线性代数同济大学第四版习题答案.docx
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线性代数同济大学第四版习题答案
第四章 向量组的线性相关性
1.设v1=(1,1,0)T,v2=(0,1,1)T,v3=(3,4,0)T,求v1-v2及3v1+2v2-v3.
解v1-v2=(1,1,0)T-(0,1,1)T
=(1-0,1-1,0-1)T
=(1,0,-1)T.
3v1+2v2-v3=3(1,1,0)T+2(0,1,1)T-(3,4,0)T
=(3⨯1+2⨯0-3,3⨯1+2⨯1-4,3⨯0+2⨯1-0)T
=(0,1,2)T.
2.设3(a1-a)+2(a2+a)=5(a3+a),求a,其中a1=(2,5,1,3)T,
a2=(10,1,5,10)T,a3=(4,1,-1,1)T.
解由3(a1-a)+2(a2+a)=5(a3+a)整理得
=(1,2,3,4)T.
3.已知向量组
A:
a1=(0,1,2,3)T,a2=(3,0,1,2)T,a3=(2,3,0,1)T;
B:
b1=(2,1,1,2)T,b2=(0,-2,1,1)T,b3=(4,4,1,3)T,
证明B组能由A组线性表示,但A组不能由B组线性表示.
证明由
知R(A)=R(A,B)=3,所以B组能由A组线性表示.
由
知R(B)=2.因为R(B)≠R(B,A),所以A组不能由B组线性表示.
4.已知向量组
A:
a1=(0,1,1)T,a2=(1,1,0)T;
B:
b1=(-1,0,1)T,b2=(1,2,1)T,b3=(3,2,-1)T,
证明A组与B组等价.
证明由
知R(B)=R(B,A)=2.显然在A中有二阶非零子式,故R(A)≥2,又R(A)≤R(B,A)=2,所以R(A)=2,从而R(A)=R(B)=R(A,B).因此A组与B组等价.
5.已知R(a1,a2,a3)=2,R(a2,a3,a4)=3,证明
(1)a1能由a2,a3线性表示;
(2)a4不能由a1,a2,a3线性表示.
证明
(1)由R(a2,a3,a4)=3知a2,a3,a4线性无关,故a2,a3也线性无关.又由R(a1,a2,a3)=2知a1,a2,a3线性相关,故a1能由a2,a3线性表示.
(2)假如a4能由a1,a2,a3线性表示,则因为a1能由a2,a3线性表示,故a4能由a2,a3线性表示,从而a2,a3,a4线性相关,矛盾.因此a4不能由a1,a2,a3线性表示.
6.判定下列向量组是线性相关还是线性无关:
(1)(-1,3,1)T,(2,1,0)T,(1,4,1)T;
(2)(2,3,0)T,(-1,4,0)T,(0,0,2)T.
解
(1)以所给向量为列向量的矩阵记为A.因为
所以R(A)=2小于向量的个数,从而所给向量组线性相关.
(2)以所给向量为列向量的矩阵记为B.因为
所以R(B)=3等于向量的个数,从而所给向量组线性相无关.
7.问a取什么值时下列向量组线性相关?
a1=(a,1,1)T,a2=(1,a,-1)T,a3=(1,-1,a)T.
解以所给向量为列向量的矩阵记为A.由
知,当a=-1、0、1时,R(A)<3,此时向量组线性相关.
8.设a1,a2线性无关,a1+b,a2+b线性相关,求向量b用a1,a2线性表示的表示式.
解因为a1+b,a2+b线性相关,故存在不全为零的数λ1,λ2使
λ1(a1+b)+λ2(a2+b)=0,
由此得
设
则
b=ca1-(1+c)a2,c∈R.
9.设a1,a2线性相关,b1,b2也线性相关,问a1+b1,a2+b2是否一定线性相关?
试举例说明之.
解不一定.
例如,当a1=(1,2)T,a2=(2,4)T,b1=(-1,-1)T,b2=(0,0)T时,有
a1+b1=(1,2)T+b1=(0,1)T,a2+b2=(2,4)T+(0,0)T=(2,4)T,
而a1+b1,a2+b2的对应分量不成比例,是线性无关的.
10.举例说明下列各命题是错误的:
(1)若向量组a1,a2,⋅⋅⋅,am是线性相关的,则a1可由a2,⋅⋅⋅,am线性表示.
