向量组、方程组与线性空间
方程组理论问题
(山东大学,2022)已知两个向量组的秩相同,且其中一个可以被另一个线性表出,试证明这两个向量组等价.
proof
设与
是秩均为
的向量组,且
可被
线性表出.考虑
与
这两个向量组,显然它们等价,所以
的秩也为
,现设
是
的一个极大线性无关组,则
也是
中的
个线性无关的向量,又由
的秩为
,所以
是
的极大线性无关组,从而
与
等价,由传递性知
与
等价,即
与
等价.
(西南大学,2022)设
均为
列矩阵,证明:
元齐次线性方程组
与
同解当且仅当
的行向量组等价.
proof
必要性.为了方便,记 ,由于
与
同解,所以
均与
同解,进而系数矩阵
的秩相同,而明显
的行向量组均可由
的行向量组线性表出,所以结合例题 22 可知
的行向量组均与
的行向量组等价,由传递性,
的行向量组也等价.
充分性.已知 的行向量组等价,所以存在矩阵
,使得
,那么若
满足
,则有
,若
满足
,则
,这说明方程组
与
同解.
(电子科技大学,2022)若非齐次线性方程组
有解,齐次线性方程组
有
个线性无关解,证明:
有
个线性无关解,不存在
个线性无关解.
proof
首先设 为方程组
的一个特解,
为
的
个线性无关解,则
为 的
个解,若
,即
上述等式两边同时被 作用可得
由于 ,所以
将其代入到(2)式,结合 线性无关可得
,进而也有
,这说明向量组(1)是方 程组
的
个线性无关的解向量.另外,若
存在
个线性无关解
,那么
均是导出组 的解,同时若
,即
根据 线性无关可得
,即向量组(3)是
的
个线性无关解,这与 已知矛盾.即
不存在
个线性无关解.
(重庆大学,2022)设
是实矩阵,证明: 线性方程组
有解的充要条件是 向量
与齐次线性方程组
的解空间正交.
proof
必要性.由于方程组 有解,设解为
,即
,那么对任意满足
的
,有
即
与齐次线性方程组
的解空间正交.
充分性.由于向量 与齐次线性方程组
的解空间正交,即若
,则有
,这说 明方程组
与
同解,进而系数矩阵的秩相同,那么取转置就有
,所以 线性方程组
有解.
(复旦大学,2022)设
为一数域,
,若线性方程组
和
的解集相同,证明: 存在可逆的
阶方阵
,使得
,且
.
proof
由于 和
的解集相同,所以
的 解集也相同,进而增广矩阵的秩相同,即
而明显 的行向量均为
的行向量,所以前两者的行向量组均与后者行向量组 等价,根据传递性便知
与
的行向量组等价,现在设
与
分别为
与
行向量组的极大线性无关,则它们等价,即存在
阶可逆矩阵
,使得
进而
另外,根据矩阵的初等变换,还存在 阶可逆矩阵
和
,使得
所以
线性空间的交与和
(北京科技大学,2022)设
),
),其中
\item 求 的基与维数;
\item 将 的基扩为
的基.
solution
\item 首先取 的基
,显然
其中
将矩阵 进行初等行变换化为阶梯形,有
根据主元位置可知 为
的极大线性无关组,即
均可由
线性表出,所以
,也就是
,于是
而明 显
线性无关,所以
就是
的一组基,
.
\item 取 ,则
其中
将矩阵 进行初等行变换化为阶梯形,有
由此可知矩阵 可逆,那么
便构成
的基.
(同济大学,2022)设向量
![]()
,求
和
的维数和一组基.
solution
记矩阵 ,将
进行初等行变换化为阶梯形,有
由此可知 是
的极大线性无关组,所以也是
的 一组基,进而
.
另外,对任意的 ,可设
那么 ,将此看作关于
的齐次线性方程组,根据上 述阶梯形可知方程组的通解为
其中 为自由末知量,所以
,这说明
,进而
.