线代强化NO8|向量|运算|线性相关|内积正交|施密特正交化|线性表示的判定证明

基本概念

向量及其运算

  1. 向量
    由 n 个实数 a 1 , a 2 , ⋯   , a n 组成的 n 元有序数组 [ a 1 , a 2 , ⋯   , a n ] 称之为 n 维行向量,如果该 数组是纵向排列的: [ a 1 a 2 ⋮ a n ] ,则称其为 n 维列向量 . 由多个同型向量(维数相同且都为行向量或列向量)组成的集合称之为 向量组 . \begin{aligned} & \text{由} \boxed{n} \text{个实数} a_1, a_2, \cdots, a_n \text{组成的} n \text{元有序数组} [a_1, a_2, \cdots, a_n] \text{称之为} \boxed{n} \text{维行向量},\text{如果该} \\ & \text{数组是纵向排列的:} \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_n \end{bmatrix},\text{则称其为} \boxed{n} \text{维列向量}. \\ & \text{由多个同型向量(维数相同且都为行向量或列向量)组成的集合称之为} \boxed{\text{向量组}}. \end{aligned} n个实数a1,a2,,an组成的n元有序数组[a1,a2,,an]称之为n维行向量如果该数组是纵向排列的: a1a2an 则称其为n维列向量.由多个同型向量(维数相同且都为行向量或列向量)组成的集合称之为向量组.
  2. 向量的线性运算
    假设 α = [ a 1 a 2 ⋮ a n ] , β = [ b 1 b 2 ⋮ b n ] ,则可以定义如下运算: 转置: α T = [ a 1 , a 2 , ⋯   , a n ] ,通常我们也习惯把列向量写成 α = [ a 1 , a 2 , ⋯   , a n ] T 向量加法: α + β = [ a 1 + b 1 , a 2 + b 2 , ⋯   , a n + b n ] T 向量数乘: k α = [ k a 1 , k a 2 , ⋯   , k a n ] T \begin{aligned} & \text{假设} \boxed{\alpha} = \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_n \end{bmatrix}, \boxed{\beta} = \begin{bmatrix} b_1 \\ b_2 \\ \vdots \\ b_n \end{bmatrix},\text{则可以定义如下运算:} \\ & \text{转置:} \boxed{\alpha}^T = [a_1, a_2, \cdots, a_n],\text{通常我们也习惯把列向量写成} \boxed{\alpha} = [a_1, a_2, \cdots, a_n]^T \\ & \text{向量加法:} \boxed{\alpha} + \boxed{\beta} = [a_1 + b_1, a_2 + b_2, \cdots, a_n + b_n]^T \\ & \text{向量数乘:} k\boxed{\alpha} = [ka_1, ka_2, \cdots, ka_n]^T \\ \end{aligned} 假设α= a1a2an ,β= b1b2bn 则可以定义如下运算:转置:αT=[a1,a2,,an]通常我们也习惯把列向量写成α=[a1,a2,,an]T向量加法:α+β=[a1+b1,a2+b2,,an+bn]T向量数乘:kα=[ka1,ka2,,kan]T

