a a1 a a2 a a3 2(1,0,0)(0,1,
2、0)(0,0,1)(2,1,1)=b b,定义定义1 给定给定n维向量维向量b b,a a1,a a2,a am,如果存在一组数,如果存在一组数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的的线性组合线性组合,或称,或称b b可由向量可由向量组组a a1,a a2,a am线性表示线性表示.下页第1页/共31页 例例2任何一个任何一个n维向量维向量a a(a1,a2,an)都是都是n维向量组维向量组 1(1,0,0),2(0,1,0),n(0,0,1)的的线线性性 组合组合.这是因为这是因为a a
3、 a1 1 a2 2 an n.注:注:向量组向量组 1,2,n称为称为 n 维单位(或维单位(或基本基本)向量组)向量组.下页5.1 5.1 线性组合与线性表示线性组合与线性表示 定义定义1 给定给定n维向量维向量b b,a a1,a a2,a am,如果存在一组数,如果存在一组数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的的线性组合线性组合,或称,或称b b可由向量可由向量组组a a1,a a2,a am线性表示线性表示.第2页/共31页 例例3零向量是任何一组向量的线性组合零向量是任何一组
4、向量的线性组合.这是因为这是因为o=0 a a1 0 a a2 0 a am.例例4向向量量组组a a1,a a2,a am中中的的任任一一向向量量a ai(1 i m)都都是是此此向量组的线性组合向量组的线性组合.这是因为这是因为a ai 0 a a1 1 a ai 0 a am.下页5.1 5.1 线性组合与线性表示线性组合与线性表示 定义定义1 给定给定n维向量维向量b b,a a1,a a2,a am,如果存在一组数,如果存在一组数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的的线性组合线
5、性组合,或称,或称b b可由向量可由向量组组a a1,a a2,a am线性表示线性表示.第3页/共31页注:注:(1 1)并非每一个向量都可以表示成某几个向量的线性组合)并非每一个向量都可以表示成某几个向量的线性组合(2 2)一个向量可以由一组向量线性表示,但表示式未必唯一)一个向量可以由一组向量线性表示,但表示式未必唯一下页第4页/共31页例例5线性方程组的向量表示线性方程组的向量表示(向量方程向量方程)a11x1a21x1am1x1a12x2a22x2am2x2a1nxna2nxnamnxnb1b2bm=+-+下页a11a21am1x1a12a22am2x2+xna1na2namn+b1
6、b2bm=或或即即其中其中,第5页/共31页b b 可由向量组可由向量组a a1,a a2,a am线性表示线性表示充要条件是充要条件是存在一组数存在一组数k1,k2,km,使,使 b b k1a a1 k2a a2 kma am.补充补充:由定义由定义 令令 则式(则式(1 1)可写为)可写为定理定理 给定给定n维列向量组维列向量组b b,a a1,a a2,a am,向量,向量b b可由向量组可由向量组a a1,a a2,a am线性表示的充要条件是方程组(线性表示的充要条件是方程组(2 2)有解)有解.特别地,若方程组(特别地,若方程组(2 2)有唯一解,则线性表示式是唯一的)有唯一解,
7、则线性表示式是唯一的.(1)(2)(1)式就是以式就是以k1,k2,km为未知数的为未知数的线性方程组线性方程组第6页/共31页 定义定义2 设有设有n维向量组维向量组a a1,a a2,a am,如果存在一组如果存在一组不全为零的数不全为零的数 k1,k2,km,使使 k1a a1 k2a a2 kma am o 成立成立,则称向量组则称向量组a a1,a a2,a am线性相关线性相关,否则否则,即只有即只有当当k1,k2,km全为全为0时时 k1a a1 k2a a2 kma am o才成立才成立,则称向量组则称向量组a a1,a a2,a am线性无关线性无关.下页5.2 5.2 5.
