Loading [MathJax]/extensions/TeX/boldsymbol.js
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2: Вектори

Цілі навчання

Прочитавши цю главу, ви повинні мати можливість:

  1. визначити вектор
  2. додавання і віднімання векторів,
  3. знайти лінійні комбінації векторів і їх зв'язок з сукупністю рівнянь,
  4. пояснити, що означає мати лінійно незалежний набір векторів, і
  5. знайти ранг набору векторів.

Що таке вектор?

Вектор - це сукупність чисел в певному порядку. Якщо це сукупністьn чисел, то її називаютьn -мірним вектором. Отже, вектор,\overrightarrow{A} заданий

\overrightarrow{A} = \begin{bmatrix} \begin{matrix} a_{1} \\ a_{2} \\ \end{matrix} \\ \begin{matrix} \vdots \\ a_{n} \\ \end{matrix} \\ \end{bmatrix} \notag

n-вимірний вектор стовпця зn компонентами,a_{1},a_{2},......,a_{n}. Вище наведено вектор-стовпчик. Вектор рядка\lbrack B\rbrack має вигляд,\overrightarrow{B} = \lbrack b_{1},b_{2},....,b_{n}\rbrack де\overrightarrow{B} єn -мірним рядковим вектором зn компонентамиb_{1},b_{2},....,b_{n}.

Приклад 1

Наведіть приклад тривимірного вектора стовпця.

Рішення

Припустимо, що точка в просторі задається її(x,y,z) координатами. Тоді якщо значенняx = 3,\ y = 2,\ z = 5, то вектор стовпця, відповідний розташуванню точок

\begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 3 \\ 2 \\ 5 \\ \end{bmatrix} \notag

Коли два вектори рівні?

Два\overrightarrow{B} вектори\overrightarrow{A} і рівні, якщо вони однакової розмірності і якщо їх відповідні складові рівні.

Враховується

\overrightarrow{A} = \begin{bmatrix} a_{1} \\ a_{2} \\ \vdots \\ a_{n} \\ \end{bmatrix}\notag

і

\overrightarrow{B} = \begin{bmatrix} b_{1} \\ b_{2} \\ \vdots \\ b_{n} \\ \end{bmatrix}\notag

то\overrightarrow{A} = \overrightarrow{B} якщоa_{i} = b_{i},\ \ i = 1,2,......,n.

Приклад 2

Які значення невідомих компонентів в\overrightarrow{B} if

\overrightarrow{A} = \begin{bmatrix} 2 \\ 3 \\ 4 \\ 1 \\ \end{bmatrix}\notag

і

\overrightarrow{B} = \begin{bmatrix} b_{1} \\ 3 \\ 4 \\ b_{4} \\ \end{bmatrix}\notag

і\overrightarrow{A} = \overrightarrow{B}.

Рішення

b_{1} = 2,b_{4} = 1\notag

Як додати два вектори?

Два вектори можуть бути додані тільки в тому випадку, якщо вони мають однакову розмірність, а додавання задається

\begin{split} \lbrack A\rbrack + \lbrack B\rbrack &= \begin{bmatrix} a_{1} \\ a_{2} \\ \vdots \\ a_{n} \\ \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} b_{1} \\ b_{2} \\ \vdots \\ b_{n} \\ \end{bmatrix}\\ &= \begin{bmatrix} a_{1} + b_{1} \\ a_{2} + b_{2} \\ \vdots \\ a_{n} + b_{n} \\ \end{bmatrix} \end{split}\notag

Приклад 3

Додайте два вектори

\overrightarrow{A} = \begin{bmatrix} 2 \\ 3 \\ 4 \\ 1 \\ \end{bmatrix}\notag

і

\overrightarrow{B} = \begin{bmatrix} 5 \\ - 2 \\ 3 \\ 7 \\ \end{bmatrix}\notag

Рішення

\begin{split} \overrightarrow{A} + \overrightarrow{B} &= \begin{bmatrix} 2 \\ 3 \\ 4 \\ 1 \\ \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} 5 \\ - 2 \\ 3 \\ 7 \\ \end{bmatrix}\\ &= \begin{bmatrix} 2 + 5 \\ 3 - 2 \\ 4 + 3 \\ 1 + 7 \\ \end{bmatrix}\\ &= \begin{bmatrix} 7 \\ 1 \\ 7 \\ 8 \\ \end{bmatrix} \end{split}\notag

