求向量组的秩与极大无关组(修改整理)word版本
线性代数 第3.4节 向量组的极大线性无关组(修改)
, s 线性无关 r (1 , 2 , , s 线性相关 r (1 , 2 ,
, s ) s , s ) s
（3）如果向量组 1 , 2 , 线性表示，则
, s 可以由向量组 1 , 2 , , s ) r ( 1 , 2 , , t )
定义4：
矩阵的行向量组的秩，就称为矩阵的行秩; 矩阵的列向量组的秩，就称为矩阵的列秩。
1 0 例2：讨论矩阵 A 0 0
（1） 矩阵A的行秩为3
矩阵A的行向量组是
1 2 0 0
3 1 1 4 0 5 0 0
的行秩和列秩
1 2 3 4
(1,1, 3,1) (0, 2, 1, 4) (0, 0, 0, 5) (0, 0, 0, 0)
1 2
向量组的等价关系具有以下三个性质：
（1）自反性：一个向量组与其自身等价； （2）对称性：若向量组 A 与 B 等价，则 B 和 A 等价； （3）传递性：A 与 B 等价, B 与 C 等价，则 A 与 C 等价。
定理1： 设 1 , 2 , (1) 向量组 1 , 2 , (2) s t 则向量组
, s )
2 4 2 1 2 1 , 2 , 3 的 例如： 向量组 1 3 5 4 1 4 1
秩为2。
注：
（1）零向量组的秩为0。 （2）向量组 1 , 2 , 向量组 1 , 2 ,
0 5 0 3 2 6 1 3 2 3 A 2 0 1 5 3 1 6 4 1 4 1 6 4 1 4 1 1 0 4 3 2 0 1 5 3 3 2 0 5 0
线代 3-3 向量组的秩及极大无关组
r 1个列向量都线性相关.
因此Dr 所在的r列是A
的列向量的一个最大无关组， 所以列向量组的秩 等于r . 类似可证A的行向量组的秩也等于r ( A).
向量组a1 , a 2 ,, a m的秩也记作 r ( a1 , a 2 , , a m )
结论
若Dr 是矩阵A的一个最高阶非零子式，则Dr 所在的r列即是列向量组的一个最大无关组，Dr 所在的r行即是行向量组的一个最大无关组.
T T T
构成一个m n矩阵
1T T 2 B T m
定理2 矩阵的秩等于它的列向量组的秩，也等于 它的行向量组的秩.
证 设A (a1 , a2 ,, am )，r ( A) r , 并设r阶子式
Dr 0根据4.2定理2由Dr 0知所在的r列线性无 . 又由 关； A中所有r 1阶子式均为零，知A中任意
证明向量组 a1 , a2 与 b1 , b2 , b3 等价。 证 记 A a1 , a2 , B b1 , b2 , b3 ，根据推论，只要证
R( A) R( B) R( A, B)
1 1 A, B 1 1 3 1 3 2 1 3 1 1 0 1 1 0 4 2 2 2 0 1 1 0 2 0 2 1 1 1 0 3 1 2 0 0 6 3 3 3 0 3 2 1 3 2 1 3 2 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0
再如, 若r (1 , 2 , 3 ) 2 3,
则1 , 2 , 3线性相关.
