§1 向量组及其线性组合
定义1 n个有次序的数$a_1,a_2,\dots,a_n$所组成的数组称为n维向量,这n个数称为该向量的n个分量,第i个数$a_i$称为第i个分量。
定义2 给定向量组$A:a_1,a_2,\dots,a_m,$对于任何一组实数$k_1,k_2,\dots,k_m,$表达式
称为向量组$A$的一个线性组合,$k_1,k_2,\dots,k_m$称为这个线性组合的系数。
给定向量组$A:a_1,a_2,\dots,a_m$和向量$b$,如果存在一组数$\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_m,$使
则向量$b$是向量组$A$的线性组合,称向量$b$能由向量组$A$线性表示。
定理1 向量$b$能由向量组$A:a_1,a_2,\dots,a_m$线性表示的充分必要条件是矩阵$A=(a_1,a_2,\dots,a_m)$的秩等于矩阵$B=(a_1,a_2\dots,a_m,b)$的秩。
定义3 设有两个向量组$A:a_1,a_2,\dots,a_m$及$B:b_1,b_2,\dots,b_l,$若$B$组中的每个向量都能由向量组$A$线性表示,则称向量组$B$能由向量组$A$线性表示。若向量组$A$与向量组$B$都互相线性表示,则称这两个向量组等价。
定理2 向量组$B:b_1,b_2,\dots,b_l$能由向量组$A:a_1,a_2,\dots,a_m$线性表示的充分必要条件是矩阵$A=(a_1,a_2,\dots,a_m)$的秩等于矩阵$(A,B)=(a_1,\dots,a_m,b_1,\dots,b_l)$的秩,即$R(A)=R(A,B)$。
推论 向量组$A:a_1,a_2,\dots,a_m$与向量组$B:b_1,b_2,\dots,b_l$等价的充分必要条件是
其中$A$和$B$是向量组$A$和$B$所构成的矩阵。
定理3 设向量组$B:b_1,b_2,\dots,b_l$能由向量组$A:a_1,a_2,\dots,a_m$线性表示,则$R(b_1,b_2,\dots,b_l)\leq R(a_1,a_2,\dots,a_m)$。
§2 向量组的线性相关性
定义4 给定向量组$A:a_1,a_2,\dots,a_m,$如果存在不全为零的数$k_1,k_2,\dots,k_m,$使
则称向量组$A$是线性相关的,否则称它线性无关。
定理4 向量组$A:a_1,a_2,\dots,a_m$线性相关的充分必要条件是它所构成的矩阵$A=(a_1,a_2,\dots,a_m)$的秩小于向量个数m;向量组$A$线性无关的充分必要条件是$R(A)=m$。
定理5 (1)若向量组$A:a1,a_2,\dots,a_m$线性相关,则向量组$B:a_1,a_2,\dots,a_m,a{m+1}$也线性相关。反之,若向量组$B$线性无关,则向量组$A$也线性无关。
(2)m个n维向量组成的向量组,当维数n小于向量个数m时一定线性相关。特别地n+1个n维向量一定线性相关。
(3)设向量组$A:a_1,a_2,\dots,a_m$线性无关,而向量组$B:a_1,a_2,\dots,a_m,b$线性相关,则向量$b$必能由向量组$A$线性表示,且表示式是惟一的。