‹-- Назад


Линейная зависимость векторов

Введем еще одно очень важное понятие, которое используется не только в алгебре, но и во многих других разделах математики.

        Определение 10.14   Система векторов $ {\bf a}_1,{\bf a}_2,\dots,{\bf a}_k$ называется линейно зависимой, если существует такой набор коэффициентов $ {\alpha}_1,{\alpha}_2,\dots,{\alpha}_k$ , из которых хотя бы один отличен от нуля, что $ {\alpha}_1{\bf a}_1+{\alpha}_2{\bf a}_2+\ldots+{\alpha}_k{\bf a}_k
=0$ .         

Система векторов, которая не является линейно зависимой, называется линейно независимой. Но последнее определение лучше сформулировать по другому.

        Определение 10.15   Система векторов $ {\bf a}_1,{\bf a}_2,\dots,{\bf a}_k$ называется линейно независимой, если равенство $ {\alpha}_1{\bf a}_1+{\alpha}_2{\bf a}_2+\ldots+{\alpha}_k{\bf a}_k
=0$ возможно только при $ {\alpha}_1={\alpha}_2=\ldots={\alpha}_k=0$ .         

Кто плохо понял два последних определения, может получить дополнительные объяснения здесь.

        Предложение 10.6   Система векторов $ {\bf a}_1,{\bf a}_2,\dots,{\bf a}_k$ линейно зависима тогда и только тогда, когда один из векторов системы является линейной комбинацией остальных векторов этой системы.

        Доказательство.     Пусть система векторов линейно зависима. Тогда существует такой набор коэффициентов $ {\alpha}_1,{\alpha}_2,\dots,{\alpha}_k$ , что $ {\alpha}_1{\bf a}_1+{\alpha}_2{\bf a}_2+\ldots+{\alpha}_k{\bf a}_k
=0$ , причем хотя бы один коэффициент отличен от нуля. Предположим, что $ {\alpha}_1\ne0$ . Тогда

$\displaystyle {\bf a}_1=\left(-\frac{{\alpha}_2}{{\alpha}_1}\right){\bf a}_2+\l...
...\right){\bf a}_3+\ldots+\left(-\frac{{\alpha}_k}{{\alpha}_1}\right){\bf a}_k\,,$

то есть $ {\bf a}_1$ является линейной комбинацией остальных векторов системы.

Пусть один из векторов системы является линейной комбинацией остальных векторов. Предположим, что это вектор $ {\bf a}_1$ , то есть $ {{\bf a}_1=\nu_2{\bf a}_2+\ldots+\nu_k{\bf a}_k}$ . Очевидно, что $ {-{\bf a}_1+\nu_2{\bf a}_2+
\ldots+\nu_k{\bf a}_k=0}$ . Получили, что линейная комбинация векторов системы равна нулю, причем один из коэффициентов отличен от нуля (равен $ -1$ ).     

        Предложение 10.7   Если система векторов содержит линейно зависимую подсистему, то вся система линейно зависима.

        Доказательство.    

Пусть в системе векторов $ {\bf a}_1,{\bf a}_2,\dots,{\bf a}_k$ подсистема $ {\bf a}_1,{\bf a}_2,\dots,{\bf a}_m$ , $ {m\leqslant k}$ , является линейно зависимой, то есть $ {\alpha}_1{\bf a}_1+{\alpha}_2{\bf a}_2+\ldots+{\alpha}_m{\bf a}_m=0$ , и хотя бы один коэффициент отличен от нуля. Тогда составим линейную комбинацию $ {\alpha}_1{\bf a}_1+{\alpha}_2{\bf a}_2+\ldots+{\alpha}_m{\bf a}_m+0{\bf a}_{m+1}+\ldots+0{\bf a}_k$ . Очевидно, что эта линейная комбинация равна нулю, и что среди коэффициентов есть ненулевой.     



Упражнение10.4.1. Докажите, что если система векторов линейно независимая, то любая ее подсистема линейно независимая.     

        Предложение 10.8   Система, состоящая из одного вектора, линейно зависима тогда и только тогда, когда этот вектор нулевой.

        Доказательство.     Пусть система состоит из вектора $ {\bf a}_1$ . Линейная комбинация имеет вид $ {\alpha}_1{\bf a}_1$ . Если $ {{\bf a}_1=0}$ , то $ {1\cdot{\bf a}_1=0}$ , то есть система линейно зависима. Если $ {{\alpha}_1{\bf a}_1=0}$ и $ {\alpha}_1\ne0$ , то $ {{\bf a}_1={\alpha}_1^{-1}\cdot 0=0}$ .     

        Предложение 10.9   Система, состоящая из двух векторов, линейно зависима тогда и только тогда, когда эти векторы коллинеарны.

        

Доказательство этого предложения предоставляется читателю. Оно аналогично доказательству следующего предложения.

        Предложение 10.10   Система из трех векторов линейно зависима тогда и только тогда, когда эти векторы компланарны.

        Доказательство.     Пусть векторы $ {\bf a}_1,{\bf a}_2,{\bf a}_3$  -- компланарные. Если $ {\bf a}_1,{\bf a}_2$  -- коллинеарные, то в силу предыдущего предложения они образуют линейно зависимую подсистему системы $ {\bf a}_1,{\bf a}_2,{\bf a}_3$ . По  предложению 10.7 система $ {\bf a}_1,{\bf a}_2,{\bf a}_3$  -- линейно зависима. Если векторы $ {\bf a}_1,{\bf a}_2$ -- неколлинеарные, то по  предложению 10.2 $ {\bf a}_3$ является линейной комбинацией векторов $ {\bf a}_1,{\bf a}_2$ и по  предложению 10.6 система векторов $ {\bf a}_1,{\bf a}_2,{\bf a}_3$  -- линейно зависимая.

Пусть система векторов линейно зависима. По  предложению 10.6 один вектор, скажем $ {\bf a}_1$ , является линейной комбинацией других векторов, $ {\bf a}_2$ и $ {\bf a}_3$ , $ {{\bf a}_1={\alpha}_2{\bf a}_2+{\alpha}_3{\bf a}_3}$ . Правая часть последнего равенства лежит в плоскости, в которой лежат векторы $ {\bf a}_2,{\bf a}_3$ . Поэтому вектор $ {\bf a}_1$ лежит в одной плоскости с векторами $ {\bf a}_2,{\bf a}_3$ , то есть векторы $ {\bf a}_1,{\bf a}_2,{\bf a}_3$  -- компланарные.     

        Предложение 10.11   Четыре вектора всегда образуют линейно зависимую систему.

        Доказательство.     Если первые три вектора являются компланарными, то они образуют линейно зависимую подсистему ( предложение 10.10). Следовательно, вся система линейно зависима ( предложение 10.7). Если первые три вектора -- некомпланарные, то четвертый является их линейной комбинацией ( предложение 10.3). По  предложению 10.6 система является линейно зависимой.     

На основании сказанного дадим другое определение базиса, которое является более распространенным, чем  определение 10.12.

        Определение 10.16   Базисом векторного пространства $ L$ называется такая упорядоченная линейно независимая система векторов, что любой вектор пространства $ L$ раскладывается по векторам этой системы.         

Из  предложений 10.810.11 следует, что это определение эквивалентно определению 10.12.