向量組雾消、方程組與線性空間
方程組理論問題
(山東大學(xué),2022)已知兩個(gè)向量組的秩相同,且其中一個(gè)可以被另一個(gè)線性表出,試證明這兩個(gè)向量組等價(jià).
proof
設(shè)與
是秩均為
的向量組,且
可被
線性表出.考慮
與
這兩個(gè)向量組,顯然它們等價(jià),所以
的秩也為
,現(xiàn)設(shè)
是
的一個(gè)極大線性無關(guān)組,則
也是
中的
個(gè)線性無關(guān)的向量,又由
的秩為
,所以
是
的極大線性無關(guān)組,從而
與
等價(jià),由傳遞性知
與
等價(jià),即
與
等價(jià).
(西南大學(xué),2022)設(shè)
均為
列矩陣,證明:
元齊次線性方程組
與
同解當(dāng)且僅當(dāng)
的行向量組等價(jià).
proof
必要性.為了方便,記 ,由于
與
同解,所以
均與
同解,進(jìn)而系數(shù)矩陣
的秩相同,而明顯
的行向量組均可由
的行向量組線性表出,所以結(jié)合例題 22 可知
的行向量組均與
的行向量組等價(jià),由傳遞性,
的行向量組也等價(jià).
充分性.已知 的行向量組等價(jià),所以存在矩陣
,使得
,那么若
滿足
,則有
,若
滿足
,則
,這說明方程組
與
同解.
(電子科技大學(xué),2022)若非齊次線性方程組
有解,齊次線性方程組
有
個(gè)線性無關(guān)解,證明:
有
個(gè)線性無關(guān)解,不存在
個(gè)線性無關(guān)解.
proof
首先設(shè) 為方程組
的一個(gè)特解,
為
的
個(gè)線性無關(guān)解,則
為 的
個(gè)解,若
,即
上述等式兩邊同時(shí)被 作用可得
由于 ,所以
將其代入到(2)式,結(jié)合 線性無關(guān)可得
,進(jìn)而也有
,這說明向量組(1)是方 程組
的
個(gè)線性無關(guān)的解向量.另外,若
存在
個(gè)線性無關(guān)解
,那么
均是導(dǎo)出組 的解,同時(shí)若
,即
根據(jù) 線性無關(guān)可得
,即向量組(3)是
的
個(gè)線性無關(guān)解,這與 已知矛盾.即
不存在
個(gè)線性無關(guān)解.
(重慶大學(xué),2022)設(shè)
是實(shí)矩陣,證明: 線性方程組
有解的充要條件是 向量
與齊次線性方程組
的解空間正交.
proof
必要性.由于方程組 有解,設(shè)解為
,即
,那么對任意滿足
的
,有
即
與齊次線性方程組
的解空間正交.
充分性.由于向量 與齊次線性方程組
的解空間正交,即若
,則有
,這說 明方程組
與
同解,進(jìn)而系數(shù)矩陣的秩相同,那么取轉(zhuǎn)置就有
,所以 線性方程組
有解.
(復(fù)旦大學(xué),2022)設(shè)
為一數(shù)域,
,若線性方程組
和
的解集相同,證明: 存在可逆的
階方陣
,使得
,且
.
proof
由于 和
的解集相同,所以
的 解集也相同,進(jìn)而增廣矩陣的秩相同,即
而明顯 的行向量均為
的行向量,所以前兩者的行向量組均與后者行向量組 等價(jià),根據(jù)傳遞性便知
與
的行向量組等價(jià),現(xiàn)在設(shè)
與
分別為
與
行向量組的極大線性無關(guān),則它們等價(jià),即存在
階可逆矩陣
,使得
進(jìn)而
另外,根據(jù)矩陣的初等變換,還存在 階可逆矩陣
和
,使得
所以
線性空間的交與和
(北京科技大學(xué),2022)設(shè)
),
),其中
\item 求 的基與維數(shù);
\item 將 的基擴(kuò)為
的基.
solution
\item 首先取 的基
,顯然
其中
將矩陣 進(jìn)行初等行變換化為階梯形,有
根據(jù)主元位置可知 為
的極大線性無關(guān)組,即
均可由
線性表出,所以
,也就是
,于是
而明 顯
線性無關(guān),所以
就是
的一組基,
.
\item 取 ,則
其中
將矩陣 進(jìn)行初等行變換化為階梯形,有
由此可知矩陣 可逆,那么
便構(gòu)成
的基.
(同濟(jì)大學(xué),2022)設(shè)向量
![]()
,求
和
的維數(shù)和一組基.
solution
記矩陣 ,將
進(jìn)行初等行變換化為階梯形,有
由此可知 是
的極大線性無關(guān)組,所以也是
的 一組基,進(jìn)而
.
另外,對任意的 ,可設(shè)
那么 ,將此看作關(guān)于
的齊次線性方程組,根據(jù)上 述階梯形可知方程組的通解為
其中 為自由末知量,所以
,這說明
,進(jìn)而
.