三、矩阵与向量组秩的关系
若干个同维数的列向量（或同维数的行向量） 所组成的集合叫做向量组． 例如 矩阵A (a ij ) 有n个m维列向量 mn aj a1 a 2 an a11 a12 a1 j a1n a 21 a 22 a 2 j a 2 n A a a mj a mn m1 a m 2
1求下列向量组的秩与一个极大线性无关组
习题4.31.求下列向量组的秩与一个极大线性无关组： (1)[]12,1,3,1T α=-, []23,1,2,0Tα=-，[]31,3,4,2T α=-,[]44,3,1,1Tα=-．(2)[]11,1,1,1T α=, []21,1,1,1Tα=--， []31,1,1,1Tα=--,[]41,1,1,1Tα=---．(3)[]11,1,2,4T α=-, []20,3,1,2T α=，[]33,0,7,14Tα=,[]41,1,2,0T α=-,[]52,1,5,6Tα=．分析 向量组的秩等于该向量组构成的矩阵的秩, 所以求向量组的秩可以转化为求矩阵的秩. 先把向量构成矩阵通过矩阵的初等行变换成阶梯形, 通过阶梯形便可得到矩阵的秩, 它也就是该向量组的秩, 而阶梯形的阶梯头所在的列对应的向量便构成该向量组的一个极大线性无关组.解 (1) []123423141133113301123241000010210000αααα--⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥---⎢⎥⎢⎥=−−→⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦, 所以该向量组的秩为2, 且1α, 2α为它的一个极大线性无关组.(2) []123411111111111101011111001111110001αααα--⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥---⎢⎥⎢⎥=−−→⎢⎥⎢⎥---⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦, 所以该向量组的秩为4, 且1α,2α,3α,4α为它的一个极大线性无关组.(3) []1234510312103121301101101217250001042140600000ααααα⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥--⎢⎥⎢⎥=−−→⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦, 所以该向量组的秩为3, 且1α,2α,4α为它的一个极大线性无关组.2.计算下列向量组的秩，并判断该向量组是否线性相关. (1)[]11,1,2,3,4T α=-，[]23,7,8,9,13Tα=-，[]31,3,0,3,3T α=----,[]41,9,6,3,6Tα=-.(2)[]11,3,2,1T β=--, []22,1,5,3T β=-，[]34,3,7,1Tβ=-, []41,11,8,3Tβ=---,[]52,12,30,6Tβ=-．解 (1) []123413111311173901122806000039330000413360000αααα--⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥----⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=−−→⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦所以该向量组的秩为2, 小于向量的个数4, 所以线性相关.(2)[]123451241212412313111201548257830001111313600000βββββ----⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥-----⎢⎥⎢⎥=−−→⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦所以该向量组的秩为3, 小于向量的个数5, 所以线性相关.3.设[]11,2,1T α=-, []22,4,T αλ=, []31,,1Tαλ=.(1) λ取何值时1α,2α,3α线性相关? λ取何值时1α,2α,3α线性无关? 为什么? (2)λ取何值时3α能经1α,2α线性表示? 且写出表达式.解 (1)[]1231211212402211002αααλλλλ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=−−→+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦当2λ≠且2λ≠-时, 矩阵的秩为3与向量个数相同, 所以此时该向量组线性无关.当2λ=或2λ=-时, 矩阵的秩为2小于向量个数, 所以此时向量组线性相关. (1) 当2λ=时, 秩([]12αα)=秩([]123ααα)=2, 此时3α能经1α,2α线性表示.表达式的系数为方程组[]123X ααα=的解, 而此时该方程组的解为120,1.2x x =⎧⎪⎨=⎪⎩所以表达式为3α=212α. 当2λ=-时, 秩([]12αα)=1, 秩([]123ααα)=2, 两者不相等, 所以不能线性表示.当2λ≠且2λ≠-时, 秩([]12αα)=2, 秩([]123ααα)=3, 两者不相等,所以不能线性表示.4.下述结论不正确的是( )，且说明理由．(A) 秩为4的４×５矩阵的行向量组必线性无关. (B) 可逆矩阵的行向量组和列向量组均线性无关. (C) 秩为r(r<n)的m ×n 矩阵的列向量组必线性相关. (D) 凡行向量组线性无关的矩阵必为可逆矩阵.解 (A) 正确. 如果行向量组线性相关则行向量组的秩必小于行向量的个数4, 即矩阵的行秩小于4, 而矩阵的行秩等于矩阵的秩, 因此矩阵的秩小于4, 这与矩阵的秩为4矛盾! 所以行向量组必线性无关.(B) 正确. 可逆矩阵必为满秩矩阵, 即n n ⨯的可逆矩阵的秩为n , 而矩阵的秩等于行秩和列秩, 所以矩阵的行秩=列秩=n , 因此行向量组的秩和所含向量个数相同, 据此可知该行向量组必线性无关; 同理列向量组也必线性无关.(C) 正确. 列向量组含有n 个向量, 又由于列向量组的秩(即列秩)等于矩阵的秩r , 而r<n , 即列向量组的秩小于向量组所含向量的个数, 据此列向量组必线性相关.(D) 设111001A ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦, 易知该矩阵的行向量组线性无关, 但是它不是方阵, 所以不是可逆矩阵. 所以该选项不正确.综上所述应选D.。
向量组的秩和极大线性无关组
.