线性组合与线性表示

  1. 线性组合
    设 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 是 m 个 n 维向量, k 1 , k 2 , ⋯   , k m 是 m 个常数,则称 k 1 α 1 + k 2 α 2 + ⋯ + k m α m 为向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 的一个线性组合. \begin{aligned} &\text{设}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{是}m\text{个}n\text{维向量,}k_1,k_2,\cdots,k_m\text{是}m\text{个常数,则称} \\ &\quad k_1\boxed{\alpha}_1 + k_2\boxed{\alpha}_2 + \cdots + k_m\boxed{\alpha}_m\text{为向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{的一个线性组合.} \end{aligned} α1,α2,,αmmn维向量,k1,k2,,kmm个常数,则称k1α1+k2α2++kmαm为向量组α1,α2,,αm的一个线性组合.
  2. 线性表示
    设 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 是 m 个 n 维向量, β 是一个 n 维向量,如果存在常数 k 1 , k 2 , ⋯   , k m , 使得 β = k 1 α 1 + k 2 α 2 + ⋯ + k m α m , 则称 β 为向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 的一个线性组合, 或称向量 β 可以由向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 线性表示. \begin{aligned} &\text{设}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{是}m\text{个}n\text{维向量,} \\ &\quad\boxed{\beta}\text{是一个}n\text{维向量,如果存在常数}k_1,k_2,\cdots,k_m\text{,} \\ &\quad\text{使得}\boxed{\beta}=k_1\boxed{\alpha}_1 + k_2\boxed{\alpha}_2 + \cdots + k_m\boxed{\alpha}_m\text{,} \\ &\quad\text{则称}\boxed{\beta}\text{为向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{的一个线性组合,} \\ &\quad\text{或称向量}\boxed{\beta}\text{可以由向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{线性表示.} \end{aligned} α1,α2,,αmmn维向量,β是一个n维向量,如果存在常数k1,k2,,km使得β=k1α1+k2α2++kmαm则称β为向量组α1,α2,,αm的一个线性组合,或称向量β可以由向量组α1,α2,,αm线性表示.
  3. 向量组的线性表示与等价
    设有向量组 ( I ) : α 1 , α 2 , ⋯   , α m 与向量组 ( I I ) : β 1 , β 2 , ⋯   , β t ,如果向量组 ( I ) 中的 每一个向量都能由向量组 ( I I ) 线性表示,则称向量组 ( I ) 能由向量组 ( I I ) 线性表示.如 果向量组 ( I ) 与向量组 ( I I ) 能够相互线性表示,则称向量组 ( I ) 与向量组 ( I I ) 等价,记 作向量组 ( I ) ≅ 向量组 ( I I ) . \begin{aligned} &\text{设有向量组}(\boxed{I}):\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{与向量组}(\boxed{II}):\boxed{\beta}_1,\boxed{\beta}_2,\cdots,\boxed{\beta}_t\text{,如果向量组}(\boxed{I})\text{中的} \\ &\quad\text{每一个向量都能由向量组}(\boxed{II})\text{线性表示,则称向量组}(\boxed{I})\text{能由向量组}(\boxed{II})\text{线性表示.如} \\ &\quad\text{果向量组}(\boxed{I})\text{与向量组}(\boxed{II})\text{能够相互线性表示,则称向量组}(\boxed{I})\text{与向量组}(\boxed{II})\text{等价,记} \\ &\quad\text{作向量组}(\boxed{I})\cong\text{向量组}(\boxed{II}). \end{aligned} 设有向量组(I):α1,α2,,αm与向量组(II):β1,β2,,βt,如果向量组(I)中的每一个向量都能由向量组(II)线性表示,则称向量组(I)能由向量组(II)线性表示.果向量组(I)与向量组(II)能够相互线性表示,则称向量组(I)与向量组(II)等价,记作向量组(I)向量组(II).

线性相关性

  1. 线性相关
    设 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 是 m 个 n 维向量,如果存在不全为零的常数 k 1 , k 2 , ⋯   , k m ,使得: k 1 α 1 + k 2 α 2 + ⋯ + k m α m = 0 ,则称向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 线性相关. \begin{aligned} &\text{设}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{是}m\text{个}n\text{维向量,如果存在不全为零的常数}k_1,k_2,\cdots,k_m\text{,使得:} \\ &\quad k_1\boxed{\alpha}_1 + k_2\boxed{\alpha}_2 + \cdots + k_m\boxed{\alpha}_m = \boxed{0}\text{,则称向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{线性相关.} \end{aligned} α1,α2,,αmmn维向量,如果存在不全为零的常数k1,k2,,km,使得:k1α1+k2α2++kmαm=0,则称向量组α1,α2,,αm线性相关.
  2. 线性无关
    如果向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 不是线性相关的,则称该向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 线性无关. 即:当且仅当 k 1 , k 2 , ⋯   , k m 全为零时,才能使 k 1 α 1 + k 2 α 2 + ⋯ + k m α m = 0 成立. \begin{aligned} &\text{如果向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{不是线性相关的,则称该向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{线性无关.} \\ &\quad\text{即:当且仅当}k_1,k_2,\cdots,k_m\text{全为零时,才能使}k_1\boxed{\alpha}_1 + k_2\boxed{\alpha}_2 + \cdots + k_m\boxed{\alpha}_m = \boxed{0}\text{成立.} \end{aligned} 如果向量组α1,α2,,αm不是线性相关的,则称该向量组α1,α2,,αm线性无关.即:当且仅当k1,k2,,km全为零时,才能使k1α1+k2α2++kmαm=0成立.

