Układy liniowo niezale˙zne
Mirosław Sobolewski
Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW
3.wykład z algebry liniowej Warszawa, pa´zdziernik 2016
Definicja
Niech V b ˛edzie przestrzeni ˛a liniow ˛a. Wówczas układ wektorów v1, . . . ,vk ∈ V jestliniowo zale˙znyje´sli istniej ˛a liczby α1, . . . , αk ∈ R, nie wszystkie równe 0, spełniaj ˛ace: α1v1+ · · · + αkvk =0.
Układ wektorów jestliniowo niezale˙znyje´sli nie jest liniowo zale˙zny, czyli je´sli z równo´sci
α1v1+ · · · + αkvk =0 wynika α1= α2= · · · = αk =0. Przykłady
1. Układ wektorów (1, 0, 2), (2, 3, 1), (4, 3, 5) ∈ R3jest liniowo zale˙zny, bo 2(1, 0, 2) + 1(2, 3, 1) + (−1)(4, 3, 5) = (0, 0, 0).
2. Układ (1, 2), (0, 3) ∈ R2jest liniowo niezale˙zny.
3. W przestrzeni Rnniech εi = (0, . . . , 0, 1, 0, . . . , 0), gdzie 1 wyst ˛epuje tylko na i-tym miejscu. Wektory ε1, ε2, . . . , εntworz ˛a układ liniowo niezale˙zny. Nazywamy je wektoramijednostkowymiRn.
Definicja
Niech V b ˛edzie przestrzeni ˛a liniow ˛a. Wówczas układ wektorów v1, . . . ,vk ∈ V jestliniowo zale˙znyje´sli istniej ˛a liczby α1, . . . , αk ∈ R, nie wszystkie równe 0, spełniaj ˛ace: α1v1+ · · · + αkvk =0.
Układ wektorów jestliniowo niezale˙znyje´sli nie jest liniowo zale˙zny, czyli je´sli z równo´sci
α1v1+ · · · + αkvk =0 wynika α1= α2= · · · = αk =0.
Przykłady
1. Układ wektorów (1, 0, 2), (2, 3, 1), (4, 3, 5) ∈ R3jest liniowo zale˙zny, bo 2(1, 0, 2) + 1(2, 3, 1) + (−1)(4, 3, 5) = (0, 0, 0).
2. Układ (1, 2), (0, 3) ∈ R2jest liniowo niezale˙zny.
3. W przestrzeni Rnniech εi = (0, . . . , 0, 1, 0, . . . , 0), gdzie 1 wyst ˛epuje tylko na i-tym miejscu. Wektory ε1, ε2, . . . , εntworz ˛a układ liniowo niezale˙zny. Nazywamy je wektoramijednostkowymiRn.
Definicja
Niech V b ˛edzie przestrzeni ˛a liniow ˛a. Wówczas układ wektorów v1, . . . ,vk ∈ V jestliniowo zale˙znyje´sli istniej ˛a liczby α1, . . . , αk ∈ R, nie wszystkie równe 0, spełniaj ˛ace: α1v1+ · · · + αkvk =0.
Układ wektorów jestliniowo niezale˙znyje´sli nie jest liniowo zale˙zny, czyli je´sli z równo´sci
α1v1+ · · · + αkvk =0 wynika α1= α2= · · · = αk =0.
Przykłady
1. Układ wektorów (1, 0, 2), (2, 3, 1), (4, 3, 5) ∈ R3jest liniowo zale˙zny, bo 2(1, 0, 2) + 1(2, 3, 1) + (−1)(4, 3, 5) = (0, 0, 0).
2. Układ (1, 2), (0, 3) ∈ R2jest liniowo niezale˙zny.
3. W przestrzeni Rnniech εi = (0, . . . , 0, 1, 0, . . . , 0), gdzie 1 wyst ˛epuje tylko na i-tym miejscu. Wektory ε1, ε2, . . . , εntworz ˛a układ liniowo niezale˙zny. Nazywamy je wektoramijednostkowymiRn.