极大线性无关组 定义
• 定义：向量组T中如果有一部分组α1，α2，···，αr满足： 1.α1，α2，···，αr线性无关； 2.任取向量组T中β，有α1，α2，···，αr，β线性相关。 则称α1，α2，···，αr为向量组T的一个极大线性无关向量组， 简称为极大无关组
3
6
9
7
9
0
0
0
0
0
得到R（A）=3，故最大无关组含有3个向量，取1,2,4列，故 a1, a2, a4
为列向量最大无关组。
•注意：只要分别取不在同一阶梯上的列向量即可，可以125列，134列
都是最大无关组，这里为了方便去只取124列
•剩下3，5列用线性表式：3，5列单独写出来
1 4
•例题：设矩阵
2 1 1 2
4
求矩阵A的列向量组的一个最大无关
4
3
6
9
7
9
组，并把不是组最大无关组的列向量用最大无关线性表示
2 1 1 1 2 1 0 1 0 4
•解： A
1
1
2
1
4
r
0
1
1
0
3
(先化为行最简)
4 6 2 2 4 0 0 0 1 3
• 定理： 1.设a1,a2,…,ar与b1,b2,…,bs是两个向量组，如果 （1）向量组a1,a2,…,ar可以经b1,b2,…,bs线性表出（2）r>s；
那么向量组a1,a2,…,ar必线性相关。 2.只含零向量的向量组没有极大无关组； 3.一个线性无关向量组的极大无关组就是其本身
.
极大线性无关组 例题
1
3.3 向量组的极大无关组与秩
矩阵 C的列向量组能由 A的列向量组线性表示，
因此r ( C ) r ( A). 又因为 C T B T AT ,由上段证明知 r ( C T ) r ( B T ), 25 即r ( C ) r ( B).
练习
1.求下列向量组的秩:
T T (1) 1 (2, 1, 1) , 2 (5, 4, 2, ) , 3 (3, 6, 0) T T ( 3 , 1 , 0 , 2 ) ( 1 , 1 , 2 , 1 ) (2) 1 , , 2 3 (1, 3, 4, 4) T .
20
得
1 1 3 2 , 2 1 2 .
1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1
1 0 1 2 2 3 1 1 2 2 , 0 0 0 0 0 0
2 0 1 1 而 ( 1 , 2 , 1 , 2 ) 3 1 3 1
9
定理3.10
若向量组A可由向量组B线性表示，则
r(A) ≤ r(B)。 推论 若向量组A与向量组B等价，则 r(A) = r(B)。
10
回顾
α1 α2
αm
矩阵A既对应一个行向量组,又对应一 个列向量组: 其中 i ( a i 1 , a i 2 , , a in ), i 1, , m a1 j 1 a2 j 2 j 1, 2, , n
28
23
则r 1 1 , 2 2 , , n n r t r ( A) r ( B) r ( A B) r ( A) r ( B)
r i 1 , i 2 , ir , j 1 , j 2 , jt
4.3 向量组的秩和最大无关组
设1, 2, …, n为Rn的一组基，则
Rn = L(1, 2, …, n)
返回
又，
Rn = L(ε1, ε2, …, εn)
Rn 的标准基
Rn, 1, 2, …, n为一组基， = x11+ x22+ …+ xnn 在基1, 2, …, n下的坐标 一个向量在确定基下的坐标是唯一的(坐标的唯一性).