Приклад 4

У магазині продаються три марки шин: Tirestone, Michigan і Copper. У 1 кварталі продажі задаються вектором стовпця

{\overrightarrow{A}}_{1} = \begin{bmatrix} 25 \\ 5 \\ 6 \\ \end{bmatrix}\notag

де ряди представляють три марки проданих шин — Tirestone, Michigan і Copper відповідно. У 2 кварталі продажі подаються по

{\overrightarrow{A}}_{2} = \begin{bmatrix} 20 \\ 10 \\ 6 \\ \end{bmatrix}\notag

Який загальний обсяг продажу кожної марки шин в першому півріччі?

Рішення

Загальний обсяг продажів буде надано

\begin{split} \overrightarrow{C} &= {\overrightarrow{A}}_{1} + {\overrightarrow{A}}_{2}\\ &= \begin{bmatrix} 25 \\ 5 \\ 6 \\ \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} 20 \\ 10 \\ 6 \\ \end{bmatrix}\\ &= \begin{bmatrix} 25 + 20 \\ 5 + 10 \\ 6 + 6 \\ \end{bmatrix}\\ &= \begin{bmatrix} 45 \\ 15 \\ 12 \\ \end{bmatrix} \end{split}\notag

Так, кількість проданих шин Tirestone становить 45, Мічиган - 15, а Мідь - 12 в першому півріччі.

Що таке нульовий вектор?

Нульовий вектор (також званий нульовим вектором) - це місце, де всі компоненти вектора дорівнюють нулю.

Приклад 5

Наведіть приклад нульового вектора або нульового вектора.

Рішення

Вектор

\begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ \end{bmatrix}\notag

є прикладом нульового або нульового вектора.

Що таке одиничний вектор?

Одиничний вектор\overrightarrow{U} визначається як

\overrightarrow{U} = \begin{bmatrix} u_{1} \\ u_{2} \\ \vdots \\ u_{n} \\ \end{bmatrix}\notag

де

\sqrt{u_{1}^{2} + u_{2}^{2} + u_{3}^{2} + \ldots + u_{n}^{2}} = 1\notag

приклад 6

Наведіть приклади тривимірних одиничних векторів-стовпців.

Рішення

Приклади включають

\begin{bmatrix} \frac{1}{\sqrt{3}} \\ \frac{1}{\sqrt{3}} \\ \frac{1}{\sqrt{3}} \\ \end{bmatrix},\begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ \end{bmatrix},\begin{bmatrix} \frac{1}{\sqrt{2}} \\ \frac{1}{\sqrt{2}} \\ 0 \\ \end{bmatrix},\begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \\ \end{bmatrix},\ \text{etc}.\notag

Як помножити вектор на скаляр?

Якщоk є скалярним і\overrightarrow{A} єn -мірним вектором, то

\begin{split} k\overrightarrow{A} &= k\begin{bmatrix} a_{1} \\ a_{2} \\ \vdots \\ a_{n} \\ \end{bmatrix}\\ &= \begin{bmatrix} ka_{1} \\ ka_{2} \\ \vdots \\ ka_{n} \\ \end{bmatrix} \end{split}\notag

приклад 7

Що таке,2\overrightarrow{A} якщо

\overrightarrow{A} = \begin{bmatrix} 25 \\ 20 \\ 5 \\ \end{bmatrix}\notag

Рішення

\begin{split} 2\overrightarrow{A} &= 2\begin{bmatrix} 25 \\ 20 \\ 5 \\ \end{bmatrix}\\ &= \begin{bmatrix} 2 \times 25 \\ 2 \times 20 \\ 2 \times 5 \\ \end{bmatrix}\\ &= \begin{bmatrix} 50 \\ 40 \\ 10 \\ \end{bmatrix} \end{split}\notag

приклад 8

У магазині продаються три марки шин: Tirestone, Michigan і Copper. У 1 кварталі продажі задаються вектором стовпця

\overrightarrow{A} = \begin{bmatrix} 25 \\ 25 \\ 6 \\ \end{bmatrix}\notag

Якщо мета полягає в тому, щоб збільшити продажі всіх шин мінімум на 25% в наступному кварталі, скільки кожної марки має бути продано?

