第三章 向量

专题一 向量的基本运算

注意:行列式、逆、伴随矩阵都是方阵

1.向量的定义

称为维行向量,为维列向量。

相当于n维向量的n维坐标,从0点出发。

2.向量加法的定义

向量加法的定义 设,,称为与的和,记作 。

3.向量数乘的定义

向量数乘的定义 设,为常数,称为与的数乘,记作 。

4.向量内积的定义

向量内积的定义 设,,称为与的内积 ,记作。 若,则称与正交。

内积即为一行乘一列。

显然零向量与任意向量均正交。

类比两直线垂直:

垂直条件:

垂直条件的推导过程:

两点:

5.向量长度的定义

设,称为的长度(模),记作。

若,则称为单位向量。点在单位圆上

6.正交矩阵的定义

设为阶矩阵,若或,则称为正交矩阵 。叫做内积

7.正交矩阵的充要条件

为阶正交矩阵

的列(或行)向量组为单位正交的向量组

证明:

由,得

从而

故单位正交

8.正交矩阵的性质

正交矩阵的性质

(1);

证明:,由

(2)若为阶正交矩阵,则均为正交矩阵.

证明:

9.Schmidt正交化的定义

Schmidt 正交化的定义 设向量组 线性无关,令则 两两正交,将其单位化,除以他的模,得

则为单位正交的向量组,

从 到 的过程称为Schmidt 正交化.

专题二 线性表示

1.线性组合的定义

设向量组 ,对任意一组数 ,称 为 的线性组合。

2.线性表示的定义

设向量组 与向量,若存在一组数,使得 ,则称 可由 线性表示。

示例 设,,, ,则 。

3.向量组等价的定义

设向量组(I),向量组(II),若向量组(II)中的每个向量 均可由向量组(I)线性表示,则称向量组(II)可由向量组(I)线性表示。

若向量组(I)与(II)可以相互线性表示 ,则称向量组(I)与(II)等价。

示例 设

向量组(I),

向量组(II),

则

,

故向量组(I)与(II)等价。

4.线性表示的充要条件

非零向量 可由向量组 线性表示

非齐次线性方程组 有解

系数矩阵和增广矩阵

5.向量组等价的充要条件

向量组(I) 与向量组(II)等价

三秩相等,向量组等价

6.线性表示的充分条件

设向量组线性无关,向量组线性相关,则 可由 唯一地线性表示。

7.☆线性表示的求法

设向量 可由向量组 线性表示,对 作初等行变换 ,化为行最简形 矩阵,解得线性表示的系数。

行最简形:每行第一个非零的数为1,1的下方和上方均为0(单位矩阵是行最简形)

专题三 线性相关与线性无关

1.线性相关与线性无关的定义

设向量组,若存在不全为零 的数,使得 则称线性相关,否则称其线性无关.

线性无关的定义:若线性组合为0,则系数全为0

【评注】

(1)向量 线性相关 ;一个向量相关。

向量组 线性相关 对应分量成比例;两个向量相关。

(2)两个向量 线性相关的几何意义 是两个向量共线;

三个向量 线性相关的几何意义是三个向量共面.

2.线性相关的充要条件

向量组线性相关

至少有一个向量可由其余向量线性表示

证明:

齐次线性方程组 有非零解

非零解:能线性表示,不全为0,有非零解

推论 个 维向量 线性相关

3.线性相关的充分条件

(1)含有零向量的向量组线性相关;

证明:

(2)部分相关,则整体相关;

(3)高维相关,则低维相关;

例如:,4维相关,2维相关,

(4)设向量组 可由向量组线性表示,且 ,则 线性相关(即以少表多,则多必相关);

逆否命题:设向量组 线性无关,可由向量组线性表示,则(即无关被表,则个数不多)。(无关向量组)(小于)

推论 个 维向量(即向量维数小于向量个数)线性相关。

例如:任意4个3维向量均可由表示(以少表多)

4.线性无关的充要条件

向量组线性无关

任意向量均不能由其余向量线性表示

齐次线性方程组只有零解

推论 个 维向量 线性无关

5.线性无关的充分条件

(1)整体无关,则部分无关;

(2)低维无关,则高维无关;

(3)不含零向量的正交向量组线性无关;

证明:

(4)不同特征值的特征向量线性无关。

专题四 极大线性无关组与向量组的秩

1.极大线性无关组的定义

设向量组中存在 个向量 线性无关,再加入其余任意向量 就线性相关 (其余向量均可由其线性表示),则称 为 的极大线性无关组。

2.向量组的秩的定义

极大线性无关组中向量的个数 称为向量组的秩。

【评注】 (1)极大线性无关组不唯一 ,若向量组的秩为 ,则任意 个线性无关的向量 均为极大线性无关组;

例如:

均为极大无关组,r=2。2个

(2)矩阵的秩 等于其列向量组的秩 ,也等于其行向量组的秩。

例如:的秩为2

3.极大线性无关组的求法

对 作初等行变换 ,化为行阶梯形矩阵 ,则行阶梯形矩阵中每行第一个非零元素 对应的列向量 构成极大线性无关组

例如:

为极大无关组