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数学
题目

已知向量组 α1,α2,α3 线性无关 ,β1=α1+α2,β2=α2+α3,β3=α3+α1, 证明:向量组 β1,β2,β3 线性无关。

已知向量组 α1,α2,α3 线性无关 ,β1=α1+α2,β2=α2+α3,β3=α3+α1, 证明:向量组 β1,β2,β3 线性无关。

题目解答

答案

设 k1β1+k2β2+k3β3=0 ,则有:

(k1+k3)α1+(k1+k2)α2+(k2+k3)α3=0

因为向量组 α1,α2,α3 线性无关,

所以 ,⎧⎩⎨⎪⎪k1+k3=0k1+k2=0k2+k3=0.

因为系数矩阵

⎛⎝⎜110011101⎞⎠⎟→⎛⎝⎜1000111−11⎞⎠⎟→⎛⎝⎜1000101−11⎞⎠⎟.

可知系数矩阵的秩 =3, 所以 ,k1,k2,k3 只有零解。

所以 , 向量组 β1,β2,β3 线性无关。

解析

考查要点:本题主要考查向量组线性相关性的判定方法,特别是通过线性组合法证明向量组线性无关的能力。

解题核心思路:
根据线性无关的定义,假设存在线性组合$k_1\beta_1 + k_2\beta_2 + k_3\beta_3 = 0$,将其展开后代入$\beta_i$的表达式,利用已知$\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$线性无关的条件,得到关于$k_1, k_2, k_3$的齐次方程组。通过分析方程组解的情况,若只有零解,则$\beta_1, \beta_2, \beta_3$线性无关。

破题关键点:

  1. 正确展开线性组合,将$\beta_i$用$\alpha_j$表示。
  2. 构造齐次方程组并分析其解的唯一性。
  3. 利用矩阵秩或行列式判断方程组是否有非零解。

步骤1:假设线性组合为零
设存在常数$k_1, k_2, k_3$,使得:
$k_1\beta_1 + k_2\beta_2 + k_3\beta_3 = 0$

步骤2:代入$\beta_i$的表达式
将$\beta_1 = \alpha_1 + \alpha_2$,$\beta_2 = \alpha_2 + \alpha_3$,$\beta_3 = \alpha_3 + \alpha_1$代入,得:
$k_1(\alpha_1 + \alpha_2) + k_2(\alpha_2 + \alpha_3) + k_3(\alpha_3 + \alpha_1) = 0$

步骤3:整理同类项
合并$\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$的系数:
$(k_1 + k_3)\alpha_1 + (k_1 + k_2)\alpha_2 + (k_2 + k_3)\alpha_3 = 0$

步骤4:利用$\alpha$的线性无关性
由于$\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$线性无关,其系数必须全为零:
$\begin{cases}k_1 + k_3 = 0 \\k_1 + k_2 = 0 \\k_2 + k_3 = 0\end{cases}$

步骤5:构造系数矩阵并化简
系数矩阵为:
$\begin{pmatrix}1 & 0 & 1 \\1 & 1 & 0 \\0 & 1 & 1\end{pmatrix}$
通过行变换化简为:
$\begin{pmatrix}1 & 0 & 1 \\0 & 1 & -1 \\0 & 0 & 2\end{pmatrix}$
秩为3,说明方程组只有零解。

结论:$k_1 = k_2 = k_3 = 0$,故$\beta_1, \beta_2, \beta_3$线性无关。

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