内积与正交

  1. 内积
    假设 α = [ a 1 , a 2 , ⋯   , a n ] T , β = [ b 1 , b 2 , ⋯   , b n ] T ,则定义 α 和 β 的内积 ( α , β ) = α T β = ∑ i = 1 n a i b i . \begin{aligned} &\text{假设}\boxed{\alpha}=[a_1,a_2,\cdots,a_n]^T,\boxed{\beta}=[b_1,b_2,\cdots,b_n]^T\text{,则定义}\boxed{\alpha}\text{和}\boxed{\beta}\text{的内积} \\ &\quad(\boxed{\alpha},\boxed{\beta})=\boxed{\alpha}^T\boxed{\beta}=\sum_{i=1}^n a_ib_i. \end{aligned} 假设α=[a1,a2,,an]Tβ=[b1,b2,,bn]T,则定义αβ的内积(α,β)=αTβ=i=1naibi.
  2. 正交
    如果向量 α 和 β 的内积 ( α , β ) = 0 ,则称向量 α 和 β 正交 . 如果向量\boxed{\alpha}和\boxed{\beta}的内积(\boxed{\alpha},\boxed{\beta}) = 0,则称向量\boxed{\alpha}和\boxed{\beta}正交. 如果向量αβ的内积(α,β)=0,则称向量αβ正交.
  3. 正交向量组
    设 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 为由非零向量组成的向量组,如果其中任意两个向量都是正交的,则 称该向量组为正交向量组. \begin{aligned} &\text{设}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{为由非零向量组成的向量组,如果其中任意两个向量都是正交的,则} \\ &\quad\text{称该向量组为正交向量组.} \end{aligned} α1,α2,,αm为由非零向量组成的向量组,如果其中任意两个向量都是正交的,则称该向量组为正交向量组.

