线性代数课后习题.pdf
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1、第四章 向量组的线性相关性1.设门=(1,1,0)1 叱=(0,1,1)7,巧=(3,4,0)1 求 0一叱及3v+2 也 一 吟.解 P1-V2=(1,1,0)7-(0,1,1)7=(1-0,1-1,0-17=(l,o,-l)r.3 一 2 y 2 f 3=3(1,1,0)7+2。1,I)(3,4,0)r=(3 x l+2 x 0-3,3 x l+2 x l-4,3 x 0+2 x l-0)r=(0,1,2)42 .设 3(。|一。)+2(。2+。)=53 3 改),求“,其中 i=(2,5,1,3)1“2=(10,1,5,10 1,的=(4,1,一 1,1)7.解 由 3 3 r)+2(a
2、 2+G)=5Q M 整理得a=+2a2-5a 3)6=1 3(2,5,1,3 y+2(10,1,5,10 尸 一 5(4,1,T,I),o=(1,2,3,4尸.3 .已知向量组A:。尸(0,1,2,3 尸,敢=(3,0,1,2);的=(2,3,0,l)r;B:bl=(2,1,1,2)1 b2=(0,-2,1,1);仇=(4,4,1,3/,证明3组能由A 组线性表示,但 A 组不能由B组线性表示.证 明 由f O 3 2 2 0 4、(A 10 3 1-2 4(A,功-2 1 0 1 1 1I 3 2 1 2 1 3;4-2O 41232O31O12oO5779-4750-2530-11-1o
3、3640-o1oo1ooo3604一2o1oo4755-2255311/(Ooe知R(A)=R(A,B)=3,所以B组能由A组线性表示.由会-lol3o1oo1ooo/I二22TT0211-1ooo44130211B知R(B)=2.因为R 0 R(B,A),所以A组不能由B组线性表示.4.已知向量组4:4尸(0,1,1)1畋=(1,1,。)7;B:%=(1,0,1)1)2=(1,2,1)d=(3,2,-1);证明A组与3组等价.证 明 由f-1(B,A)=0711OO1O320120ToozrI知R(B)=R(B,A)=2.显然在A中有二阶非零子式,故R(A)2 2,又R(A)R(B,A)=2
4、,所以 R(A)=2,从而 R(A)=R(B)=R(A,3).因此 A组与B组等价.5.已知我(。1,敢,。3)=2,夫(。2,。3,。4)=3,证明(1)可能由外,“3线性表示;(2)%不能由“3线性表示.证 明(1)由R Q,由,。4)=3知a2,a3,外线性无关,故做,的也线性无关.又由即5 a2,的)=2知 i,a2,的线性相关,故者能由。2,由线性表示.(2)假如。4能由。2,。3线性表不,则因为41能由。2,“3线性表7K,故。4能由“2,。3线性表示,从而。2,“3,。4线性相关,矛盾.因此。4不能由41,。2,。3线性表6.判定下列向量组是线性相关还是线性无关:(-1,3,1)
5、(2,I,。),,(1,4,1尸;(2)(2,3,0);(-1,4,0);(0,0,2尸.解(1)以所给向量为列向量的矩阵记为4因为XMI7172272Toozf二A7141210131zrI2 n1O1OoO所以R(A)=2小于向量的个数,从而所给向量组线性相关.(2)以所给向量为列向量的矩阵记为B.因为00274023151=0=2 2/0,所以R(B)=3等于向量的个数,从而所给向量组线性相无关.7.问。取什么值时下列向量组线性相关?a尸3,1,1)敢=(1,a,-l)r,%=(1,T,a)T.解以所给向量为列向量的矩阵记为4由a 1 1I AI=1 a 1 =Q(a 1)(Q+1)1