Рішення

Оскільки мета полягає в тому, щоб збільшити продажі на 25%, можна було б помножити\overrightarrow{A} вектор на 1,25,

\begin{split} \overrightarrow{B} &= 1.25\begin{bmatrix} 25 \\ 25 \\ 6 \\ \end{bmatrix}\\ &= \begin{bmatrix} 31.25 \\ 31.25 \\ 7.5 \\ \end{bmatrix} \end{split}\notag

Так як кількість шин має бути цілим числом, можна сказати, що метою продажів є

\overrightarrow{B} = \begin{bmatrix} 32 \\ 32 \\ 8 \\ \end{bmatrix}\notag

Що ви маєте на увазі під лінійною комбінацією векторів?

Враховується

{\overrightarrow{A}}_{1},{\overrightarrow{A}}_{2},......,{\overrightarrow{A}}_{m}\notag

якm вектори однакової розмірностіn, аk_{1},k_{2},...,k_{m} якщо скаляри, то

k_{1}{\overrightarrow{A}}_{1} + k_{2}{\overrightarrow{A}}_{2} + ....... + k_{m}{\overrightarrow{A}}_{m}\notag

являє собою лінійну комбінаціюm векторів.

приклад 9

Знайти лінійні комбінації

(а)\ \overrightarrow{A} - \overrightarrow{B}\ \text{and}

(б)\ \overrightarrow{A} + \overrightarrow{B} - 3\overrightarrow{C}

де

\overrightarrow{A} = \begin{bmatrix} 2 \\ 3 \\ 6 \\ \end{bmatrix},\overrightarrow{B} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 2 \\ \end{bmatrix},\overrightarrow{C} = \begin{bmatrix} 10 \\ 1 \\ 2 \\ \end{bmatrix}\notag

Рішення

(a)\ почати {спліт}\\ overrightarrow {A} -\ переправа стрілка {B} &=\ почати {bmatrix} 2\\ 3\\ 6\\ кінець {bmatrix} -\ begin {bmatrix} 1\\ 2\\ кінець {bmatrix}\\\ =\ почати {bmatrix} 2 - 1\\ 3 - 1\\\\ кінець {bmatrix}\\\ кінець {bmatrix}\\ &=\ почати {bmatrix} 1\\ 2\\ 4\\ кінець {bmatrix}\ кінець {спліт}

(b)\ почати {спліт}\\ переправа стрілка {A} +\ переправа стрілка {B} - 3\ переправа стрілка {C} &=\ почати {bmatrix} 2\\ 3\\ 6\\ кінець {bmatrix} +\ почати {bmatrix} 1\\ 2\\ кінець {bmatrix} - 3\ begin {bmatrix} 10\\\ 1\\ 2\\\ кінець {bmatrix}\\ &=\ почати {bmatrix} 2 + 1 - 30\\ 3 + 1 - 3\ 6 + 2 - 6\\ кінець {bmatrix}\\ & ; =\ почати {bmatrix} - 27\\ 1\\ 2\\\ кінець {bmatrix}\ кінець {спліт}

Що ви маєте на увазі під лінійно незалежними векторами?

Безліч{\overrightarrow{A}}_{1},{\overrightarrow{A}}_{2},\ldots,{\overrightarrow{A}}_{m} векторів вважається лінійно незалежним, якщо

k_{1}{\overrightarrow{A}}_{1} + k_{2}{\overrightarrow{A}}_{2} + ....... + k_{m}{\overrightarrow{A}}_{m} = \overrightarrow{0}\notag

має лише одне рішення

k_{1} = k_{2} = ...... = k_{m} = 0\notag

приклад 10

Три вектори

{\overrightarrow{A}}_{1} = \begin{bmatrix} 25 \\ 64 \\ 144 \\ \end{bmatrix},\ \ {\overrightarrow{A}}_{2} = \begin{bmatrix} 5 \\ 8 \\ 12 \\ \end{bmatrix},\ \ {\overrightarrow{A}}_{3} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ \end{bmatrix}\notag

лінійно незалежний?