重要公式与定理

常见性质

定理 1:已知向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 线性无关,且向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m , β 线性相关,则 β 可以由向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 线性表示. 定理 2:向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 线性相关当且仅当 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 中至少有一个向量是其 余 m − 1 个向量的线性组合. 定理 3:若向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 线性相关,则向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m , α m + 1 也线性相关. \begin{aligned} &\text{定理 1:已知向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{线性无关,且向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m,\boxed{\beta}\text{线性相关,则} \\ &\quad\boxed{\beta}\text{可以由向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{线性表示.} \\ & \\ &\text{定理 2:向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{线性相关当且仅当}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{中至少有一个向量是其} \\ &\quad\text{余}m-1\text{个向量的线性组合.} \\ & \\ &\text{定理 3:若向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{线性相关,则向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m,\boxed{\alpha}_{m+1}\text{也线性相关.} \end{aligned} 定理 1:已知向量组α1,α2,,αm线性无关,且向量组α1,α2,,αm,β线性相关,则β可以由向量组α1,α2,,αm线性表示.定理 2:向量组α1,α2,,αm线性相关当且仅当α1,α2,,αm中至少有一个向量是其m1个向量的线性组合.定理 3:若向量组α1,α2,,αm线性相关,则向量组α1,α2,,αm,αm+1也线性相关.
定理 4:若向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α s 可以由向量组 β 1 , β 2 , ⋯   , β t 线性表示,且 α 1 , α 2 , ⋯   , α s 线性无关,则有 s ≤ t . 定理 5: n + 1 个 n 维向量必然线性相关. 定理 6:若向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 线性无关,则向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α m 的延伸组  ⁣ ⁣ [ α 1 β 1 ] , [ α 2 β 2 ] , ⋯   , [ α m β m ]  ⁣ ⁣ 也线性无关. 定理 7:阶梯形向量组线性无关. \begin{aligned} &\text{定理 4:若向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_s\text{可以由向量组}\boxed{\beta}_1,\boxed{\beta}_2,\cdots,\boxed{\beta}_t\text{线性表示,且}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_s \\ &\text{线性无关,则有}s \leq t. \\ & \\ &\text{定理 5:}n + 1\text{个}n\text{维向量必然线性相关.} \\ & \\ &\text{定理 6:若向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{线性无关,则向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_m\text{的延伸组} \\ &\quad\!\!\begin{bmatrix}\boxed{\alpha}_1\\\boxed{\beta}_1\end{bmatrix},\begin{bmatrix}\boxed{\alpha}_2\\\boxed{\beta}_2\end{bmatrix},\cdots,\begin{bmatrix}\boxed{\alpha}_m\\\boxed{\beta}_m\end{bmatrix}\!\!\text{也线性无关.} \\ & \\ &\text{定理 7:阶梯形向量组线性无关.} \end{aligned} 定理 4:若向量组α1,α2,,αs可以由向量组β1,β2,,βt线性表示,且α1,α2,,αs线性无关,则有st.定理 5n+1n维向量必然线性相关.定理 6:若向量组α1,α2,,αm线性无关,则向量组α1,α2,,αm的延伸组[α1β1],[α2β2],,[αmβm]也线性无关.定理 7:阶梯形向量组线性无关.

与线性方程组有关的定理

定理 1:向量 β 可以由向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α n 线性表示 ⇔ r ( α 1 , α 2 , ⋯   , α n ) = r ( α 1 , α 2 , ⋯   , α n , β ) ⇔ 线性方程组 [ α 1 , α 2 , ⋯   , α n ] [ x 1 x 2 ⋮ x n ] = β 有解. 定理 2:向量组 α 1 , α 2 , ⋯   , α n 线性相关 ⇔ r ( α 1 , α 2 , ⋯   , α n ) < n ⇔ 齐次线性方程组 [ α 1 , α 2 , ⋯   , α n ] [ x 1 x 2 ⋮ x n ] = 0 有非零解. \begin{aligned} &\text{定理 1:向量}\boxed{\beta}\text{可以由向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_n\text{线性表示} \\ &\Leftrightarrow r\left(\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_n\right) = r\left(\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_n,\boxed{\beta}\right) \\ &\Leftrightarrow \text{线性方程组}\left[\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_n\right]\begin{bmatrix}x_1 \\ x_2 \\ \vdots \\ x_n\end{bmatrix} = \boxed{\beta}\text{有解.} \\ & \\ &\text{定理 2:向量组}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_n\text{线性相关} \\ &\Leftrightarrow r\left(\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_n\right) < n \\ &\Leftrightarrow \text{齐次线性方程组}\left[\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_n\right]\begin{bmatrix}x_1 \\ x_2 \\ \vdots \\ x_n\end{bmatrix} = \boxed{0}\text{有非零解.} \end{aligned} 定理 1:向量β可以由向量组α1,α2,,αn线性表示r(α1,α2,,αn)=r(α1,α2,,αn,β)线性方程组[α1,α2,,αn] x1x2xn =β有解.定理 2:向量组α1,α2,,αn线性相关r(α1,α2,,αn)<n齐次线性方程组[α1,α2,,αn] x1x2xn =0有非零解.