Definicja
Niech V b ˛edzie przestrzeni ˛a liniow ˛a. Wówczas układ wektorów v1, . . . ,vk ∈ V jestliniowo zale˙znyje´sli istniej ˛a liczby α1, . . . , αk ∈ R, nie wszystkie równe 0, spełniaj ˛ace: α1v1+ · · · + αkvk =0.
Układ wektorów jestliniowo niezale˙znyje´sli nie jest liniowo zale˙zny, czyli je´sli z równo´sci
α1v1+ · · · + αkvk =0 wynika α1= α2= · · · = αk =0.
Przykłady
1. Układ wektorów (1, 0, 2), (2, 3, 1), (4, 3, 5) ∈ R3jest liniowo zale˙zny, bo 2(1, 0, 2) + 1(2, 3, 1) + (−1)(4, 3, 5) = (0, 0, 0).
2. Układ (1, 2), (0, 3) ∈ R2jest liniowo niezale˙zny.
3. W przestrzeni Rnniech εi = (0, . . . , 0, 1, 0, . . . , 0), gdzie 1 wyst ˛epuje tylko na i-tym miejscu. Wektory ε1, ε2, . . . , εntworz ˛a układ liniowo niezale˙zny. Nazywamy je wektoramijednostkowymiRn.
Definicja
Niech V b ˛edzie przestrzeni ˛a liniow ˛a. Wówczas układ wektorów v1, . . . ,vk ∈ V jestliniowo zale˙znyje´sli istniej ˛a liczby α1, . . . , αk ∈ R, nie wszystkie równe 0, spełniaj ˛ace: α1v1+ · · · + αkvk =0.
Układ wektorów jestliniowo niezale˙znyje´sli nie jest liniowo zale˙zny, czyli je´sli z równo´sci
α1v1+ · · · + αkvk =0 wynika α1= α2= · · · = αk =0.
Przykłady
1. Układ wektorów (1, 0, 2), (2, 3, 1), (4, 3, 5) ∈ R3jest liniowo zale˙zny, bo 2(1, 0, 2) + 1(2, 3, 1) + (−1)(4, 3, 5) = (0, 0, 0).
2. Układ (1, 2), (0, 3) ∈ R2jest liniowo niezale˙zny.
3. W przestrzeni Rnniech εi = (0, . . . , 0, 1, 0, . . . , 0), gdzie 1 wyst ˛epuje tylko na i-tym miejscu. Wektory ε1, ε2, . . . , εntworz ˛a układ liniowo niezale˙zny. Nazywamy je wektoramijednostkowymiRn.
Uwagi
Przyjmujemy, ˙ze układ pusty jest liniowo niezale˙zny.
Twierdzenie
Układ zło˙zony z jednego wektora v ∈ V jest liniowo zale˙zny tylko je´sli v =0.
Twierdzenie
Podukład układu liniowo niezale˙znego jest te˙z liniowo niezale˙zny. Twierdzenie
Je´sli układ ma co najmniej 2 wektory to jest liniowo zale˙zny tylko wtedy je´sli jeden z wektorów układu jest kombinacj ˛a liniow ˛a pozostałych . Twierdzenie
Układ niezerowych wektorów v1,v2, . . . ,vk , z których ˙zaden nie jest kombinacj ˛a liniow ˛a poprzednich, jest liniowo niezale˙zny.
Uwagi
Przyjmujemy, ˙ze układ pusty jest liniowo niezale˙zny.
Twierdzenie
Układ zło˙zony z jednego wektora v ∈ V jest liniowo zale˙zny tylko je´sli v =0.
Twierdzenie
Podukład układu liniowo niezale˙znego jest te˙z liniowo niezale˙zny.
Twierdzenie
Je´sli układ ma co najmniej 2 wektory to jest liniowo zale˙zny tylko wtedy je´sli jeden z wektorów układu jest kombinacj ˛a liniow ˛a pozostałych . Twierdzenie
Układ niezerowych wektorów v1,v2, . . . ,vk , z których ˙zaden nie jest kombinacj ˛a liniow ˛a poprzednich, jest liniowo niezale˙zny.
Uwagi
Przyjmujemy, ˙ze układ pusty jest liniowo niezale˙zny.
Twierdzenie
Układ zło˙zony z jednego wektora v ∈ V jest liniowo zale˙zny tylko je´sli v =0.