8、2 5.2 线性相关与线性无关线性相关与线性无关线性相关与线性无关线性相关与线性无关 说明说明:向量组向量组a a1,a a2,a am线性相关的充分必要条件是线性相关的充分必要条件是以以x1,x2,xm为未知量的齐次线性方程组为未知量的齐次线性方程组 x1a a1 x2a a2 xm a am o有非零解。有非零解。第7页/共31页 定义定义2 设有设有n维向量组维向量组a a1,a a2,a am,如果存在一组如果存在一组不全为零的数不全为零的数 k1,k2,km,使使 k1a a1 k2a a2 kma am o 成立成立,则称向量组则称向量组a a1,a a2,a am线性相关线性相关
9、,否则否则,即只有即只有当当k1,k2,km全为全为0时时 k1a a1 k2a a2 kma am o才成立才成立,则称向量组则称向量组a a1,a a2,a am线性无关线性无关.下页5.2 5.2 5.2 5.2 线性相关与线性无关线性相关与线性无关线性相关与线性无关线性相关与线性无关线性相关性判定方法线性相关性判定方法 一般方法,用于一般方法,用于m 个个n维向量组的情形维向量组的情形.一般可通过定义或一般可通过定义或判定定理等进行判定,特别当利用定义时可使用观察法判定定理等进行判定,特别当利用定义时可使用观察法.特殊方法,用于特殊方法,用于n 个个n维向量组的情形维向量组的情形.可通
10、过行列式判定可通过行列式判定.第8页/共31页例例6.6.讨论下列向量组的线性相关性讨论下列向量组的线性相关性.解解:对于向量组,显然有对于向量组,显然有 即存在一组不全为零的数即存在一组不全为零的数 练习:练习:讨论下列向量组的线性讨论下列向量组的线性 相关性,其中:相关性,其中:下页即即使得使得所以向量组所以向量组a a1 1,a a2 2,a a3 3,线性相关线性相关.一般方法(举例)一般方法(举例)第9页/共31页 对于对于n个个n维向量组成的向量组维向量组成的向量组a a1,a a2,a an,设有一组数设有一组数 k1,k2,kn,使使 k1a a1 k2a a2 kna an
11、o 成立成立.由向量的运算性质可得由向量的运算性质可得 k1a a1 k2a a2 kn a an=o,即即从而得向量组从而得向量组a a1,a a2,a an 线性无关线性无关(相关相关)的充分必要条件是的充分必要条件是:下页特殊方法(推导)特殊方法(推导)第10页/共31页 设有一组数设有一组数k1,k2,kn,使使 k1a a1 k2a a2 kna an o 成立成立.(1)通过向量的线性运算通过向量的线性运算,将将(1)式化为如下齐次方程组式化为如下齐次方程组(2)下页特殊方法(解题步骤)特殊方法(解题步骤)判断上面关于判断上面关于k1,k2,kn方程组方程组(2)(2)有无有无非零
12、解非零解?若方程组若方程组(2)(2)有非零解有非零解,则则a a1,a a2,a an线性相关;否则线性相关;否则,线性无关线性无关.即行列式即行列式或或核心问题核心问题!第11页/共31页例例7.7.讨论下列向量组的线性相关性讨论下列向量组的线性相关性.即方程组即方程组 因该方程组的系数行列式因该方程组的系数行列式 所以,线性方程组有非零解所以,线性方程组有非零解,从而从而,向量组向量组a a1 1,a a2 2,a a3 3,a a4 4,线性线性 相关相关.下页特殊方法(举例)特殊方法(举例)解解:对于向量组对于向量组a a1 1,a a2 2,a a3 3,a a4 4,设有设有一组
13、数一组数k1,k2,k3,k4,使得下式成立使得下式成立亦即方程组亦即方程组解题要点:解题要点:找向量方程的找向量方程的非零解非零解.第12页/共31页 例例8设向量组设向量组a a1,a a2,a a3线性无关线性无关,令令 b b1 a a1 a a2,b b2 a a2 a a3,b b3 a a3 a a1.试证向量组试证向量组b b1,b b2,b b3也线性无关也线性无关.证明:证明:设有一组数设有一组数k1,k2,k3,使使 k1b b1 k2b b2 k3 b b3 o,即即 k1(a a1 a a2)k2(a a2 a a3)k3(a a3 a a1)o,整理得整理得 (k1
