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◎学习目标
- 明确本章(把下册第八章与上册第七章结合的新体系)的主线:研究线性空间和它的子空间的结构,而解决方程组有没有解的关键是判断“常数项列向量 \(\beta\) 是否属于系数列向量组生成的子空间”;
- 从高中学过的平面向量分解定理(两个不共线向量可表出平面内任意向量)出发,理解为什么要研究“不共线”的向量组;
- 掌握向量组线性相关与线性无关的定义:存在/不存在不全为零的系数使 \(\sum k_i\alpha_i=0\);
- 记住并会推导基本性质:含零向量的向量组必线性相关;向量组中某一部分线性相关,则整个向量组也线性相关(等价地:某部分线性无关,整个组才可能无关);
- 把“线性相关/无关”与相应 \(n\) 元齐次线性方程组有无非零解、以及 \(n\) 个 \(n\) 维向量构成的行列式是否为零 三者联系起来(判定法)。
1主线与动机:研究子空间结构 ⏱ 00:01
承上(第 P22 集):第 P22 集“小试牛刀”提出,要判断 N 元线性方程组有没有解,关键在于常数项 \(\beta\) 能否由系数构成的列向量组 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\) 线性表出,即 \(\beta\in\langle\alpha_1,\dots,\alpha_n\rangle\)。这就引出“需要研究子空间的结构”这一任务——本集(第 P23 集)把主线落实为:整个第三章的目标就是研究线性空间及其子空间的结构,要讲很多集,务必抓住这条主线。⏱ 02:35
2几何模型:共线 / 不共线 ⏱ 02:39
解决任务的步骤要从比较具体的例子(高中学代“平面向量”、几何空间“过原点 \(O\) 的平面”)获得启发。关键例子:⏱ 03:00
“共线”的代数刻画:\(C\) 与 \(A\) 共线(同向、反向或其一为零)\(\Leftrightarrow\) 存在实数 \(\lambda\) 使 \(C=\lambda A\)。整理得 \(\lambda C-1\cdot A=0\)——即“\(A,C\) 的一个非平凡线性组合等于零向量”。⏱ 05:17
3线性相关 / 线性无关的定义 ⏱ 10:02
把几何的“共线/不共线”推广为代数概念,给两个名字:共线(线性组合有非平凡零解)⇒ 线性相关;不共线 ⇒ 线性无关。⏱ 10:08
· 若存在 \(K\) 中不全为零的数 \(k_1,\dots,k_s\),使得
· 否则(即不存在不全为零的系数使上式成立),称向量组 线性无关。
4基本性质 ⏱ 14:24
从定义立即可读出以下几条常用性质(“牛刀小试”前先记住):
证明:取 \(k_1=1,\ k_2=\cdots=k_s=0\)(不全为零),则 \(1\cdot0+0\alpha_2+\cdots=0\)。
证明:设 \(\sum_{i=1}^{m}k_i\alpha_i=0\) 且 \(k_i\) 不全为零;把 \(m+1\) 到 \(s\) 的系数取 0,仍得 \(\sum_{i=1}^{s}k_i\alpha_i=0\),且这些系数仍不全为零。
逆否命题(同价、常用):若整个向量组线性无关,则它的任意一部分也线性无关。
5与齐次方程组、行列式的联系 ⏱ 14:32
回到 \(K^s\) 的列向量组 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\)(它们是第 P22 集线性方程组的系数列向量)。把“线性相关”与“齐次方程组有非零解”联系起来。
反之:\(\alpha_1,\dots,\alpha_n\) 线性无关 \(\Longleftrightarrow\) 相应齐次方程组只有零解。⏱ 17:34
证明(直接用定义改写)
按定义:列向量组线性相关 \(\Leftrightarrow\) 存在不全为零的 \(x_1,\dots,x_n\in K\) 使 \(x_1\alpha_1+\cdots+x_n\alpha_n=0\)。把“\(=\) 零向量”展开成分量形式,就是 \(n\) 个未知量 \(x_1,\dots,x_n\) 的 \(n\)(或 \(s\))元齐次线性方程组有非零解。反之亦然。⏱ 16:35
