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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:[a1a2⋮an],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=[a1a2⋮an],β=[b1b2⋮bn],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 \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α1,α2,⋯ ,αm是m个n维向量,k1,k2,⋯ ,km是m个常数,则称k1α1+k2α2+⋯+kmαm为向量组α1,α2,⋯ ,αm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α1,α2,⋯ ,αm是m个n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.\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):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.如果向量组(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).\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α1,α2,⋯ ,αm是m个n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.\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.\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=[a1,a2,⋯ ,an]T,β=[b1,b2,⋯ ,bn]T,则定义α和β的内积(α,β)=αTβ=∑i=1naibi.\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.\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余m−1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.\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.\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α1,α2,⋯ ,αn线性表示⇔r(α1,α2,⋯ ,αn)=r(α1,α2,⋯ ,αn,β)⇔线性方程组[α1,α2,⋯ ,αn][x1x2⋮xn]=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][x1x2⋮xn]=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α1,α2,⋯ ,αn线性无关,令β1=α1,β2=α2−(α2,β1)(β1,β1)β1,⋯ ,βn=αn−∑i=1n−1(αn,βi)(βi,βi)βi这样得到的β1,β2,⋯ ,βn是和α1,α2,⋯ ,αn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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(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\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k1,k2,k3,满足k1α1+k2α2+k3α3=β,增广矩阵为A‾=(α−2−1∣1211∣b1054∣c)→(211∣b0−2−α2−1−α2∣1−αb2001∣5b−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=α2102151141bc200122α0112α1b12αb5bc
(1) 当−2−α2≠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) 当−2−α2=0,即α=−4时,A‾=(211∣b001∣1+2b000∣3b−c−1)若3b−c−1≠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.若3b−c−1=0,A‾=(211∣b001∣1+2b000∣0)→(210∣−1−b001∣1+2b000∣0)→(1120∣−1+b2001∣1+2b000∣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=200100110b1+2b3bc13bc1=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=200100110b1+2b02001000101b1+2b0100210001021+b1+2b0
非齐次方程通解为 k(−12,1,0)T+(−1+b2,0,1+2b)T=(−k2−1+b2,k,1+2b)T即 β=(−k2−1+b2)α1+kα2+(1+2b)α3\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 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;② 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。\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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