施密特正交化

假设 α 1 , α 2 , ⋯   , α n 线性无关,令 β 1 = α 1 , β 2 = α 2 − ( α 2 , β 1 ) ( β 1 , β 1 ) β 1 , ⋯   , β n = α n − ∑ i = 1 n − 1 ( α n , β i ) ( β i , β i ) β i 这样得到的 β 1 , β 2 , ⋯   , β n 是和 α 1 , α 2 , ⋯   , α n 等价的正交向量组 . \begin{aligned} &假设\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_n线性无关,令 \\ & \boxed{\beta}_1 = \boxed{\alpha}_1,\boxed{\beta}_2 = \boxed{\alpha}_2 - \frac{(\boxed{\alpha}_2,\boxed{\beta}_1)}{(\boxed{\beta}_1,\boxed{\beta}_1)}\boxed{\beta}_1,\cdots,\boxed{\beta}_n = \boxed{\alpha}_n - \sum_{i=1}^{n-1}\frac{(\boxed{\alpha}_n,\boxed{\beta}_i)}{(\boxed{\beta}_i,\boxed{\beta}_i)}\boxed{\beta}_i \\ & 这样得到的\boxed{\beta}_1,\boxed{\beta}_2,\cdots,\boxed{\beta}_n是和\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\cdots,\boxed{\alpha}_n等价的正交向量组. \end{aligned} 假设α1,α2,,αn线性无关,令β1=α1,β2=α2(β1,β1)(α2,β1)β1,,βn=αni=1n1(βi,βi)(αn,βi)βi这样得到的β1,β2,,βn是和α1,α2,,αn等价的正交向量组.

