Линейная зависимость и линейная независимость системы векторов

Линейная зависимость и линейная независимость системы векторов

Система векторов , называется линейно зависимой, если существуют такие числа , среди которых хотя бы одно отлично от нуля, что выполняется равенство +…+.

Если же это равенство выполняется только в том случае, когда все , то система векторов называется линейно независимой.

Теорема. Система векторов , будет линейно зависимой тогда и только тогда, когда хотя бы один из ее векторов является линейной комбинацией остальных.

Пример 1. Многочлен является линейной комбинацией многочленов с коэффициентами . Многочлены составляют линейно независимую систему, так как многочлен является нулевым только в том случае, когда .

Пример 2. Система матриц , , , является линейно независимой, так как линейная комбинация равна нулевой матрице только в том случае, когда .

Пример 3. Даны векторы , , . Выяснить, будет ли система векторов линейно зависимой.

Решение.

Составим линейную комбинацию данных векторов и приравняем её к нулю, т. е. =0. Распишем последнее равенство в координатах ,

или .

Приравнивая одноименные координаты равных векторов, получаем

Полученную систему уравнений решим методом Гаусса

Окончательно получим

и

Система имеет единственное тривиальное решение, поэтому линейная комбинация данных векторов равна нулю только в случае, когда все коэффициенты равны нулю. Поэтому данная система векторов линейно независима.

Пример 4. Векторы линейно независимы. Какими будут системы векторов

a).  ;

b).  ?

Решение.

a).  Составим линейную комбинацию и приравняем её к нулю

Используя свойства операций с векторами в линейном пространстве, перепишем последнее равенство в виде

(*)

Так как векторы линейно независимы, то коэффициенты при должны быть равны нулю, т. е.

Полученная система уравнений имеет единственное тривиальное решение .

Так как равенство (*) выполняется только при , то векторы – линейно независимы;

b).  Составим равенство или (**)

Применяя аналогичные рассуждения, получим

Решая систему уравнений методом Гаусса, получим

или

Последняя система имеет бесконечное множество решений . Среди этого множества решений можно выделить, например, такое решение: . Таким образом, существует, ненулевой набор коэффициентов, для которого выполняется равенство (**). Следовательно, система векторов – линейно зависима.

Пример 5 Система векторов линейно независима, а система векторов линейно зависима. Доказать, что вектор является линейной комбинацией векторов .

Решение. Так как система векторов линейно зависима, то найдутся такие числа , хотя бы одно из которых отлично от нуля, что имеет место равенство

(***)

В равенстве (***) . Действительно, при система была бы линейно зависимой.

Из соотношения (***) получаем или Обозначим .

Получим

Задачи для самостоятельного решения (в аудитории)

1.  Система, содержащая нулевой вектор, линейно зависима.

2.  Система, состоящая из одного вектора а, линейно зависима тогда и только тогда, когда, а=0.

3.  Система, состоящая из двух векторов, линейно зависима тогда и только тогда, когда, векторы пропорциональны (т. е. один из них получается из другого умножением на число).

4.  Если к линейно зависимой системе добавить вектор, то получится линейно зависимая система.

5.  Если из линейно независимой системы удалить вектор, то полученная система векторов линейна независима.

6.  Если система S линейно независима, но становится линейно зависимой при добавлении вектора b, то вектор b линейно выражается через векторы системы S.

7.  Если векторы линейно независимы и вектор не является их линейной комбинацией, то система векторов линейно независима.

8.  Доказать, что в пространстве линейно независимы следующие системы векторов:

a).  е1=(1, 0, 0, …, 0), е2=(0, 1, 0, …, 0), …, еn=(0, 0, 0, …, 1)

b).  f1=(1, 1, 1, …, 1), f2=(0, 1, 1, …, 1), …, fn=(0, 0, 0, …, 1).

9.  Установить линейную зависимость или независимость следующих систем векторов в соответствующих векторных пространствах:

a).  Система векторов a1=(2,–9,1), a2=(2,–2,–3), a3=(‑1,‑2,3) трёхмерного пространства.

b).  Система векторов a1=(1, 1, 1, 0, 0), a2=(1, 0, 1, 0, 1), a3=(1, 0, 0, 1, 0) арифметического пространства .

c).  Система матриц , , в пространстве матриц второго порядка.

10.  Пусть система векторов a, b, c векторного пространства линейно независима. Докажите линейную независимость следующих систем векторов:

a).  a+b, b, c.

b).  a+b, b, c, где – произвольное число

c).  a+b, a+c, b+c.

11.  Пусть a, b, c – три вектора на плоскости, из которых можно сложить треугольник. Будут ли эти векторы линейно зависимы?

12.  Даны два вектора a1=(1, 2, 3, 4), a2=(0, 0, 0, 1). Подобрать ещё два четырёхмерных вектора a3 и a4 так, чтобы система a1, a2, a3, a4 была линейно независимой.