Twierdzenie
Podukład układu liniowo niezale˙znego jest te˙z liniowo niezale˙zny.
Twierdzenie
Je´sli układ ma co najmniej 2 wektory to jest liniowo zale˙zny tylko wtedy je´sli jeden z wektorów układu jest kombinacj ˛a liniow ˛a pozostałych .
Twierdzenie
Układ niezerowych wektorów v1,v2, . . . ,vk , z których ˙zaden nie jest kombinacj ˛a liniow ˛a poprzednich, jest liniowo niezale˙zny.
Uwagi
Przyjmujemy, ˙ze układ pusty jest liniowo niezale˙zny.
Twierdzenie
Układ zło˙zony z jednego wektora v ∈ V jest liniowo zale˙zny tylko je´sli v =0.
Twierdzenie
Podukład układu liniowo niezale˙znego jest te˙z liniowo niezale˙zny.
Twierdzenie
Je´sli układ ma co najmniej 2 wektory to jest liniowo zale˙zny tylko wtedy je´sli jeden z wektorów układu jest kombinacj ˛a liniow ˛a pozostałych . Twierdzenie
Układ niezerowych wektorów v1,v2, . . . ,vk , z których ˙zaden nie jest kombinacj ˛a liniow ˛a poprzednich, jest liniowo niezale˙zny.
Twierdzenie
Twierdzenie Steinitza Je´sli wektory wi ∈ lin(v1, . . . ,vm)dla i = 1, . . . , k tworz ˛a układ liniowo niezale˙zny w1, . . . ,wk to k ≤ m.
(bez dowodu).
Przykład Mamy Rn=lin(ε1, . . . , εn)zatem z twierdzenia Steinitza wynika, ˙ze ka˙zdy układ liniowo niezale˙zny wektorów w Rnma co najwy˙zej n wektorów.
Twierdzenie
Twierdzenie Steinitza Je´sli wektory wi ∈ lin(v1, . . . ,vm)dla i = 1, . . . , k tworz ˛a układ liniowo niezale˙zny w1, . . . ,wk to k ≤ m.
(bez dowodu).
Przykład Mamy Rn=lin(ε1, . . . , εn)zatem z twierdzenia Steinitza wynika, ˙ze ka˙zdy układ liniowo niezale˙zny wektorów w Rnma co najwy˙zej n wektorów.
Bazy
Definicja
Układ v1, . . . ,vnnazywamybaz ˛aprzestrzeni V je´sli spełnione s ˛a dwa warunki
(i) układ v1, . . . ,vnjest liniowo niezale˙zny
(ii) układ v1, . . . ,vnrozpina V , czyli V = lin(v1, . . . ,vn).
Przykłady
1. Układ ε1, . . . , εnzło˙zony z wektorów jednostkowych stanowi baz ˛e Rn 2. Przestrze ´n rozwi ˛aza ´n układu jednorodnych równa ´n liniowych ma baz ˛e zło˙zon ˛a z tylu elementów, ile parametrów (zmiennych wolnych) wyst ˛epuje w rozwi ˛azaniu ogólnym. Kolejne wektory tej bazy mo˙zna otrzyma´c przyjmuj ˛ac kolejno wybierane parametry za równe 1 za´s pozostałe za 0.
Bazy
Definicja
Układ v1, . . . ,vnnazywamybaz ˛aprzestrzeni V je´sli spełnione s ˛a dwa warunki
(i) układ v1, . . . ,vnjest liniowo niezale˙zny
(ii) układ v1, . . . ,vnrozpina V , czyli V = lin(v1, . . . ,vn).
Przykłady
1. Układ ε1, . . . , εnzło˙zony z wektorów jednostkowych stanowi baz ˛e Rn
2. Przestrze ´n rozwi ˛aza ´n układu jednorodnych równa ´n liniowych ma baz ˛e zło˙zon ˛a z tylu elementów, ile parametrów (zmiennych wolnych) wyst ˛epuje w rozwi ˛azaniu ogólnym. Kolejne wektory tej bazy mo˙zna otrzyma´c przyjmuj ˛ac kolejno wybierane parametry za równe 1 za´s pozostałe za 0.
