设向量β及向量组α1,α2,…,αs(它们的维数与β相同),则β可由α1,α2,…,αs线性表示的充分必要条件是r(α1,α2,…,αs)=r(α1,α2,…,αs,β).
设向量组β1,β2,…,βt与向量组α1,α2,…,αs(它们的维数与β1相同),则β1,β2,…,βt可由α1,α2,…,αs线性表示的充分必要条件是r(α1,α2,…,αs)=r(α1,α2,…,αs,β1,β2,…,βt).
显然,当向量组β1,β2,…,βt可由向量组α1,α2,…,αs线性表示时有
r(β1,β2,…,βt)≤r(α1,α2,…,αs);当向量组β1,β2,…,βt与向量组α1,α2,…,αs等价(即可相互线性表示)时有
r(β1,β2,…,βt)=r(α1,α2,…,αs).
例9.1 计算下列各题:
(1)设向量组α1,α2,α3线性无关,且
β1=(k-1)α1+α2+α3,β2=α1+(k+1)α2+α3,β3=-α1-(1+k)α2+(1-k)α3,求使向量组β1,β2,β3线性无关的k的值.
(2)已知向量组(Ⅰ):α1=(1,0,2)T,α2=(1,1,3)T,α3=(1,-1,a+2)T和向量组(Ⅱ):β1=(1,2,a+3)T,β2=(2,1,a+6)T,β3=(2,1,a+4)T,求使(Ⅰ)与(Ⅱ)等价的a的值.
精确 (1)由于α1,α2,α3线性无关,所以使β1,β2,β3线性无关的k的值应满足r(β1,β2,β3)=3,即为
所以k≠2,且k≠±2.
(2)由(Ⅰ)与(Ⅱ)等价知
r(α1,α2,α3)=r(β1,β2,β3).
对(β1,β2,β3)施行初等行变换得
所以 r(Ⅱ)=3.
对(α1,α2,α3)施行初等行变换得
所以,由r(α1,α2,α3)=r(Ⅱ)=3,得a+1≠0,从而a≠-1.
例9.2 (1)设向量组α1=(1,0,1)T,α2=(0,1,1)T,α3=(1,3,5)T不能由向量组β1=(1,1,1)T,β2=(1,2,3)T,β3=(3,4,a)T线性表示,求a的值.
(2)已知向量组α1=(1,0,2,4)T,α2=(1,1,3,0)T,α3=(2,1,a+2,4)T,α4=(2,-1,3,a+7)T,β1=(3,-1,a+6,a+11)T,β2=(0,1,2,a)T.如果β1可由α1,α2,α3,α4线性表示,但β2不能由α1,α2,α3,α4线性表示,求a的值.
精解 (1)由向量组α1,α2,α3不能由β1,β2,β3线性表示知
r(β1,β2,β3)<r(β1,β2,β3,α1,α2,α3). (1)
对(β1,β2,β3,α1,α2,α3)施行初等行变换:
所以,由式(1)得 a-5=0,即a=5(此时r(β1,β2,β3)=2,r(β1,β2,β3,α1,α2,α3)=3).
(2)由β1可由α1,α2,α3,α4线性表示知
r(α1,α2,α3,α4)=r(α1,α2,α3,α4,β1); (2)
由β2不可由α1,α2,α3,α4线性表示知
r(α1,α2,α3,α4)<r(α1,α2,α3,α4,β2). (3)
对(α1,α2,α3,α4,β1,β2)施行初等行变换:
所以,由式(2)得a≠3;由式(3)得a=3,5.综合上述两种情形知,β1可由α1,α2,α3,α4
线性表示,β2不能由α1,α2,α3,α4线性表示时,a=5.
例9.3(单项选择题) 设α1,α2,…,αs均为n维列向量,A是m×n矩阵,则下列命题正确的是
(A)若α1,α2,…,αs线性相关,则Aα1,Aα2,…,Aαs线性相关.
(B)若α1,α2,…,αs线性相关,则Aα1,Aα2,…,Aαs线性无关.
(C)若α1,α2,…,αs线性无关,则Aα1,Aα2,…,Aαs线性相关.
(D)若α1,α2,…,αs线性无关,则Aα1,Aα2,…,Aαs线性无关.(www.daowen.com)
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精解 用定义判定正确的选项.
设α1,α2,…,αs线性相关,则存在一组不全为零的常数λ1,λ2,…,λs,使得λ1α1+λ2α2+…+λsαs=0,从而
λ1Aα1+λ2Aα2+…+λsAαs=A(λ1α1+λ2α2+…+λsαs)=0,所以Aα1,Aα2,…,Aαs线性相关.
因此本题选(A).
例9.4(单项选择题) 设A,B为满足AB=O的任意两个非零矩阵,则必有
(A)A的列向量组线性相关,B的行向量组线性相关.
(B)A的列向量组线性相关,B的列向量组线性相关.
(C)A的行向量组线性相关,B的行向量组线性相关.
(D)A的行向量组线性相关,B的列向量组线性相关.
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精解 记A=(α1,α2,…,αs)(α1,α2,…,αs是A的列向量组),由于B≠O,所以不妨设
中的第1列是非零列,则由AB=O知,存在不全为零的数b11,b21,…,bs1,使得
b11α1+b21α2+…+bs1αs=0.由此推出A的列向量组线性相关.
由AB=O得BTAT=O.同样可证BT的列向量组线性相关,即B的行向量组线性相关.
因此本题选(A).
例9.5(单项选择题) 设向量组(Ⅰ):α1,α2,…,αr可由向量组(Ⅱ):β1,β2,…,βs线性表示,则
(A)若(Ⅰ)线性无关,则r≤s.
(B)若(Ⅰ)线性相关,则r>s.
(C)若(Ⅱ)线性无关,则r≤s.
(D)若(Ⅱ)线性相关,则r>s.
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精解 设(Ⅰ)线性无关,则r(α1,α2,…,αr)=r.于是由(Ⅰ)可由(Ⅱ)线性表示知r(α1,α2,…,αr)≤r(β1,β2,…,βs)≤s.由此推得r≤s.
因此本题选(A).
例9.6(单项选择题) 设n维列向量组α1,α2,…,αm(m<n)线性无关,则n维列向量组β1,β2,…,βm也线性无关的充分必要条件是
(A)向量组α1,α2,…,αm可由向量组β1,β2,…,βm线性表示.
(B)向量组β1,β2,…,βm可由向量组α1,α2,…,αm线性表示.
(C)向量组α1,α2,…,αm与向量组β1,β2,…,βm等价.
(D)矩阵A=(α1,α2,…,αm)与矩阵B=(β1,β2,…,βm)等价.
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精解 由于两个n×m矩阵A与B等价的充分必要条件是r(A)=r(B),故从选项(D)入手考虑.
β1,β2,…,βm线性无关的充分必要条件是r(B)=r(β1,β2,…,βm)=m.由于α1,α2,…,αm线性无关,所以上述的充分必要条件是r(A)=r(B),即n×m矩阵A与B等价.
因此本题选(D).
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