线性表示的判定与证明

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( α 1   α 2   α 3   ⋮   β ) 唯一解: r ( α 1   α 2   α 3 ) = r ( α 1   α 2   α 3   ⋮   β ) = 3 无解: r ( α 1   α 2   α 3 ) < r ( α 1   α 2   α 3   ⋮   β ) 无穷多解: r ( α 1   α 2   α 3 ) = r ( α 1   α 2   α 3   ⋮   β ) < 3 \begin{aligned} &(\boxed{\alpha}_1\ \boxed{\alpha}_2\ \boxed{\alpha}_3\ \vdots\ \boxed{\beta}) \\ &\text{唯一解:}\quad r(\boxed{\alpha}_1\ \boxed{\alpha}_2\ \boxed{\alpha}_3)=r(\boxed{\alpha}_1\ \boxed{\alpha}_2\ \boxed{\alpha}_3\ \vdots\ \boxed{\beta})=3 \\ &\text{无解:}\quad\quad r(\boxed{\alpha}_1\ \boxed{\alpha}_2\ \boxed{\alpha}_3)<r(\boxed{\alpha}_1\ \boxed{\alpha}_2\ \boxed{\alpha}_3\ \vdots\ \boxed{\beta}) \\ &\text{无穷多解:}\quad r(\boxed{\alpha}_1\ \boxed{\alpha}_2\ \boxed{\alpha}_3)=r(\boxed{\alpha}_1\ \boxed{\alpha}_2\ \boxed{\alpha}_3\ \vdots\ \boxed{\beta})<3 \end{aligned} (α1 α2 α3  β)唯一解:r(α1 α2 α3)=r(α1 α2 α3  β)=3无解:r(α1 α2 α3)<r(α1 α2 α3  β)无穷多解:r(α1 α2 α3)=r(α1 α2 α3  β)<3
解:设有一组数 k 1 , k 2 , k 3 ,满足 k 1 α 1 + k 2 α 2 + k 3 α 3 = β ,增广矩阵为 A ‾ = ( α − 2 − 1 ∣ 1 2 1 1 ∣ b 10 5 4 ∣ c ) → ( 2 1 1 ∣ b 0 − 2 − α 2 − 1 − α 2 ∣ 1 − α b 2 0 0 1 ∣ 5 b − c ) \begin{aligned} &\text{解:设有一组数}k_1,k_2,k_3\text{,满足}k_1\boxed{\alpha}_1 + k_2\boxed{\alpha}_2 + k_3\boxed{\alpha}_3 = \boxed{\beta}\text{,增广矩阵为} \\ &\overline{A} = \begin{pmatrix} \alpha & -2 & -1 & \bigm| & 1 \\ 2 & 1 & 1 & \bigm| & b \\ 10 & 5 & 4 & \bigm| & c \end{pmatrix} \rightarrow \begin{pmatrix} 2 & 1 & 1 & \bigm| & b \\ 0 & -2-\frac{\alpha}{2} & -1-\frac{\alpha}{2} & \bigm| & 1-\frac{\alpha b}{2} \\ 0 & 0 & 1 & \bigm| & 5b - c \end{pmatrix} \end{aligned} 解:设有一组数k1,k2,k3,满足k1α1+k2α2+k3α3=β,增广矩阵为A= α210215114 1bc 200122α0112α1 b12αb5bc
( 1 )  当 − 2 − α 2 ≠ 0 时, r ( A ) = r ( A ‾ ) = 3 ,方程组有唯一解,即 β 可由 α 1 , α 2 , α 3 唯一线性表示. ( 2 )  当 − 2 − α 2 = 0 ,即 α = − 4 时, A ‾ = ( 2 1 1 ∣ b 0 0 1 ∣ 1 + 2 b 0 0 0 ∣ 3 b − c − 1 ) 若 3 b − c − 1 ≠ 0 ,则 r ( A ) = 2 ,   r ( A ‾ ) = 3 ,故方程组无解,即 β 不可由 α 1 , α 2 , α 3 线性表示. 若 3 b − c − 1 = 0 , A ‾ = ( 2 1 1 ∣ b 0 0 1 ∣ 1 + 2 b 0 0 0 ∣ 0 ) → ( 2 1 0 ∣ − 1 − b 0 0 1 ∣ 1 + 2 b 0 0 0 ∣ 0 ) → ( 1 1 2 0 ∣ − 1 + b 2 0 0 1 ∣ 1 + 2 b 0 0 0 ∣ 0 ) \begin{aligned} &(1)\ \text{当}-2-\frac{\alpha}{2} \neq 0\text{时,}r(A)=r(\overline{A})=3\text{,方程组有唯一解,即}\boxed{\beta}\text{可由}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\boxed{\alpha}_3\text{唯一线性表示.} \\ &(2)\ \text{当}-2-\frac{\alpha}{2} = 0\text{,即}\alpha = -4\text{时,}\overline{A} = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 1 & \bigm| & b \\ 0 & 0 & 1 & \bigm| & 1+2b \\ 0 & 0 & 0 & \bigm| & 3b - c - 1 \end{pmatrix} \\ &\quad\text{若}3b - c - 1 \neq 0\text{,则}r(A)=2,\ r(\overline{A})=3\text{,故方程组无解,即}\boxed{\beta}\text{不可由}\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\boxed{\alpha}_3\text{线性表示.} \\ &\quad\text{若}3b - c - 1 = 0\text{,}\overline{A} = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 1 & \bigm| & b \\ 0 & 0 & 1 & \bigm| & 1+2b \\ 0 & 0 & 0 & \bigm| & 0 \end{pmatrix} \rightarrow \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 & \bigm| & -1 - b \\ 0 & 0 & 1 & \bigm| & 1+2b \\ 0 & 0 & 0 & \bigm| & 0 \end{pmatrix} \rightarrow \begin{pmatrix} 1 & \frac{1}{2} & 0 & \bigm| & -\frac{1+b}{2} \\ 0 & 0 & 1 & \bigm| & 1+2b \\ 0 & 0 & 0 & \bigm| & 0 \end{pmatrix} \end{aligned} (1) 22α=0时,r(A)=r(A)=3,方程组有唯一解,即β可由α1,α2,α3唯一线性表示.(2) 22α=0,即α=4时,A= 200100110 b1+2b3bc1 3bc1=0,则r(A)=2, r(A)=3,故方程组无解,即β不可由α1,α2,α3线性表示.3bc1=0A= 200100110 b1+2b0 200100010 1b1+2b0 1002100010 21+b1+2b0
非齐次方程通解为  k ( − 1 2 , 1 , 0 ) T + ( − 1 + b 2 , 0 , 1 + 2 b ) T = ( − k 2 − 1 + b 2 , k , 1 + 2 b ) T 即  β = ( − k 2 − 1 + b 2 ) α 1 + k α 2 + ( 1 + 2 b ) α 3 \begin{aligned} &\text{非齐次方程通解为 } k\left(-\frac{1}{2},1,0\right)^T + \left(-\frac{1+b}{2},0,1+2b\right)^T = \left(-\frac{k}{2}-\frac{1+b}{2},k,1+2b\right)^T \\ &\text{即 } \boxed{\beta} = \left(-\frac{k}{2}-\frac{1+b}{2}\right)\boxed{\alpha}_1 + k\boxed{\alpha}_2 + (1+2b)\boxed{\alpha}_3 \end{aligned} 非齐次方程通解为 k(21,1,0)T+(21+b,0,1+2b)T=(2k21+b,k,1+2b)T β=(2k21+b)α1+kα2+(1+2b)α3