Bazy
Definicja
Układ v1, . . . ,vnnazywamybaz ˛aprzestrzeni V je´sli spełnione s ˛a dwa warunki
(i) układ v1, . . . ,vnjest liniowo niezale˙zny
(ii) układ v1, . . . ,vnrozpina V , czyli V = lin(v1, . . . ,vn).
Przykłady
1. Układ ε1, . . . , εnzło˙zony z wektorów jednostkowych stanowi baz ˛e Rn 2. Przestrze ´n rozwi ˛aza ´n układu jednorodnych równa ´n liniowych ma baz ˛e zło˙zon ˛a z tylu elementów, ile parametrów (zmiennych wolnych) wyst ˛epuje w rozwi ˛azaniu ogólnym. Kolejne wektory tej bazy mo˙zna
Przykład
Rozwa˙zmy podprzestrze ´n V ⊂ R5opisan ˛a układem:
x1+ x2+ − 2x4+ x5 =0 2x1+ 2x2+ x3+ x4− x5 =0
Macierz ˛a tego układu jest
1 1 0 −2 1 0
2 2 1 1 −1 0
. Operacj ˛a w2− 2w1sprowadzamy j ˛a do postaci schodkowej zredukowanej M =
1 1 0 −2 1 0
0 0 1 5 −3 0
. Widzimy, ˙ze jako zmienne zale˙zne mo˙zna przyj ˛a´c x1i x3natomiast x2, x4, x5jako parametry. Rozwi ˛azanie ogólne ma posta´c: x1= −x2+2x4− x5, x3= −5x4+3x5
Przykład
Okre´slimy baz ˛e V zło˙zon ˛a z wektorów v1,v2,v3w V nast ˛epuj ˛aco:
przyjmuj ˛ac x2=1, x4=x5=0 mamy v1= (−1, 1, 0, 0, 0).
Przyjmuj ˛ac x2=0, x4=1, x5=0 mamy v2= (2, 0, −5, 1, 0) Przyjmuj ˛ac x2=x4=0, x5=1 otrzymujemy v3= (−1, 0, 3, 0, 1).
Przykład
Okre´slimy baz ˛e V zło˙zon ˛a z wektorów v1,v2,v3w V nast ˛epuj ˛aco:
przyjmuj ˛ac x2=1, x4=x5=0 mamy v1= (−1, 1, 0, 0, 0).
Przyjmuj ˛ac x2=0, x4=1, x5=0 mamy v2= (2, 0, −5, 1, 0)
Przyjmuj ˛ac x2=x4=0, x5=1 otrzymujemy v3= (−1, 0, 3, 0, 1).
Przykład
Okre´slimy baz ˛e V zło˙zon ˛a z wektorów v1,v2,v3w V nast ˛epuj ˛aco:
przyjmuj ˛ac x2=1, x4=x5=0 mamy v1= (−1, 1, 0, 0, 0).
Przyjmuj ˛ac x2=0, x4=1, x5=0 mamy v2= (2, 0, −5, 1, 0) Przyjmuj ˛ac x2=x4=0, x5=1 otrzymujemy v3= (−1, 0, 3, 0, 1).
Twierdzenie
Je´sli przestrze ´n V ma baz ˛e zło˙zon ˛a z n wektorów to ka˙zda baza V ma n wektorów
Definicja
Mówimy, ˙ze przestrze ´n jest n-wymiarowa je´sli ma baz ˛e zło˙zon ˛a z n wektorów . Liczb ˛e n nazywamy wymiarem V , co zapisujemy
dimV = n. Dla przestrzeni zerowej V = {0} przyjmujemy dimV = 0. Mówimy, ˙ze przestrze ´n jest sko ´nczenie wymiarowa je´sli jest
n-wymiarowa dla n = 0, 1, 2, . . . . W przeciwnym przypadku mówimy,
˙ze jest niesko ´nczenie wymiarowa i piszemy dimV = ∞ Przykłady
1. dimRn=n
2. Je´sli VU ⊂ Rnjest przestrzeni ˛a rozwi ˛aza ´n układu jednorodnych równa ´n liniowych U to wymiar VU równa si ˛e liczbie parametrów rozwi ˛azania ogólnego U.