矩阵A的列秩：A的列向量组的秩；
矩阵A的行秩：A的行向量组的秩.
返回
定理2 矩阵的 行秩 = 列秩 = 矩阵的秩.
证 设 R(A) = r,
A 行初等变换 B(行阶梯形矩阵),
B有 r 个非零行，B的r 个非零行的非零首元素所在 的r 个列向量线性无关， 为什么？ 为B的列向量组的最大无关组. 为什么？
1, 2, …, r 可由1, 2 , …, s线性表出,有
R(B)=R(B, A) 则R( A) ≤ R(B) ≤ s
1, 2, …, r 线性无关，则 R(A)=r
r≤ s
返回
两向量组秩的关系： 若向量组(Ⅰ)可由组(Ⅱ)线性表出，则 组(Ⅰ)的秩 r1≤ 组(Ⅱ)的秩 r2. 证 设 1 ,..., r1 为(Ⅰ) 的最大无关组， 1 ,..., r2 为(Ⅱ) 的最大无关组. 组(Ⅰ)可由组(Ⅱ)线性表出,所以
4.3
向量组的秩与最大无关组
一、向量组的秩与最大无关组的概念
二、Rn 的基、维数与坐标
返回
一、向量组的秩与最大无关组的概念
例1 1 =(1,0,1), 2 =(1,-1,1), 3 =(2,0,2) 。
1, 2, 3 线性相关. 1, 2 线性无关； 2 ，3 线性无关，
极大无关组与向量组的秩
x11x22xmmb
有.解
-
5
向 量b能 由 向 量A组线 性 表 示 非 齐 次 线 性 方 程 组
x11 x22 xmm b 有 解
r(A) r(A, B).
-
6
例1 向量 6,9,6T能 否 由1向 3,3量 ,6T,组 22,5,4T,36,9,15T线 性 表 示
个基，则 V可表示为 V x 1 1 2 2 r r 1 , , r R
-
26
例6 设矩阵
2 2 1
A(a1,a2,a3) 2 1 2,
1 2 2
1 4 B(b1,b2) 0 3,
4 2 验a证 1,a2,a3,是 R3的一个b 基 1,b2用 ，这 并个 线性. 表示
0 , a 2 , , a n T , 0 , b 2 , , b n T V1 ,
有 0 , a 2 b 2 , , a n b n T V 1
0 ,a 2 , ,a n T V 1 .
-
23
例5 判别下列集合是否为向量空间.
V 2 x 1 , x 2 , , x n T x 2 , , x n R
可r见 (1,2,3)2， 向量 1,2, 组 3线 性 相 r(1,2)2,向 量 1, 组 2线 性.无 关
-
14
二、向量组的秩和极大无关组
设 A 为一非零 n 维向量组, A 中任一线性无关向 量组所含向量个数不多于 n 个.
A 中线性无关向量组所含向量个数存在最大值: 存在正整数 r, 使得 A 中有 r 个向量线性无关, 而 A 中任意多于 r 个向量(若存在的话)线性相关. ❖ 向量组的秩 设 A 为一向量组, A 中线性无关向量组所含向量个 数的最大值 r, 称为向量组 A 的秩, 记为 R(A).
