第3章 · 向量

线代的“关系学” · 相关与无关是高频选择
范围已核实:本章内容严格限定在考研数学(二)大纲(科目代码 302)范围内,已剔除数二不考内容。满分 150,高数约占 80%,线代约占 20%。
📌 本章在数二中的定位:线性组合与线性表示、线性相关与无关(判定/性质)、极大线性无关组、向量组的秩、等价向量组。数二不考:向量空间(基/维数/坐标/过渡矩阵)、施密特正交化。

🗺️本章知识地图

向量这一章研究的不是算,而是“关系”:哪些向量能互相表示(相关),哪些彼此独立(无关),以及一组向量里“最少需要几个”就能代表全体(极大无关组)。

1线性组合与线性表示 重点

β 能否由向量组 α 表示,等价于非齐次方程组是否有解。

线性组合与表示 定义

💡 秒懂:把若干向量按比例(系数)拼起来得到新向量,就叫线性组合;若能拼出 β,就说 β 可由该组线性表示。
$\beta=k_1\alpha_1+\cdots+k_s\alpha_s$ 则称 β 可由 α₁…α_s 线性表示。表示问题 ⇔ 方程组 $Ax=\beta$ 有解 ⇔ $r(\alpha_1,\dots,\alpha_s)=r(\alpha_1,\dots,\alpha_s,\beta)$。
🔑 “能否表示”=“增广矩阵秩是否不变”。
例题:β=(3,2) 能否由 α₁=(1,0), α₂=(0,1) 线性表示?
表示
思路:显然 β=3α₁+2α₂。
设 β=k₁α₁+k₂α₂ ⇒ (3,2)=(k₁,k₂)。
k₁=3,k₂=2,故可以,β=3α₁+2α₂。
答案:可以,β=3α₁+2α₂

2线性相关与线性无关 核心重点

相关/无关是整个线代的灵魂判定,选择题与证明题高频。

定义与判定 核心

💡 秒懂:一组向量“相关”=其中有人是多余的(能被其余拼出来);“无关”=谁也替代不了谁,必须全体到场。
存在不全为 0 的 k 使 $k_1\alpha_1+\cdots=0$ ⇒ 线性相关;只有全 0 才成立 ⇒ 线性无关。判定:$r(\alpha_1,\dots,\alpha_s)
🔑 相关 ⇔ 秩 < 向量个数;无关 ⇔ 秩 = 向量个数。

重要性质 必背

💡 秒懂:向量个数 > 维数必相关(人比座位多必有人挤);含零向量必相关;部分相关则整体相关。
① 向量个数 > 维数 ⇒ 必相关;② 含零向量 ⇒ 相关;③ 部分相关 ⇒ 整体相关(反之无关);④ 无关组加一向量可能变相关。
🔑 “多必相关、零必相关、部分相关则整体相关”三句话。
例题:判断 α₁=(1,2), α₂=(2,4) 的相关性。
判定
思路:成比例。
α₂=2α₁,存在非零系数 2·α₁−α₂=0。
故线性相关。
答案:线性相关
例题:α₁=(1,0,0), α₂=(0,1,0), α₃=(0,0,1) 是否无关?
标准基
思路:只有零组合得零。
k₁α₁+k₂α₂+k₃α₃=(k₁,k₂,k₃)=0 ⇒ k₁=k₂=k₃=0。
故线性无关(是三维标准基)。
答案:线性无关

3极大线性无关组与向量组的秩 重点

从一组(可能相关)向量里挑出“最核心、彼此独立、又能代表全体”的子集。

极大无关组 定义

💡 秒懂:从团队里选出最少的关键人物,他们彼此独立,且加上任何其他人都会“冗余”(能被他们表示)。
向量组的一个部分组,自身线性无关,且再加入原组中任一向量就相关,则称极大线性无关组。其向量个数 = 向量组的秩。
🔑 极大无关组个数 = 向量组秩 = 矩阵的秩(把向量作列排成矩阵)。

等价向量组 概念

💡 秒懂:两组向量能互相表示,就是“同一批信息的两套说法”,它们秩相同。
若两组向量可互相线性表示,则称等价;等价向量组秩相等。向量组的秩 = 列秩 = 行秩 = 矩阵秩。
⚠️ 矩阵秩与向量组秩统一,是衔接矩阵与向量的桥梁。
例题:求 α₁=(1,0), α₂=(0,1), α₃=(1,1) 的极大无关组与秩。
极大无关组
思路:前两无关,第三是前两之和。
α₁,α₂ 不成比例 ⇒ 线性无关;α₃=α₁+α₂ 可被表示。
故 {α₁,α₂} 是极大无关组,秩=2。
答案:极大无关组 {α₁,α₂},秩为 2

🧩 互动演示:线性组合 = “拼”向量

两个基向量 u(黄)、v(紫)。拖动系数 k₁、k₂,看绿色点 k₁u+k₂v 能“走到”哪里——能走到的全体就是它们张成的空间。

k₁ k₂

本章互动小测

做完点“交卷”看解析,错题回上面知识点再巩固。
1. 向量组线性相关的充要条件是?
解析:相关 ⇔ 秩 < 向量个数(只有零组合才=0 才无关)。
2. 向量个数 > 维数时?
解析:个数超过维数必线性相关。
3. β 可由 α 组线性表示 ⇔ ?
解析:能表示 ⇔ 加入 β 后秩不增,即 r(α)=r(α,β)。
4. 极大线性无关组的个数 = ?
解析:极大无关组所含向量数 = 向量组的秩。
5. 数二不考的向量内容是?
解析:数二不考向量空间(基/维数/坐标)与施密特正交化。
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