线代第三章向量第三节:向量间的线性关系二

一、线性相关与线性无关的定义

设 α1​,α2​,...,αs​ 是一组 n 维向量,考虑齐次线性组合:

其中 k1​,k2​,...,ks​ 是一组实数。

1. 线性相关

若存在一组 不全为零 的实数 k1​,k2​,...,ks​,使得上述等式成立,则称向量组 α1​,α2​,...,αs​ 线性相关 。

2. 线性无关

若只有当 k1​=k2​=⋯=ks​=0 时 ,上述齐次线性组合等式才成立,则称向量组 α1​,α2​,...,αs​ 线性无关。

  1. 两向量成比例则组相关若向量组中存在两个向量成比例(如α1​=kα2​),则这两个向量线性相关,进而整个向量组线性相关。

  2. 含零向量的组必相关取零向量对应的系数为 1、其余向量系数为 0(非零组合),可使线性组合为零向量,故含零向量的任意向量组必线性相关。

  3. 单独零向量必相关取系数k=1(非零),满足k⋅0=0,故单独一个零向量线性相关。

  4. 单独非零向量必无关 若kα=0且α0,则只有k=0,故单独一个非零向量线性无关。

  5. 单独向量相关⟺该向量是零向量结合 "3、4",单独向量的相关性等价于其是否为零向量。

  6. 部分组与整体组的关系

    • 部分组相关⟹整体组相关(添加向量不改变相关性);
    • 整体组无关⟹部分组无关(删减向量不改变无关性)。
  7. 接长 / 截短向量组的关系

    • 无关向量组 "接长"(给每个向量增加分量)后仍无关(约束更多,仅零解);
    • 相关向量组 "截短"(给每个向量减少分量)后仍相关(原非零解仍满足截短后的方程组)。
  8. **n 个 n 维向量的相关性(行列式判定)**n 个 n 维向量构成的矩阵行列式为D:

    • D0⟺向量组线性无关(矩阵满秩);
    • D=0⟺向量组线性相关(矩阵秩不足)。

二、核心定理(线性相关 / 无关的关键性质)

  1. 定理 1:线性相关的等价条件 向量组α1​,...,αs​线性相关 ⟺ 该组中至少存在一个向量,可由其余s−1个向量线性表示。

    • 证明思路:由线性相关的定义(存在不全为零的系数k1,...,ks,使k1α1+⋯+ksαs=0),取其中一个非零系数对应的向量,即可将其表示为其余向量的线性组合。
  2. 定理 2:无关组的表示唯一性 若α1​,...,αs​线性无关,且α1​,...,αs​,β线性相关,则β可由α1​,...,αs​唯一线性表示。

三、替换定理(向量组个数的约束关系)

该定理是判断向量组相关性的重要工具:

  • 若α1,...,αs线性无关,且可由β1,...,βt线性表示,则 **s≤t**;
  • 反之,若α1,...,αs可由β1,...,βt表示且 **s>t**,则α1,...,αs必线性相关。

四、推论(等价无关组的性质)

两个等价的线性无关向量组,所含向量的个数必相同。

内容来源-B站宋浩老师

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