线性代数之向量的秩、极大线性无关组和正交矩阵的方法总结
线性代数之向量的秩、极大线性无关组和正交矩阵的方法总结
秩是考研数学线性代数的最重要内容之，下面小编为大家总结有关向量的秩，极大线性无关组和正交矩阵的求解方法。
一、求极大线性无关组的步骤：
1.将向量组作为列向量组成矩阵A（如果是行向量，则转置后再计算）；
2.对矩阵A作初等行变换，化为阶梯型矩阵，阶梯型矩阵中非零行的个数即为向量组的秩；
3.在阶梯型矩阵中标出每个非零行的主元，主元所在列即对应原向量组的一个极大线性无关组
注意：向量组的极大线性无关组不止一个；注意只能做行变换。
二、向量组的秩
求向量组秩的步骤：
1.将向量组作为列向量组成矩阵A（如果是行向量，则转置后再计算）；
2.对矩阵A作初等行变换，化为阶梯型矩阵，阶梯型矩阵中非零行的个数即为向量组的秩；
关于向量组的秩，还有以下计算规律：
三、正交化和正交矩阵
一组线性无关向量组的正交规范化方法步骤如下：
题型一：求向量组的秩和极大线性无关组
例1：
解：按照求向量组的秩和极大线性无关组的方法进行求解：
题型二：正交化和正交矩阵
例2：
解：利用向量正交的定义求解。
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求向量组的秩与最大无关组
一、对于具体给出的向量组，求秩与最大无关组
1、求向量组的秩（即矩阵的秩）的方法：为阶梯形矩阵
【定理】矩阵的行秩等于其列秩，且等于矩阵的秩.(三秩相等)
①把向量组的向量作为矩阵的列（或行）向量组成矩阵A；
②对矩阵A进行初等行变换化为阶梯形矩阵B；
③阶梯形B中非零行的个数即为所求向量组的秩．
【例1】求下列向量组a１=(1, 2, 3, 4)，a2 =( 2, 3, 4, 5)，a3 =(3, 4, 5, 6)的秩. 解1：以a１,a２,a３为列向量作成矩阵A，用初等行变换将A化为阶梯形矩阵后可求.
因为阶梯形矩阵的列秩为2，所以向量组的秩为2．
解2：以a１,a２,a３为行向量作成矩阵A，用初等行变换将A化为
阶梯形矩阵后可求.
因为阶梯形矩阵的行秩为2，所以向量组的秩为2．
2、求向量组的最大线性无关组的方法
方法1 逐个选录法
给定一个非零向量组A：α1, α2,…, αn
①设α1¹ 0，则α1线性相关，保留α1
②加入α2，若α2与α1线性相关，去掉α2；若α2与α1线性无关，保留α1，α2；
③依次进行下去，最后求出的向量组就是所求的最大无关组
【例2】求向量组：()()()1231,2,12,3,14,1,1,,,T T T
ααα=-=-=-的最大无关组 解：因为a 1非零，故保留a 1
取a 2，因为a 1与a 2线性无关，故保留a 1，a 2 取a 3，易得a 3=2a 1+a 2，故a 1，a 2 ，a 3线性相关。
所以最大无关组为a 1，a 2 方法2 初等变换法
【定理】 矩阵A 经初等行变换化为B ，则B 的列向量组与A 对应的列向量组有相同的线性相关性. 证明从略,下面通过例子验证结论成立.
