北京学区房
咱们说的第一个法子,其实是它最根本的那个理儿,也就是从定义出发。这法子有点儿“哲学”,但最扎实。怎么看呢?就是拎出一组向量 $v_1, v_2, \dots, v_n$,然后设想一个线性组合等于零向量:$c_1v_1 + c_2v_2 + \dots + c_nv_n = \mathbf{0}$。这里的 $c_1, c_2, \dots, c_n$ 是一些系数,可能是实数啊,复数啊,看你在哪个域里折腾。这个等式一摆出来,问题就来了:要让这个组合变成零向量,是不是非得把所有这些系数 $c_i$ 都强行按成零 ($c_1=c_2=\dots=c_n=0$) 才行?如果答案是“是,只有这一种可能”,那恭喜你,这组向量就是线性无关的。反过来,你要是能找到哪怕一组不全为零的系数,也能让这等式成立,嘿,那这组向量里头肯定有“冗余”的,它们就是线性相关的。这法子,说白了,就是解一个齐次线性方程组。把向量的各个分量写出来,就能得到一个大大的方程组,未知数就是那些 $c_i$。去解它!看它的解是不是只有那个平凡解 ($c_i$ 全是零)。这招儿,是理解线性无关概念的根本,刚学的时候绕不开,虽然有时候算起来挺烦的,特别是向量维数高、数量多的时候,写那个方程组能写到眼花,但它的意义非凡,是所有后面方法的逻辑起点。
从这个定义出发,咱们换个角度,更高屋建瓴一点儿看。不是解方程组吗?把那些向量 $v_1, v_2, \dots, v_n$ 排排站,以它们为列(或者行,习惯上看哈)整一个矩阵 $A$。比如 $A = [v_1 | v_2 | \dots | v_n]$。那么刚才那个线性组合等于零向量的式子,$c_1v_1 + \dots + c_nv_n = \mathbf{0}$,其实就等价于矩阵 $A$ 乘以那个由系数组成的列向量 $c = [c_1, \dots, c_n]^T$ 等于零向量,即 $Ac = \mathbf{0}$。这下问题来了:这个齐次线性方程组 $Ac = \mathbf{0}$ 有没有非零解?咱们知道,一个齐次线性方程组有非零解当且仅当系数矩阵的秩小于未知数的个数。这里的未知数个数,不就是向量的个数 $n$ 嘛!所以,这组向量线性无关,就等价于方程组 $Ac = \mathbf{0}$ 只有零解,再等价于矩阵 $A$ 的秩等于未知数的个数 $n$。这就是第二种判断方法:构建矩阵,计算它的秩。如果秩等于构成矩阵的向量的个数,那它们就线性无关;如果秩小于向量个数,那就线性相关。这招儿,把问题从解方程组转移到了算矩阵的秩,感觉上更“结构化”了点,看的是整个矩阵的“骨架”有多硬朗,能撑起多大的维度。
然后,有个挺妙但也挺“挑食”的办法,这就是动用行列式!话说回来,行列式这东西,本身就是个数值,它对矩阵的要求可高了——必须是个方阵!也就是说,用这招儿的前提是,你的向量个数 $n$,得恰好等于它们所在的向量空间的维数 $m$。比如,你在三维空间 $R^3$ 里头看三个向量。这会儿,你把这三个三维向量摆成一个 $3 \times 3$ 的方阵。这个方阵的行列式值,能告诉你很多事儿。如果这个行列式不为零,简直就是个痛快的判定:这组向量就是线性无关的!为啥呢?因为行列式不为零等价于矩阵可逆,等价于矩阵的秩满秩(等于矩阵维数 $n$),而这里的维数 $n$ 正好是向量个数,完美契合了上面秩判别法的条件。反过来,如果行列式等于零,那这组向量肯定就线性相关了。所以你看,行列式这招儿,快刀斩乱麻,算一个数就行了,多便捷!但记住它挑食的毛病:只能是向量个数等于维数,也就是排出来的矩阵是方阵时才管用。非方阵?对不起,行列式先生帮不上你。
最后是那个最“接地气”的,动手能力强的办法——行变换!或者叫高斯消元法啥的。这招儿跟第二种秩判别法是孪生兄弟,因为它计算秩的一个主要手段就是行变换。具体怎么弄呢?还是把你的向量们排成一个矩阵,比如按列排。然后开始你的表演:用初等行变换(就是那种交换两行、某一行乘以非零常数、某一行加到另一行上)把这个矩阵化简成阶梯形矩阵或者行最简形矩阵。化简完了,数一数有多少非零行,或者数一数有多少主元(就是每行第一个非零元素)。这些非零行的个数,或者主元的个数,就是这个矩阵的秩。然后,回到第二种方法的逻辑:看这个秩是不是等于你最初向量的个数。如果相等,线性无关;如果小于,线性相关。这法子最大的好处是普适性强,不管你的矩阵是方的扁的长的,都能做行变换,都能算出秩来。虽然过程可能有点儿枯燥,一步一步,得小心别算错,特别是大矩阵,但它是个万能工,基本没有它解决不了的线性无关判断问题。在我刚学那会儿,遇到具体题目,算秩用行变换几乎是标配,踏实,不会漏掉什么情况。
所以你看,判断线性无关,咱们手上有这四把“刷子”:最根本的定义、结构化的秩、特殊情况下的行列式,以及普适实用的行变换算秩。其实后三种方法都是从定义推出来的,也都跟矩阵的秩这个概念紧密相连。理解了秩的本质——它衡量的是向量组能“撑开”的线性空间的维数——很多东西就迎刃而解了。选择哪种方法,纯粹看具体问题:向量少、维数低,可能直接定义解方程组也不难;是方阵且维数不高,行列式快得飞起;一般来说,特别是面对考试或者复杂情况,行变换化简求秩是最稳妥的选择。这四种方法,就像是工具箱里的不同扳手,干活儿的时候,顺手哪个拿哪个,核心是把问题看透。
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