6、1 Q知,当。=-1、0、1时,R(A)i)+Am(am+bm)=Q.取 a=e=-bx,42 42=一82,aR m=-bm,其中 6,e 2,.e,”为单位坐标向量,则上式成立,而S,。2,4”和仇,b2,bm均线性无关.若只有当4,演 ,居 全 为0时,等式4。1+*,+4/z+2/i+一+九/尸 才能成立,则 1,。2,am线性无关,玩如,bm亦线性无关.解 由于只有当4,沏,乙全为0吐 等式由 ,+4/,+4 5 +4”瓦”=0成立,所以只有当办,丸”&全 为0时,等式丸1(。1+51)+42(。2+,2)+4”(。+)=0成立.因此“1+41,“2+6 2,%i+bm线性无关.取4
7、 X 2=0,取一,,为线性无关组,则它们满足以上条件,但。2,一,即线性相关.(4)若Q 1,。2,%线性相关,b i,b2,亦线性相关,则有不全为0的数,九,演,乐使丸 。+,+/!/机=0,A,b|+,+%/机=0同时成立.解 1=(1,0)1 如=(2,0)7,=(0,3)1 必=(0,4)1丸 1+4必2 0=/li2/2?4/1+42b2=0=2产(3/4)%2,=4=/2=0,与题设矛盾.H.设力fl”,力2%+”3,5 3%+4,5 4“+。1,证明向量组b瓦线性相关.证明由已知条件得U =b Cl2f a2=2-3,4:=4于是 a =一+的=bb 2+b 3。4 b b 2
8、+b 3 b 4+a ,从而)1一 42+44=0,这说明向量组b,b2,心,九线性相关.12 .设 b=ai,b2=ai+a2,br=a+a2+”,且向量组 i,的 ,见线性无关,证明向量组仇,心,瓦线性无关.证 明 已 知 的 个等式可以写成 1 -P也,也)=(%,。2,q)I I二1,、0 0 1,上式记为B=AK.因为I K I=1M,K可逆,所以R(B)=R(A)=r,从而向量组加也,仇线性无关.13 .求下列向量组的秩,并求一个最大无关组:(l i=(l,2,-1,4/,做=(9,1 0 0,1 0,4 尸,3=(-2,-4,2,-8)r;20O39-100rlooW二(*0O3
9、9-292813-1ooO二2428-9004O112T4fzl由(p解知R(a,a2,%)=2.因为向量 i 与做的分量不成比例,故四,2线性无关,所以即做是一个最大无关组.(2)。/=(1,2,1,3),2r=(4,-1,-5,-6),a/=(l,-3,-4,-7).14n1/1141/(14n1zf解 由-50o-90oPOOK550二-199-8OOH347-156-213(%,七,生)二知?(,2,3)=/?(1,a2,3)=2.因 为 向 量 与“2 的分量不成比例,故。/,敢,线性无关,所以。/,做,是一个最大无关组.1 4.利用初等行变换求下列矩阵的列向量组的一个最大无关组:(
10、25 31 17 43、小 75 94 53 132.75 94 54 134(25 32 20 48 I解 因 为25 31 17 43、75 94 53 13275 94 54 134(25 32 20 48)250004333o172103110025000zfe一二一43355所以第1、2、3 列构成一个最大无关组.INddv1-3-25-142130112o1111o21rzk2)解 因 为1)X1-252111121O!11IX/(O22O)7OOOO10二T15-51T2-2oOO102门71T3T25-1421301104111o211zr所以第1、2、3列构成一个最大无关组.
11、1 5 .设向量组3,3,1 尸,(2,b,3 1,(1,2,1)1(2,3,1 尸的秩为2,求a,b.解 设。尸(。,3,1)1 敢=(2,b,3 尸,3=(1,2,1)7,%=(2,3,1 7.为因Q3231oOz/m42Au33Tf l 1 1 3)0 1 a-1-10 2 b 5,而 R(G 1,叫 口 4)=2,所以 4=2,b=5.1 6 .设“1,a2,凡是一组九维向量,已知维单位坐标向量 q,。2,一,e”能由它们线性表示,证明田,。2,a“线性无关.证法一 记 A=Q,a2,%),E=(e1,e2,-,e).由已知条件知,存在矩阵K,使E=A K.两边取行列式,得E=A K.