向量组：α1=(1,2,3)T
, α2=(-1,2,0)T
, α3=(1,6,6)T
由上可得，求向量组的最大线性无关组的方法： （1）列向量行变换
①把向量组的向量作为矩阵的列向量组成矩阵A ； ②对矩阵A 进行初等行变换化为阶梯形矩阵B ；
③A 中的与B 的每阶梯首列对应的向量组，即为最大无关组．
【例3】求向量组 ：α1=(2,1,3,-1)T
, α2=(3,-1,2,0)T
, α3=(1,3,4,-2)T
, α4=(4,-3,1,1)T
的秩和一个最大无关组, 并把不属于最大无关组的向量用最大无关组线性表示。
解 以α1,α2,α3,α4为列构造矩阵A , 并实施初等行变换化为行阶梯形矩阵求其秩：
()⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪--
⎪ ⎪==→ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭123423141-13-3113305-510,,,324105-51010210-11-2A αααα---⎛⎫ ⎪
⎪→ ⎪ ⎪
⎝⎭
1133011200000000 知r (A )=2, 故向量组的最大无关组含2个向量
而两个非零行的非零首元分别在第1, 2列, 故α1,α2为向量组的一个最大无关组
事实上，()⎛⎫ ⎪
⎪→ ⎪ ⎪⎝⎭1211010000αα-， 知r (α1,α2)=2, 故α1,α2 线性无关 为把α3,α4用α1,α2线性表示, 把A 变成行最简形矩阵 10
2
-101-1200000
000⎛⎫ ⎪
⎪
→= ⎪
⎪
⎝⎭A B
记矩阵B=(β1, β2, β3, β4),因为初等行变换保持了列向量间的线性表出性，因此向量α1,α2,α3,α4与向量β1, β2, β3, β4之间有相同的线性关系。
()312412210101
212,2000000⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪==+-=-=-+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭
ββββββ而
因此α3=2α1-α2, α4=-α1+2α2
【例4】求下列向量组的一个最大无关组，其中：
()11,2,0,3α=-()22,5,3,6α=--()30,1,3,0,α=()42,1,4,7α=--()55,8,1,2.α=-
解：以给定向量为列向量作成矩阵A ，用初等行变换将A 化为阶梯形矩阵B
再利用初等行变换，将B 再化成行最简形矩阵C .
用最大线性无关组表示其它向量的方法为：
①把向量组的向量作为矩阵的列向量组成矩阵A；
②对矩阵A进行初等行变换化为阶梯形矩阵B；
③把阶梯形B进行初等行变换化为行最简形矩阵C；
④根据行最简形矩阵列向量的分量，用最大无关组表示其它向量．初等矩阵A, B, C 初等变换行作为
求秩无关 B 中见线性无关 C 做陪
【例5】求向量组，
，，
的秩和一个最大无关组.
解：
(1) 当且
时，，故向量组的秩为3，且是一个最大无关组；
(2) 当时，
，故向量组的秩为3，且
是一个最大无关组；
(3) 当时，若
，则，此时向量组的秩为2，且是一个最大无关组.若
，则，此
时向量组的秩为3，且是一个最大无关组.
（2）行向量列变换
同理, 也可以用向量组中各向量为行向量组成矩阵（即列向量的转置矩阵）, 通过做初等列变换来求向量组的最大无关组。
【例6】求向量组，
，，
，的一个最大无关组.
解：以给定向量为行向量作成矩阵A，用初等列变换将A化为行最简形:
（行向量列变换）
由于的第1，2，4个行向量构成的向量组线性无关，故
是向量组的一个最大无关组.
方法3 线性相关法（了解）
若非零向量组A：α1, α2,…, αn线性无关，则A的最大无关组就是α1, α2,…, αn
若非零向量组A线性相关，则A中必有最大无关组
二、对于抽象的向量组，求秩与最大无关组常利用一些有关的结论，如：
1、若向量组(Ⅰ)可由向量组(Ⅱ)线性表示，则(Ⅰ)的秩不超过(Ⅱ)的秩
2、等价向量组有相同的秩
3、秩为的向量组中任意
个线性无关的向量都是该向量组的最大无关组
【例7】设向量组的秩为
.又设
，，求向量组的秩.
解法1：由于
，且，
所以，
故向量组与
等价，从而的秩为.
解法2：将看做列向量，则有
，其中
可求得 0，即
可逆，从而
可由线性表示，
由已知可由
线性表示，故这两个向量组等价，即它们有相同的秩.
【例7】设向量组(Ⅰ)：和向量组(Ⅱ)：
的秩分别为
和，而向量
组(Ⅲ)：的秩为.证明：
.
证：若和
中至少有一个为零，显然有，结论成立.
若和都不为零，不妨设向量组(Ⅰ)的最大无关组为，向量组(Ⅱ)的最大无关组为，由于向量组可以由它的最大无关组线性表
示，所以向量组(Ⅲ)可以由，
线性表示，
故：
的秩。