2. dimR∞= ∞bo R∞zawiera dowolnie du˙ze układy liniowo niezale˙zne.
Twierdzenie
Je´sli przestrze ´n V ma baz ˛e zło˙zon ˛a z n wektorów to ka˙zda baza V ma n wektorów
Definicja
Mówimy, ˙ze przestrze ´n jest n-wymiarowa je´sli ma baz ˛e zło˙zon ˛a z n wektorów . Liczb ˛e n nazywamy wymiarem V , co zapisujemy
dimV = n. Dla przestrzeni zerowej V = {0} przyjmujemy dimV = 0.
Mówimy, ˙ze przestrze ´n jest sko ´nczenie wymiarowa je´sli jest
n-wymiarowa dla n = 0, 1, 2, . . . . W przeciwnym przypadku mówimy,
˙ze jest niesko ´nczenie wymiarowa i piszemy dimV = ∞
Przykłady 1. dimRn=n
2. Je´sli VU ⊂ Rnjest przestrzeni ˛a rozwi ˛aza ´n układu jednorodnych równa ´n liniowych U to wymiar VU równa si ˛e liczbie parametrów rozwi ˛azania ogólnego U.
2. dimR∞= ∞bo R∞zawiera dowolnie du˙ze układy liniowo niezale˙zne.
Twierdzenie
Je´sli przestrze ´n V ma baz ˛e zło˙zon ˛a z n wektorów to ka˙zda baza V ma n wektorów
Definicja
Mówimy, ˙ze przestrze ´n jest n-wymiarowa je´sli ma baz ˛e zło˙zon ˛a z n wektorów . Liczb ˛e n nazywamy wymiarem V , co zapisujemy
dimV = n. Dla przestrzeni zerowej V = {0} przyjmujemy dimV = 0.
Mówimy, ˙ze przestrze ´n jest sko ´nczenie wymiarowa je´sli jest
n-wymiarowa dla n = 0, 1, 2, . . . . W przeciwnym przypadku mówimy,
˙ze jest niesko ´nczenie wymiarowa i piszemy dimV = ∞ Przykłady
1. dimRn=n
2. Je´sli VU ⊂ Rnjest przestrzeni ˛a rozwi ˛aza ´n układu jednorodnych równa ´n liniowych U to wymiar VU równa si ˛e liczbie parametrów rozwi ˛azania ogólnego U.
2. dimR∞= ∞bo R∞zawiera dowolnie du˙ze układy liniowo niezale˙zne.
Twierdzenie
Je´sli przestrze ´n V ma baz ˛e zło˙zon ˛a z n wektorów to ka˙zda baza V ma n wektorów
Definicja
Mówimy, ˙ze przestrze ´n jest n-wymiarowa je´sli ma baz ˛e zło˙zon ˛a z n wektorów . Liczb ˛e n nazywamy wymiarem V , co zapisujemy
dimV = n. Dla przestrzeni zerowej V = {0} przyjmujemy dimV = 0.
Mówimy, ˙ze przestrze ´n jest sko ´nczenie wymiarowa je´sli jest
n-wymiarowa dla n = 0, 1, 2, . . . . W przeciwnym przypadku mówimy,
˙ze jest niesko ´nczenie wymiarowa i piszemy dimV = ∞ Przykłady
1. dimRn=n
2. Je´sli V ⊂ Rnjest przestrzeni ˛a rozwi ˛aza ´n układu jednorodnych
2. dimR∞= ∞bo R∞zawiera dowolnie du˙ze układy liniowo niezale˙zne.
Twierdzenie
Je´sli przestrze ´n V ma baz ˛e zło˙zon ˛a z n wektorów to ka˙zda baza V ma n wektorów
Definicja
Mówimy, ˙ze przestrze ´n jest n-wymiarowa je´sli ma baz ˛e zło˙zon ˛a z n wektorów . Liczb ˛e n nazywamy wymiarem V , co zapisujemy
dimV = n. Dla przestrzeni zerowej V = {0} przyjmujemy dimV = 0.
