线性代数与空间解析几何 第四章 n 维向量空间

第四章 维向量空间

4.1 维向量空间的概念

一、 维向量空间的概念

个数 组成的有序数组称为 维向量,记为 ,也叫 维行向量, 称为向量 的第 个分量;称 维列向量, 称为向量 的第 个分量,分量为实数的向量称为实向量,分量为复数的向量称为复向量

称为 维实向量空间

向量的线性运算

二、 的子空间

定义,如果 对于 的线性运算也构成一个向量空间,那么称 的一个子空间

定理1 的非空子集合, 的一个子空间的充要条件为 对于 的加法和数乘运算是封闭的

4.2 向量组合矩阵

一、向量组的线性组合

1. 向量组线性组合的定义

定义1 若存在数 使得

则称向量 为向量组 线性组合

或称 可由 线性表出

线性组合的全体

若记

即,任一 维向量均可由 线性表出

,则 的子空间——有 生成的子空间

2. 向量组线性组合与非齐次线性方程组的关系

定理1 则下列命题等价

  1. 有解

定义2 设有两个向量组

(I)

(II):

若组(I)中每一个向量都可由组(II)中的向量线性表出,则称组(I)可由组(II)线性表出。若组(I)与组(II)可以互相线性表处,则称组(I)与组(II)等价

的列向量组能由矩阵 的列向量组线性表示, 为这一表示但系数矩阵 同时 的行向量组能由 的行向量组线性表示, 为这一表示的系数矩阵

二、向量组的线性相关性

1.向量组线性相关性的定义

定义 若存在不全为零的数 使得

则称 线性相关;否则,称 线性无关

说明

  1. 线性无关,则只有当 时,才有 成立

  2. 对于任意向量组,不是线性无关就是线性相关

  3. 向量组只包含一个向量 时,若 则说 线性相关,若 则说 线性无关

  4. 包含零向量的任何向量组是线性相关的

  5. 对于含有两个向量的向量组,它线性相关的充要条件是两向量的分量对应成比例,几何意义是两向量共线;三个向量线性相关的几何意义是三向量共勉

    中, 线性相关 (或共线)

    中, 线性相关 共面

2. 线性相关性与齐次线性方程组的关系

定理2 设有 维向量组 则下列命题等价

  1. 线性相关
  2. 有非零解

推论1 设有 维向量组 则下列命题等价

  1. 线性相关
  2. 有非零解

推论2 向量个数>向量维数的向量组必线性相关

中,任意 个向量必线性相关

线性相关性的基本定理

定理3 线性相关,则 线性相关

**部分相关,则整体相关**

定理4 线性相关的充要条件是其中至少有一个向量可由其余 个向量线性表出

定理5 线性无关, 线性相关,则 可由 线性表出,且表示式唯一

4.3 向量的秩与极大无关组

一、向量组的秩与最大无关组的概念及性质

定义 设有向量组 ,如果在 中能选出 个向量 满足

  1. 向量 线性无关
  2. 中任意 个线性相关

则称 是向量组 的一个最大无关组,数 为向量组 的秩

定理1,则 的任意 个()个列向量与 的对应 个列向量有相同的线性相关性

定理2 矩阵的行秩=列秩=矩阵的秩

定理3 若向量组 可由 线性表出,且 线性无关,则

推论 若向量组 可由 线性表出,且 ,则 线性相关

两向量组秩的关系:

若向量组 I 可由组 II 线性表出,则组 I 的秩 $r_1\leq$ 组 II 的秩 $r_2$

定理4 的线性无关部分组,它为最大无关组的充要条件是 中每一个向量均可由 线性表出

二、 的基、维数与坐标

维向量空间

的一组基: 的一个最大无关组

的维数(): 的秩,

的一组基,则 ,特别地,

为一组基, 称为 在基 下的坐标

一个向量在确定基下的坐标是唯一的(坐标的唯一性)

设向量组 分别为 的基,由于 的任意两组基都是等价的,所以存在可逆矩阵 ,使得

为从基 到基 的过渡矩阵

4.4 线性方程组解的结构

一、齐次线性方程组

齐次线性方程组 显然有 称为零解

性质1 为齐次线性方程组 的解,则 也是 的解

性质2 为齐次线性方程组 的解, 为数,则 也是 的解

性质3 齐次线性方程组 解向量的线性组合也为 的解,即设 的解,则对任意 个数 也是 的解

将齐次线性方程组 的解的全体记为 ,即

由性质 1,2知 的一个子空间,称为 解空间,其任意一组基称为 的一个基础解系

定理 设齐次线性方程组 的系数矩阵 的秩 ,则方程组 有基础解系且所含解向量个数为 ,即 的维数为 ,这里 为方程组中未知数的个数

2.基础解系的求法