12、可见M,所以R(A)=%从 而 敢,册线性无关.证法二 因为ei,e2,e”能 由 瓯。2,,灯线性表示,所以RM 02,en)R(ai,a2,an),而 R M。2,e)=n,R(ai,a2,a)n,所以 RQ,a2,an)=n,从而,“线性无关.17.设%,a2,“是一组n维向量,证明它们线性无关的充分必要条件是:任一 n维向量都可由它们线性表示.证明 必要性:设Q为任一 维向量.因为线性无关,而1,2,,%,。是+1个维向量,是线性相关的,所以。能由田,敢,、%线性表示,且表示式是唯一的.充分性:已知任一 维向量都可由1,2,一,狐线性表示,故单位坐标向量组g,e2,一,能 由 ,a2,
13、一,。”线性表示,于是有=R(q,e2,etl)R(a,a2,a,)0,4+1=4+2=4 =。,于是4闷 +2必2+*+丸 山 攵为=一(1/4)(九。1+丸2。2+,即ak能 由。2,.,dk-线性表示.1 9.设向量组3:仇,一,瓦能由向量组4:白,见线性表示为(瓦,6)=(即 ,as)K,其中K为s x r矩阵,且A组线性无关.证明B组线性无关的充分必要条件是矩阵K的秩R(K)=r.证明 令B=/,4=Q,4),则有B=A K.必要性:设向量组3线性无关.由向量组8线性无关及矩阵秩的性质,有r=R(3)=R(AK)minR(A),R(K)R(K),及 R(K)min r,5r.因此 R
14、(K)=r.充分性:因为R(K)=r,所以存在可逆矩阵C,使KC=为K的标准形.于是(仇,)C=(卬,a,)K C=3 i,,,).因为C可逆,所以R S i,,)=R(“i,)=,从而仇,,乩线性无关.2 0.设=%+。3+%A=l +。3 +%力,=%+。2+%+.+%证 明 向 量 组。2,、内与 向 量 组2 2,证明将已知关系写成(01(Bi,。2,,)=(%,%,%)1将上式记为3=A K.因为1I K I=11i=(_i)-y,0 11 01 11 1 1o所以K可逆,故有A=3 K-i.由B=A K和A=5KT可知向量组即 2,一,%与向量组回,仇,,月可相互线性表示.因此向量
15、组6,0 2,以与向量组 1,昆,,月等价.21.已知3阶矩阵A与3维列向量x满足43%=3祗必2X,且向量组x,Ax,A2X线性无关.记尸=(x,Ax,A2%),求3阶矩阵优使AP=PB;解 因 为AP=A(x,Ax,A2X)=(AX,A2X,A3X)=(Ax,A2X,3AX-A2X)仅0 0、=(x,Ax,A2x)10 3,0 1 -1.所以8=A7037OOIo1oQ)求.解 由 A3x=3Ax-A、A(3X-AX-A2X)=0.因为 X,AX,TX线性无关,故 3X-AX-A2X,即 方 程Ax=O有非零解,所以R(A)3,IAI=O.22.求下列齐次线性方程组的基础解系:%882+1
16、。毛 +2%4=0(1)2x,+4X2+5X3-x4=0;13%+6X3-2X4=0解对系数矩阵进行初等行变换,有fl-8 10 2 1A=2 4 5 1 (3 8 6-2)fl 0 4 0 10 1 -3/4-1/4(0 0 0 0于是得%=一4毛%2=(3/4比+(1/4)取(X3,取J(4,0成,得(修,初=(一1 6,3 y;取(小,4 1=(0,4)。得(修,2)7=(0,I f因此方程组的基础解系为刍=(1 6,3,4,0)7,金=(0,1,0,4)7.f 2 x1-3 x2-2 x3+x4=0(2)3%1 +5X2+4X3-2X4=0.网+7超+6巧-3/=0解对系数矩阵进行初等
17、行变换,有A=-3 -2 1 )f l 05 4-2-017 6 -3 j(0 02/1 9-1/1 91 4/1 9-7/1 90 0于是得玉=一(2/1 9)毛+(1/1 9)及X2=-(1 4/1 9)X3+(7/1 9)X4,取(a x y=(1 9,0)得3,必)7=(-2,1 4次取(如必)7=(。,1 9)1 得(X,%2)T=(l,7)T.因此方程组的基础解系为=(-2,1 4,1 9,0 y 0,1 9)7.(3)/2%+(7 2 1 )X2+,+2 x_+x=0.解 原 方 程 组 即 为xn=rix 1 )2 ,-2 x/7-i.取 1,X/7-i 0,得 xn nj用J
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