2. 向量的相互表示

线性代数



周维祺

动机

  • 中一组线性相关的向量

  • 存在不全为的实数使得

  • 不妨设(否则可以交换的顺序)

  • 则有

线性相关 可以写成线性组合

系数非零

最大线性无关集

  • 中一组线性无关的向量,且对任意非零都线性相关,则称上的一个最大线性无关集

  • 例子:各自都是上的最大线性无关集

  • 反例:不是上的最大线性无关集
    反例:不是上的最大线性无关集

维度和基向量

  • 中的最大线性无关集,则

  • 中的最大线性无关集,则称中的一组基向量

中任何向量都可以表示成基向量的一个唯一的线性组合

存在性

  • 任取非零,则线性相关

  • 存在不全为的实数使得特别地,

  • 显然

唯一性


  • 是两个不同的线性组合,则


  • 从而 , 矛盾

向量组的秩

  • 设有一组向量,且线性无关

  • 若对任意非零, 都线性相关,则称为向量组的秩

  • 向量组的秩=中最大线性无关集中元素的数量

  • 中向量线性无关(即),则也可以称是满秩的

最大线性无关集中元素的数量都相同

拓展阅读

练习

  • 求以下向量组的秩,并找出其中所有的最大线性无关集:



一些浅显的结论

  • 给定一组向量,设中的一个最大线性无关组

  • 中每个向量都可以写成的一个唯一的线性组合

  • 中向量的所有线性组合称为的张成或的像

  • 显然的张成与的张成相同

一些浅显的结论

  • 给定两组向量,分别记其秩为

  • 中每个向量都能写成中向量的线性组合,则

  • 中每个向量也都能写成中向量的线性组合,则称这两个向量组等价,显然此时

  • 等价,则它们的张成相同

与线性方程组的联系

  • 孙子算经:今有雉兔同笼,上有三十五头,下有九十四足,问雉兔各几何?



  • 上式可以写作:

求解线性方程组就是找出等式右侧的向量能否、以及如何写成等式左侧向量组的线性组合

线性方程组解的结构:唯一解

  • 给定线性方程组 ,若的张成中,且线性无关,则有唯一解

  • 例:

线性方程组解的结构:无穷多解

  • 给定线性方程组 ,若的张成中,且线性相关,则有无穷多解。集合中的最大线性无关组称为齐次方程的基础解系

  • 例:

线性方程组解的结构:无解

  • 给定线性方程组 ,若不在的张成中,则无解

  • 例:

后续篇章

  • 用现代的记号和视角来理解和表达上述运算(第2章)

  • 判别向量组是否线性相关的方法(第1章)

  • 这两章的知识基本各自独立

小结

  • 理解本节的动机

  • 最大线性无关集及其性质

  • 线性方程组解的结构