解设a1=e1=(1,0,0,⋅⋅⋅,0),a2=a3=⋅⋅⋅=am=0,则a1,a2,⋅⋅⋅,am线性相关,但a1不能由a2,⋅⋅⋅,am线性表示.
(2)若有不全为0的数λ1,λ2,⋅⋅⋅,λm使
λ1a1+⋅⋅⋅+λmam+λ1b1+⋅⋅⋅+λmbm=0
成立,则a1,a2,⋅⋅⋅,am线性相关,b1,b2,⋅⋅⋅,bm亦线性相关.
解有不全为零的数λ1,λ2,⋅⋅⋅,λm使
λ1a1+⋅⋅⋅+λmam+λ1b1+⋅⋅⋅+λmbm=0,
原式可化为
λ1(a1+b1)+⋅⋅⋅+λm(am+bm)=0.
取a1=e1=-b1,a2=e2=-b2,⋅⋅⋅,am=em=-bm,其中e1,e2,⋅⋅⋅,em为单位坐标向量,则上式成立,而a1,a2,⋅⋅⋅,am和b1,b2,⋅⋅⋅,bm均线性无关.
(3)若只有当λ1,λ2,⋅⋅⋅,λm全为0时,等式
λ1a1+⋅⋅⋅+λmam+λ1b1+⋅⋅⋅+λmbm=0
才能成立,则a1,a2,⋅⋅⋅,am线性无关,b1,b2,⋅⋅⋅,bm亦线性无关.
解由于只有当λ1,λ2,⋅⋅⋅,λm全为0时,等式
由λ1a1+⋅⋅⋅+λmam+λ1b1+⋅⋅⋅+λmbm=0
成立,所以只有当λ1,λ2,⋅⋅⋅,λm全为0时,等式
λ1(a1+b1)+λ2(a2+b2)+⋅⋅⋅+λm(am+bm)=0
成立.因此a1+b1,a2+b2,⋅⋅⋅,am+bm线性无关.
取a1=a2=⋅⋅⋅=am=0,取b1,⋅⋅⋅,bm为线性无关组,则它们满足以上条件,但a1,a2,⋅⋅⋅,am线性相关.
(4)若a1,a2,⋅⋅⋅,am线性相关,b1,b2,⋅⋅⋅,bm亦线性相关,则有不全为0的数,λ1,λ2,⋅⋅⋅,λm使
λ1a1+⋅⋅⋅+λmam=0,λ1b1+⋅⋅⋅+λmbm=0
同时成立.
解a1=(1,0)T,a2=(2,0)T,b1=(0,3)T,b2=(0,4)T,
λ1a1+λ2a2=0⇒λ1=-2λ2,
λ1b1+λ2b2=0⇒λ1=-(3/4)λ2,
⇒λ1=λ2=0,与题设矛盾.
11.设b1=a1+a2,b2=a2+a3,b3=a3+a4,b4=a4+a1,证明向量组b1,b2,b3,b4线性相关.
证明由已知条件得
a1=b1-a2,a2=b2-a3,a3=b3-a4,a4=b4-a1,
于是a1=b1-b2+a3
=b1-b2+b3-a4
=b1-b2+b3-b4+a1,
从而b1-b2+b3-b4=0,
这说明向量组b1,b2,b3,b4线性相关.
12.设b1=a1,b2=a1+a2,⋅⋅⋅,br=a1+a2+⋅⋅⋅+ar,且向量组a1,a2,⋅⋅⋅,ar线性无关,证明向量组b1,b2,⋅⋅⋅,br线性无关.
证明已知的r个等式可以写成
上式记为B=AK.因为|K|=1≠0,K可逆,所以R(B)=R(A)=r,从而向量组b1,b2,⋅⋅⋅,br线性无关.
13.求下列向量组的秩,并求一个最大无关组:
(1)a1=(1,2,-1,4)T,a2=(9,100,10,4)T,a3=(-2,-4,2,-8)T;
解 由
知R(a1,a2,a3)=2.因为向量a1与a2的分量不成比例,故a1,a2线性无关,所以a1,a2是一个最大无关组.
(2)a1T=(1,2,1,3),a2T=(4,-1,-5,-6),a3T=(1,-3,-4,-7).
解由
知R(a1T,a2T,a3T)=R(a1,a2,a3)=2.因为向量a1T与a2T的分量不成比例,故a1T,a2T线性无关,所以a1T,a2T是一个最大无关组.