14、 k3)a a1(k1 k2)a a2(k2 k3)a a3 o.因为向量组因为向量组a a1,a a2,a a3线性无关线性无关,所以必有所以必有,k1k1k1x2k2k2k3x3k3000=+1 1 0 0 1 1 1 0 1由于由于=20,从而从而b b1,b b2,b b3线性无关线性无关.所以方程组只有零解所以方程组只有零解 k1=k2=k3=0,下页即代数方程组只有零解:即代数方程组只有零解:k1=k2=k3=0.亦即向量方程只有零解:亦即向量方程只有零解:k1=k2=k3=0.第13页/共31页讨论:讨论:3.3.仅有两个向量构成的向量组线性相关的条件仅有两个向量构成的向量组线性
15、相关的条件.1.1.含有零向量的向量组是否线性相关含有零向量的向量组是否线性相关.2.2.仅有一个向量构成的向量组线性相关的条件仅有一个向量构成的向量组线性相关的条件.结论:结论:1.1.含有零向量的向量组一定线性相关含有零向量的向量组一定线性相关.2.2.仅仅有有一一个个向向量量构构成成的的向向量量组组线线性性相相关关当当且且仅仅当该向量为零向量当该向量为零向量.3.3.仅有两个向量构成的向量组线性相关当且仅当仅有两个向量构成的向量组线性相关当且仅当这两个向量的分量对应成比例这两个向量的分量对应成比例.4.单位向量组单位向量组1,2,n是否线性相关是否线性相关.4.单位向量组单位向量组1,2
16、,n线性无关线性无关.下页第14页/共31页定理定理1 1 向量组向量组a a1,a a2,a am线性相关的充要条件是:向量线性相关的充要条件是:向量组中至少有一个向量可以由其余向量线性表示组中至少有一个向量可以由其余向量线性表示.定理定理3 3 如果向量组中有一部分向量如果向量组中有一部分向量(称为部分组称为部分组)线性相关线性相关,则整个向量组线性相关则整个向量组线性相关.定理定理2 2 设向量组设向量组 a a1,a a2,a am,b b 线性相关线性相关,而而a a1,a a2,a am线性无关线性无关,则则b b 可可由由a a1,a a2,a am线性表示,且表线性表示,且表示
17、式是唯一的示式是唯一的.定定理理5 5 若若向向量量组组 a ai=(a ai i1 1,a ai i2,a ai in)(i=1,2,m)线线性性无无关关,则则向向量组量组 b b i=(a ai i1 1,a ai i2,a ai in,a ai in+1)(i=1,2,m)也线性无关也线性无关.下页5.3 5.3 线性相关性判定定理线性相关性判定定理定定理理4 4 由由n个个n维维向向量量组组成成的的向向量量组组,其其线线性性无无关关的的充充分分必必要要条件是矩阵条件是矩阵A=(a a1 1,a a2 2,.,.,a an)可逆可逆.第15页/共31页 证明:证明:必要性必要性.因为因为
18、a a1,a a2,a am线性相关,故存在线性相关,故存在不全为零的数不全为零的数l l1,l l2,l lm,使使 l l1a a1 l l2a a2 l lma am o.不妨设不妨设l l1 0,于是于是即即a a1为为a a2,a a3,a am的线性组合的线性组合.充分性充分性.不妨设不妨设a a1可由其余向量线性表示可由其余向量线性表示,即即 a a1 l l2a a2 l l3a a3 l lma am,则存在不全为零的数则存在不全为零的数 1,l l2,l l3,l lm,使使 (1)a a1 l l2a a2 l l3a a3 l lma am o,即即a a1,a a2,
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