【小结】 ① 注意  k 1 α 1 + k 2 α 2 + k 3 α 3 = β  可以转换为线性方程组  ( α 1 , α 2 , α 3 ) x = β ,其中解 向量  x = ( k 1 k 2 k 3 ) ,即 α 1 , α 2 , α 3  线性表出 β  的系数; ②  α 1 , ⋯   , α n  不能线性表出 β    ⟺    ( α 1 , ⋯   , α n ) x = β  无解; α 1 , ⋯   , α n  能线性表出 β ,且表出方式唯一    ⟺    ( α 1 , ⋯   , α n ) x = β  有唯一解; α 1 , ⋯   , α n  能线性表出 β ,且表出方式不唯一    ⟺    ( α 1 , ⋯   , α n ) x = β  有无穷多解。 \begin{aligned} &\text{【小结】} \\ &①\ \text{注意 } k_1\boxed{\alpha}_1 + k_2\boxed{\alpha}_2 + k_3\boxed{\alpha}_3 = \boxed{\beta} \text{ 可以转换为线性方程组 } (\boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\boxed{\alpha}_3)\boxed{x} = \boxed{\beta} \text{,其中解} \\ &\text{向量 } \boxed{x} = \begin{pmatrix} k_1 \\ k_2 \\ k_3 \end{pmatrix} \text{,即} \boxed{\alpha}_1,\boxed{\alpha}_2,\boxed{\alpha}_3 \text{ 线性表出} \boxed{\beta} \text{ 的系数;} \\ &②\ \boxed{\alpha}_1,\cdots,\boxed{\alpha}_n \text{ 不能线性表出} \boxed{\beta} \iff (\boxed{\alpha}_1,\cdots,\boxed{\alpha}_n)\boxed{x} = \boxed{\beta} \text{ 无解;} \\ &\boxed{\alpha}_1,\cdots,\boxed{\alpha}_n \text{ 能线性表出} \boxed{\beta} \text{,且表出方式唯一} \iff (\boxed{\alpha}_1,\cdots,\boxed{\alpha}_n)\boxed{x} = \boxed{\beta} \text{ 有唯一解;} \\ &\boxed{\alpha}_1,\cdots,\boxed{\alpha}_n \text{ 能线性表出} \boxed{\beta} \text{,且表出方式不唯一} \iff (\boxed{\alpha}_1,\cdots,\boxed{\alpha}_n)\boxed{x} = \boxed{\beta} \text{ 有无穷多解。} \end{aligned} 【小结】 注意 k1α1+k2α2+k3α3=β 可以转换为线性方程组 (α1,α2,α3)x=β,其中解向量 x= k1k2k3 ,即α1,α2,α3 线性表出β 的系数; α1,,αn 不能线性表出β(α1,,αn)x=β 无解;α1,,αn 能线性表出β,且表出方式唯一(α1,,αn)x=β 有唯一解;α1,,αn 能线性表出β,且表出方式不唯一(α1,,αn)x=β 有无穷多解。
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