14.利用初等行变换求下列矩阵的列向量组的一个最大无关组:
(1)
;
解因为
所以第1、2、3列构成一个最大无关组.
(2)
.
解因为
所以第1、2、3列构成一个最大无关组.
15.设向量组
(a,3,1)T,(2,b,3)T,(1,2,1)T,(2,3,1)T
的秩为2,求a,b.
解设a1=(a,3,1)T,a2=(2,b,3)T,a3=(1,2,1)T,a4=(2,3,1)T.
因为
而R(a1,a2,a3,a4)=2,所以a=2,b=5.
16.设a1,a2,⋅⋅⋅,an是一组n维向量,已知n维单位坐标向量e1,e2,⋅⋅⋅,en能由它们线性表示,证明a1,a2,⋅⋅⋅,an线性无关.
证法一记A=(a1,a2,⋅⋅⋅,an),E=(e1,e2,⋅⋅⋅,en).由已知条件知,存在矩阵K,使
E=AK.
两边取行列式,得
|E|=|A||K|.
可见|A|≠0,所以R(A)=n,从而a1,a2,⋅⋅⋅,an线性无关.
证法二因为e1,e2,⋅⋅⋅,en能由a1,a2,⋅⋅⋅,an线性表示,所以
R(e1,e2,⋅⋅⋅,en)≤R(a1,a2,⋅⋅⋅,an),
而R(e1,e2,⋅⋅⋅,en)=n,R(a1,a2,⋅⋅⋅,an)≤n,所以R(a1,a2,⋅⋅⋅,an)=n,从而a1,a2,⋅⋅⋅,an线性无关.
17.设a1,a2,⋅⋅⋅,an是一组n维向量,证明它们线性无关的充分必要条件是:
任一n维向量都可由它们线性表示.
证明必要性:
设a为任一n维向量.因为a1,a2,⋅⋅⋅,an线性无关,而a1,a2,⋅⋅⋅,an,a是n+1个n维向量,是线性相关的,所以a能由a1,a2,⋅⋅⋅,an线性表示,且表示式是唯一的.
充分性:
已知任一n维向量都可由a1,a2,⋅⋅⋅,an线性表示,故单位坐标向量组e1,e2,⋅⋅⋅,en能由a1,a2,⋅⋅⋅,an线性表示,于是有
n=R(e1,e2,⋅⋅⋅,en)≤R(a1,a2,⋅⋅⋅,an)≤n,
即R(a1,a2,⋅⋅⋅,an)=n,所以a1,a2,⋅⋅⋅,an线性无关.
18.设向量组a1,a2,⋅⋅⋅,am线性相关,且a1≠0,证明存在某个向量ak(2≤k≤m),使ak能由a1,a2,⋅⋅⋅,ak-1线性表示.
证明因为a1,a2,⋅⋅⋅,am线性相关,所以存在不全为零的数λ1,λ2,⋅⋅⋅,λm,使
λ1a1+λ2a2+⋅⋅⋅+λmam=0,
而且λ2,λ3,⋅⋅⋅,λm不全为零.这是因为,如若不然,则λ1a1=0,由a1≠0知λ1=0,矛盾.因此存在k(2≤k≤m),使
λk≠0,λk+1=λk+2=⋅⋅⋅=λm=0,
于是
λ1a1+λ2a2+⋅⋅⋅+λkak=0,
ak=-(1/λk)(λ1a1+λ2a2+⋅⋅⋅+λk-1ak-1),
即ak能由a1,a2,⋅⋅⋅,ak-1线性表示.
19.设向量组B:
b1,⋅⋅⋅,br能由向量组A:
a1,⋅⋅⋅,as线性表示为
(b1,⋅⋅⋅,br)=(a1,⋅⋅⋅,as)K,其中K为s⨯r矩阵,且A组线性无关.证明B组线性无关的充分必要条件是矩阵K的秩R(K)=r.
证明 令B=(b1,⋅⋅⋅,br),A=(a1,⋅⋅⋅,as),则有B=AK.
必要性:
设向量组B线性无关.
由向量组B线性无关及矩阵秩的性质,有
r=R(B)=R(AK)≤min{R(A),R(K)}≤R(K),
及R(K)≤min{r,s}≤r.
因此R(K)=r.
充分性:
因为R(K)=r,所以存在可逆矩阵C,使
为K的标准形.于是
(b1,⋅⋅⋅,br)C=(a1,⋅⋅⋅,as)KC=(a1,⋅⋅⋅,ar).
