线性无关

在线性代数里,向量空间的一组元素中,若没有向量可用有限个其他向量的线性组合所表示,则称为线性无关或线性独立(linearly independent),反之称为线性相关(linearly dependent)。例如在三维欧几里得空间ReferenceError: katex is not defined的三个向量(1, 0, 0),(0, 1, 0)和(0, 0, 1)线性无关。但(2, −1, 1),(1, 0, 1)和(3, −1, 2)线性相关,因为第三个是前两个的和。

定义

假设V是在域K上的向量空间。如果ReferenceError: katex is not defined 是V的向量,称它们为线性相关,如果从域K 中有非全零的元素ReferenceError: katex is not defined,使得

ReferenceError: katex is not defined
或更简略地表示成,

ReferenceError: katex is not defined
(注意右边的零是V的零向量,不是K的零元。)

如果K中不存在这样的元素,那么ReferenceError: katex is not defined是线性无关。

对线性无关可以给出更直接的定义。向量ReferenceError: katex is not defined无关,当且仅当它们满足以下条件:如果ReferenceError: katex is not defined是K的元素,适合:

ReferenceError: katex is not defined
那么对所有i = 1, 2, …, n都有ReferenceError: katex is not defined= 0。

在V中的一个无限集,如果它任何一个有限子集都是线性无关,那么原来的无限集也是线性无关。

线性相关性是线性代数的重要概念,因为线性无关的一组向量可以生成一个向量空间,而这组向量则是这向量空间的基。

相关性

  • 含有零向量的向量组,必定线性相关。
    若有向量组ReferenceError: katex is not defined,其中ReferenceError: katex is not defined,则ReferenceError: katex is not defined
  • 含有两个相等向量的向量组,必定线性相关。
    若有向量组ReferenceError: katex is not defined,其中ReferenceError: katex is not defined,则ReferenceError: katex is not defined
  • 若一向量组相关,则加上任意个向量后,仍然线性相关;即局部线性相关,整体必线性相关。
  • 整体线性无关,局部必线性无关。
  • 向量个数大于向量维数,则此向量组线性相关。
  • 若一向量组线性无关,即使每一向量都在同一位置处增加一分量,仍然线性无关。
  • 若一向量组线性相关,即使每一向量都在同一位置处减去一分量,仍然线性相关。
  • ReferenceError: katex is not defined线性无关,而ReferenceError: katex is not defined线性相关,则b必可由 ReferenceError: katex is not defined线性表示,且表示系数唯一。
  • 有向量组ReferenceError: katex is not definedReferenceError: katex is not defined,其中t>s,且 ReferenceError: katex is not defined 中每个向量都可由 ReferenceError: katex is not defined 线性表示,则向量组ReferenceError: katex is not defined必线性相关。即向量个数多的向量组,若可被向量个数少的向量组线性表示,则向量个数多的向量组必线性相关。
  • 若一向量组ReferenceError: katex is not defined可由向量组ReferenceError: katex is not defined线性表示,且ReferenceError: katex is not defined线性无关,则ReferenceError: katex is not defined。即线性无关的向量组,无法以向量个数较少的向量组线性表示。

例子1

ReferenceError: katex is not defined,考虑V内的以下元素:
ReferenceError: katex is not defined
ReferenceError: katex is not defined是线性无关的。

证明
假设ReferenceError: katex is not defined是R中的元素,使得:

ReferenceError: katex is not defined
由于

ReferenceError: katex is not defined
因此对于{1, …, n}内的所有i,都有ReferenceError: katex is not defined = 0。

例子2

设V是实变量t的所有函数的向量空间。则V内的函数et和e2t是线性无关的。

证明
假设a和b是两个实数,使得对于所有的t,都有:

ReferenceError: katex is not defined
我们需要证明a = 0且b = 0。我们把等式两边除以ReferenceError: katex is not defined(它不能是零),得:

ReferenceError: katex is not defined
也就是说,函数ReferenceError: katex is not defined与t一定是独立的,这只能在b = 0时出现。可推出a也一定是零。

例子3

R4内的以下向量是线性相关的。

ReferenceError: katex is not defined
证明
我们需要求出标量ReferenceError: katex is not defined,使得:

ReferenceError: katex is not defined
可以形成以下的方程组:

ReferenceError: katex is not defined
解这个方程组(例如使用高斯消元法),可得:

ReferenceError: katex is not defined
由于它们都是非平凡解,因此这些向量是线性相关的。

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