Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Algebra_Polovitsky_Ya_D_uchebnoe_posobie_chas.doc
Скачиваний:
11
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
4 Мб
Скачать
☆

§ 4. Основная теорема о линейной зависимости. Ее следствия

Определение 4. Пусть даны две конечные системы векторов линейного пространства L:a1,a2,…,al (1) и b1,b2,…,bs (2).

Если каждый вектор системы (1) линейно выражается через (2), то будем говорить, что система (1) линейно выражается через (2).

Примеры:

1. Любая подсистема системы a1,…,ai,…,ak линейно выражается через всю систему, т.к. ai=0a1+…+1ai+…+0ak.

2. Любая система векторов-отрезков из R2 линейно выражается через систему, состоящую из двух неколлинеарных векторов плоскости.

Определение 5. Если две конечные системы векторов линейно выражаются друг через друга, то они называются эквивалентными.

Замечание 1. Число векторов в двух эквивалентных системах может быть разным, что видно из следующих примеров.

Примеры:

3. Каждая система эквивалентна своему базису (это следует из теоремы 3 и примера 1).

4. Любые две системы векторов-отрезков из R2, в каждой из которых есть два неколлинеарных вектора, эквивалентны.

Следующая теорема является одним из важнейших утверждений теории линейных пространств.

Основная теорема о линейной зависимости. Пусть в линейном пространстве L над полем P заданы две системы векторов:

a1,a2,…,al (1) и b1,b2,…,bs (2), причем (1) линейно независима и линейно выражается через (2). Тогда ls (3).

Доказательство. Нам надо доказать неравенство (3). Предположим противное, пусть l>s (4).

По условию каждый вектор ai из (1) линейно выражается через систему (2):

a1=α11b1+α12b2+…+α1sbs

a2=α21b1+a22b2+…+α2sbs

…………………... (5)

al=αl1b1+αl2b2+…+αlsbs.

Составим следующее уравнение: x1a1+x2a2+…+x1al=0 (6), где xi— неизвестные, принимающие значения из поля Р (i=1,…,s).

Умножим каждое из равенств (5), соответственно на x1,x2,…,xl, подставим в (6) и соберем вместе слагаемые, содержащие b1, затем b2 и, наконец, bs. Получим:

x1a1+…+xlal = (α11x1+α21x2+ … +αl1xl)b1 + (α12x1+α22x2+ … +αl2xl)b2 + …+(α1sx1+α2sx2+…+αlsxl)bs=0. (7)

Постараемся найти ненулевое решение уравнения (6). Для этого приравняем в (7) к нулю все коэффициенты при bi (i=1, 2,…,s) и составим следующую систему уравнений:

α11x1+α21x2+ … +αl1xl=0

α12x1+α22x2+…+αl2xl=0 (8)

…………………….

α1sx1+α2sx2+…+αlsxl=0.

(8)  однородная система s уравнений относительно неизвестных x1,…,xl. Она всегда совместна.

В силу неравенства (4) в этой системе число неизвестных больше числа уравнений, и потому, как следует из метода Гаусса, она приводится к трапецеидальному виду. Значит, существуют ненулевые решения системы (8). Обозначим одно из них через x10,x20,…,xl0 (9), xi0P (i=1, 2,…s).

Подставив числа (9) в левую часть (7), получим:

x10a1+x20a2+…+xl0al=0b1+0b2+…+0bs=0. (10)

Итак, (9) – ненулевое решение уравнения (6). Поэтому система (1) линейно зависима, а это противоречит условию. Следовательно, наше предположение (4) неверно и ls.

Теорема доказана.