因为C可逆,所以R(b1,⋅⋅⋅,br)=R(a1,⋅⋅⋅,ar)=r,从而b1,⋅⋅⋅,br线性无关.
20.设
证明向量组α1,α2,⋅⋅⋅,αn与向量组β1,β2,⋅⋅⋅,βn等价.
证明将已知关系写成
将上式记为B=AK.因为
所以K可逆,故有A=BK-1.由B=AK和A=BK-1可知向量组α1,α2,⋅⋅⋅,αn与向量组β1,β2,⋅⋅⋅,βn可相互线性表示.因此向量组α1,α2,⋅⋅⋅,αn与向量组β1,β2,⋅⋅⋅,βn等价.
21.已知3阶矩阵A与3维列向量x满足A3x=3Ax-A2x,且向量组x,Ax,A2x线性无关.
(1)记P=(x,Ax,A2x),求3阶矩阵B,使AP=PB;
解因为
AP=A(x,Ax,A2x)
=(Ax,A2x,A3x)
=(Ax,A2x,3Ax-A2x)
所以
.
(2)求|A|.
解由A3x=3Ax-A2x,得A(3x-Ax-A2x)=0.因为x,Ax,A2x线性无关,故3x-Ax-A2x≠0,即方程Ax=0有非零解,所以R(A)<3,|A|=0.
22.求下列齐次线性方程组的基础解系:
(1)
;
解 对系数矩阵进行初等行变换,有
于是得
.
取(x3,x4)T=(4,0)T,得(x1,x2)T=(-16,3)T;
取(x3,x4)T=(0,4)T,得(x1,x2)T=(0,1)T.
因此方程组的基础解系为
ξ1=(-16,3,4,0)T,ξ2=(0,1,0,4)T.
(2)
.
解对系数矩阵进行初等行变换,有
于是得
.
取(x3,x4)T=(19,0)T,得(x1,x2)T=(-2,14)T;
取(x3,x4)T=(0,19)T,得(x1,x2)T=(1,7)T.
因此方程组的基础解系为
ξ1=(-2,14,19,0)T,ξ2=(1,7,0,19)T.
(3)nx1+(n-1)x2+⋅⋅⋅+2xn-1+xn=0.
解原方程组即为
xn=-nx1-(n-1)x2-⋅⋅⋅-2xn-1.
取x1=1,x2=x3=⋅⋅⋅=xn-1=0,得xn=-n;
取x2=1,x1=x3=x4=⋅⋅⋅=xn-1=0,得xn=-(n-1)=-n+1;
⋅⋅⋅;
取xn-1=1,x1=x2=⋅⋅⋅=xn-2=0,得xn=-2.
因此方程组的基础解系为
ξ1=(1,0,0,⋅⋅⋅,0,-n)T,
ξ2=(0,1,0,⋅⋅⋅,0,-n+1)T,
⋅⋅⋅,
ξn-1=(0,0,0,⋅⋅⋅,1,-2)T.
23.设
求一个4⨯2矩阵B,使AB=0,且
R(B)=2.
解显然B的两个列向量应是方程组AB=0的两个线性无关的解.因为
所以与方程组AB=0同解方程组为
.
取(x3,x4)T=(8,0)T,得(x1,x2)T=(1,5)T;
取(x3,x4)T=(0,8)T,得(x1,x2)T=(-1,11)T.
方程组AB=0的基础解系为
ξ1=(1,5,8,0)T,ξ2=(-1,11,0,8)T.
因此所求矩阵为
.
24.求一个齐次线性方程组,使它的基础解系为
ξ1=(0,1,2,3)T,ξ2=(3,2,1,0)T.
解显然原方程组的通解为
即
(k1,k2∈R),
消去k1,k2得
此即所求的齐次线性方程组.
25.设四元齐次线性方程组
I:
II:
.
求:
(1)方程I与II的基础解系;
(2)I与II的公共解.
解
(1)由方程I得
.
取(x3,x4)T=(1,0)T,得(x1,x2)T=(0,0)T;
取(x3,x4)T=(0,1)T,得(x1,x2)T=(-1,1)T.
因此方程I的基础解系为
ξ1=(0,0,1,0)T,ξ2=(-1,1,0,1)T.
由方程II得
.