行向量同样适用:若向量都写成行(横向),线性相关/无关的判定与列向量本质相同(转置一下即可);故对“行向量组 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\)”,以其为行构成的矩阵行列式 \(=0\) 即线性相关,\(\neq0\) 即线性无关。⏱ 20:16
★重点回顾
⚠易错点提醒
- “线性相关”要求系数“不全为零”:若允许“全为零”的平凡解,则任何向量组都“相关”,定义就失去意义。定义里必须强调“存在不全为零的系数”。
- “部分无关 ⇒ 整体无关” 是错的:例如 \(\alpha_1=\alpha_2\) 且 \(\alpha_3\) 与它们无关,则 \(\{\alpha_1,\alpha_3\}\) 无关但 \(\{\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3\}\) 相关(因为 \(\alpha_1-\alpha_2=0\))。只有“部分相关 ⇒ 整体相关”方向成立。
- “含零向量 ⇒ 相关” 是充分条件,不是必要条件:不含零向量的向量组也可能线性相关(如 \(\alpha_1,\alpha_2\) 共线);反之含零向量必定相关。
- 行列式判定法的适用条件:\(\det A=0\) 判线性相关的结论,仅适用于“向量个数 \(n\) 与维数 \(n\) 相等”的情况(方阵行列式);若 \(n\) 个向量在 \(s\) 维空间中且 \(s\neq n\),则不能直接算行列式(需转成“方程组有非零解”或“矩阵秩”来判定,后续会讲)。
- 列向量 vs 行向量 与 行列式取法:把列向量组“写成行”只是转置,行列式(方阵)值不变(可能差个符号,需按行列展开约定核对);本质相同,但要统一口径,避免“行/列混用”导致的判定错误。
- “不共线”是“共线”的否定,但代数上不是“全零解”的反面:不共线 ⇔ 由 \(\sum k_i\alpha_i=0\) 推出所有系数为零;不是“所有系数都为零”这个平凡事实本身(那永远成立)。务必抓住“可推出”这个逻辑关系。
✎自测与作业
- 判定 \(\alpha_1=(1,2,1),\ \alpha_2=(2,4,2),\ \alpha_3=(0,1,3)\in\mathbb{R}^3\) 是否线性相关,写出推理过程(提示:\(\alpha_2=2\alpha_1\),故前两个已共线,整体必相关)。
- 判定 \(\alpha_1=(1,0),\ \alpha_2=(0,1),\ \alpha_3=(1,1)\in\mathbb{R}^2\) 是否线性相关;用 \(n=3\) 个二维向量(个数超过维数)的情形,说明为何直接算行列式不适用、而应该转成齐次方程组 \(x_1\alpha_1+x_2\alpha_2+x_3\alpha_3=0\) 判有无非零解。
- 设 \(\alpha_1,\dots,\alpha_5\) 线性无关,证明它的任一子集 \(\{\alpha_1,\alpha_3,\alpha_5\}\) 仍线性无关(用“部分无关 ⇒ 由整体无关推”的方向,配合部分相关 ⇒ 整体相关的逆否)。
- 把二阶齐次方程组 \(x_1+x_2=0,\ x_1-x_2=0\) 写成列向量组 \(\alpha_1=(1,1),\alpha_2=(1,-1)\) 与 \(x_1\alpha_1+x_2\alpha_2=0\) 的向量形式,计算 \(\det\begin{pmatrix}1&1\\1&-1\end{pmatrix}\) 并据此判定 \(\alpha_1,\alpha_2\) 线性相关/无关,与直接解方程组(只有零解)核对。
- (思考)若向量组 \(\alpha_1,\dots,\alpha_s\) 线性相关,能否一定把某个 \(\alpha_i\) 写成其余向量的线性组合?反之呢?(提示:考虑“含零向量”这种特例;以及“相关系数中是否必有某个非零”的情形。)
- (几何题)回到平面向量分解:说明“两个不共线的向量 \(A,B\) 可以表出平面内任一向量”(\(C\in\pi\Leftrightarrow C=k_1A+k_2B\)),并解释为何“换成与 \(A\) 共线的 \(C\)”就不能再表出整个平面(即 \(\{A,C\}\) 线性相关)。