Mówimy, ˙ze przestrze ´n jest sko ´nczenie wymiarowa je´sli jest
n-wymiarowa dla n = 0, 1, 2, . . . . W przeciwnym przypadku mówimy,
˙ze jest niesko ´nczenie wymiarowa i piszemy dimV = ∞ Przykłady
1. dimRn=n
2. Je´sli VU ⊂ Rnjest przestrzeni ˛a rozwi ˛aza ´n układu jednorodnych równa ´n liniowych U to wymiar VU równa si ˛e liczbie parametrów rozwi ˛azania ogólnego U.
2. dimR∞= ∞bo R∞zawiera dowolnie du˙ze układy liniowo niezale˙zne.
Własno ´sci baz i wymiaru
Twierdzenie
Niech v1, . . . ,vnb ˛ed ˛a wektorami przestrzeni liniowej V . Nast ˛epuj ˛ace warunki sa równowa˙zne:
(i) układ v1, . . . ,vnjest baz ˛a przestrzeni V
(ii) v1, . . . ,vnjest maksymalnym układem liniowo niezale˙znym w V (iii) v1, . . . ,vnjest minimalnym układem rozpinaj ˛acym V
Twierdzenie
Niech dimV = n i niech v1, . . . ,vk ∈ V b ˛edzie układem liniowo niezale˙znym. Wówczas:
(a) k ≤ dimV
(b) v1, . . . ,vk tworzy baz ˛e V ⇔ k = dimV
(c) Niech W b ˛edzie podprzestrzeni ˛a V . Wtedy dimW ≤ dimV oraz je´sli dimW = dimV to W = V
d) Niech V = lin(v1, . . . ,vk). Układ zło˙zony z wektorów v1, . . . ,vk jest baz ˛a V ⇔ dimV = k
Własno ´sci baz i wymiaru
Twierdzenie
Niech v1, . . . ,vnb ˛ed ˛a wektorami przestrzeni liniowej V . Nast ˛epuj ˛ace warunki sa równowa˙zne:
(i) układ v1, . . . ,vnjest baz ˛a przestrzeni V
(ii) v1, . . . ,vnjest maksymalnym układem liniowo niezale˙znym w V (iii) v1, . . . ,vnjest minimalnym układem rozpinaj ˛acym V
Twierdzenie
Niech dimV = n i niech v1, . . . ,vk ∈ V b ˛edzie układem liniowo niezale˙znym. Wówczas:
(a) k ≤ dimV
(b) v1, . . . ,vk tworzy baz ˛e V ⇔ k = dimV
(c) Niech W b ˛edzie podprzestrzeni ˛a V . Wtedy dimW ≤ dimV oraz je´sli dimW = dimV to W = V
d) Niech V = lin(v1, . . . ,vk). Układ zło˙zony z wektorów v1, . . . ,vk jest baz ˛a V ⇔ dimV = k
Przykład Układ (1, 2), (0, 3) jest baz ˛a R2, bo jest liniowo niezale˙zny i ma 2 = dimR2wektory.
Przykład Układ (1, 1, 1), (0, 1, 1), (1, 1, 0) rozpina R3zatem tworzy baz ˛e tej przestrzeni
Współrz ˛edne wektora w bazie
Twierdzenie
Układ wektorów v1, . . . ,vn∈ V jest baz ˛a przestrzeni V wtedy i tylko wtedy, kiedy ka˙zdy wektor w ∈ V mo˙zna przedstawi´c w dokładnie jeden sposób jako kombinacj ˛e liniow ˛a: w = α1v1+ · · · + αnvn. (Dowód)
Definicja
Niech układ v1, . . . ,vnstanowi baz ˛e V , i niech w ∈ V . Wtedy układ liczb α1, . . . , αnspełniaj ˛acy w = α1v1+ · · · + αnvnnazywamy współrz ˛ednymiwektora w w bazie v1, . . . ,vn.
Przykłady Współrz ˛ednymi wektora (1, 4, 3) w bazie ε1, ε2, ε3w R3s ˛a liczby 1, 4, 3. Ogólnie: współrz ˛ednymi wektora (x1, . . . ,xn) ∈ Rnw bazie ε1, . . . , εns ˛a liczby x1, . . . ,xn. (inne przykłady na tablicy)