取(x3,x4)T=(1,0)T,得(x1,x2)T=(0,1)T;
取(x3,x4)T=(0,1)T,得(x1,x2)T=(-1,-1)T.
因此方程II的基础解系为
ξ1=(0,1,1,0)T,ξ2=(-1,-1,0,1)T.
(2)I与II的公共解就是方程
III:
的解.因为方程组III的系数矩阵
所以与方程组III同解的方程组为
.
取x4=1,得(x1,x2,x3)T=(-1,1,2)T,方程组III的基础解系为
ξ=(-1,1,2,1)T.
因此I与II的公共解为x=c(-1,1,2,1)T,c∈R.
26.设n阶矩阵A满足A2=A,E为n阶单位矩阵,证明
R(A)+R(A-E)=n.
证明因为A(A-E)=A2-A=A-A=0,所以R(A)+R(A-E)≤n.
又R(A-E)=R(E-A),可知
R(A)+R(A-E)=R(A)+R(E-A)≥R(A+E-A)=R(E)=n,
由此R(A)+R(A-E)=n.
27.设A为n阶矩阵(n≥2),A*为A的伴随阵,证明
.
证明当R(A)=n时,|A|≠0,故有
|AA*|=||A|E|=|A|≠0,|A*|≠0,
所以R(A*)=n.
当R(A)=n-1时,|A|=0,故有
AA*=|A|E=0,
即A*的列向量都是方程组Ax=0的解.因为R(A)=n-1,所以方程组Ax=0的基础解系中只含一个解向量,即基础解系的秩为1.因此R(A*)=1.
当R(A)≤n-2时,A中每个元素的代数余子式都为0,故A*=O,从而R(A*)=0.
28.求下列非齐次方程组的一个解及对应的齐次线性方程组的基础解系:
(1)
;
解对增广矩阵进行初等行变换,有
.
与所给方程组同解的方程为
.
当x3=0时,得所给方程组的一个解η=(-8,13,0,2)T.
与对应的齐次方程组同解的方程为
.
当x3=1时,得对应的齐次方程组的基础解系ξ=(-1,1,1,0)T.
(2)
.
解对增广矩阵进行初等行变换,有
.
与所给方程组同解的方程为
.
当x3=x4=0时,得所给方程组的一个解
η=(1,-2,0,0)T.
与对应的齐次方程组同解的方程为
.
分别取(x3,x4)T=(1,0)T,(0,1)T,得对应的齐次方程组的基础解系
ξ1=(-9,1,7,0)T.ξ2=(1,-1,0,2)T.
29.设四元非齐次线性方程组的系数矩阵的秩为3,已知η1,η2,η3是它的三个解向量.且
η1=(2,3,4,5)T,η2+η3=(1,2,3,4)T,
求该方程组的通解.
解由于方程组中未知数的个数是4,系数矩阵的秩为3,所以对应的齐次线性方程组的基础解系含有一个向量,且由于η1,η2,η3均为方程组的解,由非齐次线性方程组解的结构性质得
2η1-(η2+η3)=(η1-η2)+(η1-η3)=(3,4,5,6)T
为其基础解系向量,故此方程组的通解:
x=k(3,4,5,6)T+(2,3,4,5)T,(k∈R).
30.设有向量组A:
a1=(α,2,10)T,a2=(-2,1,5)T,a3=(-1,1,4)T,及b=(1,β,-1)T,问α,β为何值时
(1)向量b不能由向量组A线性表示;
(2)向量b能由向量组A线性表示,且表示式唯一;
(3)向量b能由向量组A线性表示,且表示式不唯一,并求一般表示式.
解
.
(1)当α=-4,β≠0时,R(A)≠R(A,b),此时向量b不能由向量组A线性表示.
(2)当α≠-4时,R(A)=R(A,b)=3,此时向量组a1,a2,a3线性无关,而向量组a1,a2,a3,b线性相关,故向量b能由向量组A线性表示,且表示式唯一.
(3)当α=-4,β=0时,R(A)=R(A,b)=2,此时向量b能由向量组A线性表示,且表示式不唯一.
当α=-4,β=0时,
方程组(a3,a2,a1)x=b的解为
c∈R.
因此b=(2c+1)a3+(-3c-1)a2+ca1,
即b=ca1+(-3c-1)a2+(2c+1)a3,c∈R.
31.设a=(a1,a2,a3)T,b=(b1,b2,b3)T,c=(c1,
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