已知向量组α1,α2,…,αs线性无关,若
β=l1α1+l2α2+…+lsαs,
其中至少有li≠0,证明用β替换αi后所得向量组α1,…,αi-1,β,αi+1…,αs线性无关.
参考答案:证法一 (用定义) 如果k1α1+…+ki-1αi-1+kβ+ki+1αi+1+…+ksαs=0,将已知条件β=l1α1+…+ksαs代入,并整理有
(k1+kl1)α1+(k2+kl2)α2+…+(ki-1+kli-1)αi-1 +kliαi +(ki+1+kli+1)αi+1+…+(ks+kls)αs=0.
由于已知向量组α1,α2,…,αs线性无关,故必有
[*]
由于li≠0,kli=0知k=0,进而知必有 k1=0,k2=0,…,ks=0.
所以向量组α1,…,αi-1,β,αi+1,…,αs线性无关.
证法二 (用秩) 由于α1,…,αi-1,β,αi+1,…,αs可用α1,α2,…,αs线性表出,用矩阵表示有
(α1,…,αi-1,β,αi+1,…,αs)=α1,α2,…,αs)C,
其中[*]
记A=(α1,…,αi-1,β,αi+1,…,αs), B=(α1,α2,…,αs),即A=BC,因为li≠O,C是s阶可逆矩阵,故
r(A)=r(BC)=r(B)=r(α1,…,αs)=s.
所以向量组α1,…,αi-1,β,αi+1,…,αs线性无关.
证法三 (用等价向量组) 令(Ⅰ)α1,α2,…,αs与(Ⅱ)α1,…,αi-1,β,αi+1,…,αs.
由于α1,…,αi-1,αi+1,…,αs∈(Ⅰ),且已知β=∑liαi所以向量组(Ⅱ)可以由向量组(Ⅰ)线件表出.
又因li≠0,有[*]
即αi可以由向量组(Ⅱ)线性表出,进而向量组(Ⅰ)可由向量组(Ⅱ)线性表出.
因此,向量组(Ⅰ)与(Ⅱ)可以互相线性表出,它们有相同的秩,r(Ⅰ)=r(Ⅱ).由于(Ⅰ)线性无关,r(Ⅰ)=s,故 r(Ⅱ)=r(α1,…,αi-1,β,αi+1,…,αs)=s.即向量组(Ⅱ)线性无关.
解析:[*]
评注二 若α1,α2,…αs可以由β1,β2,…,βt线性表出,则秩r(α1,α2,…,αs)≤r(β1,β2,…,βt),那么,当向量组α1,α2,…,αs与向量组β1,β2,…,βt等价时,这两个向量组有相同的秩,要注意的是,两个等价的向量组由于向量的个数不一定相同,因而它们的线性相关性不一定相同.