Рішення

Написання лінійної комбінації трьох векторів

k_{1}\begin{bmatrix} 25 \\ 64 \\ 144 \\ \end{bmatrix} + k_{2}\begin{bmatrix} 5 \\ 8 \\ 12 \\ \end{bmatrix} + k_{3}\begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ \end{bmatrix}\notag

дає

\begin{bmatrix} 25k_{1} + 5k_{2} + k_{3} \\ 64k_{1} + 8k_{2} + k_{3} \\ 144k_{1} + 12k_{2} + k_{3} \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ \end{bmatrix}\notag

Наведені вище рівняння мають тільки одне рішення,k_{1} = k_{2} = k_{3} = 0. Однак як ми покажемо, що це єдине рішення? Це показано нижче.

Наведені вище рівняння є

25k_{1} + 5k_{2} + k_{3} = 0 \;\;\;\;\;\;\;(1)\notag

64k_{1} + 8k_{2} + k_{3} = 0 \;\;\;\;\;\;\;(2)\notag

144k_{1} + 12k_{2} + k_{3} = 0 \;\;\;\;\;\;\;(3)\notag

Віднімання Ean (1) з Ean (2) дає

39k_{1} + 3k_{2} = 0\notag

k_{2} = - 13k_{1} \;\;\;\;\;\;\;(4)\notag

Множення Eqn (1) на 8 і віднімання його з Eqn (2), який спочатку помножений на 5 дає

120k_{1} - 3k_{3} = 0\notag

k_{3} = 40k_{1} \;\;\;\;\;\;\;(5)\notag

Пам'ятайте, що ми знайшли Ean (4) і Ean (5) тільки від Eans (1) і (2).

Заміна Eqn (4) і (5) в Eqn (3) дляk_{1} іk_{2} дає

144k_{1} + 12( - 13k_{1}) + 40k_{1} = 0\notag

28k_{1} = 0\notag

k_{1} = 0\notag

Це означає, щоk_{1} має бути нульовим, і з'єднаним з (4) і (5),k_{2} аk_{3} також нулем. Тож єдиним рішенням єk_{1} = k_{2} = k_{3} = 0. Отже, три вектори лінійно незалежні.

Приклад 11

Три вектори

{\overrightarrow{A}}_{1} = \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 5 \\ \end{bmatrix},\ {\overrightarrow{A}}_{2} = \begin{bmatrix} 2 \\ 5 \\ 7 \\ \end{bmatrix},\ {\overrightarrow{A}}_{3} = \begin{bmatrix} 6 \\ 14 \\ 24 \\ \end{bmatrix}\notag

лінійно незалежний?

Рішення

За допомогою інспекції,

{\overrightarrow{A}}_{3} = 2{\overrightarrow{A}}_{1} + 2{\overrightarrow{A}}_{2}\notag

або

- 2{\overrightarrow{A}}_{1} - 2{\overrightarrow{A}}_{2} + {\overrightarrow{A}}_{3} = \overrightarrow{0}\notag

Отже, лінійна комбінація

k_{1}{\overrightarrow{A}}_{1} + k_{2}{\overrightarrow{A}}_{2} + k_{3}{\overrightarrow{A}}_{3} = \overrightarrow{0}\notag

має ненульове рішення

k_{1} = - 2,\ k_{2} = - 2,\ k_{3} = 1\notag

Значить, набір векторів лінійно залежить.

Що робити, якщо я не можу довести інспекцією, що робити? Поставте лінійну комбінацію трьох векторів, рівних нульовому вектору,

k_{1}\begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 5 \\ \end{bmatrix} + k_{2}\begin{bmatrix} 2 \\ 5 \\ 7 \\ \end{bmatrix} + k_{3}\begin{bmatrix} 6 \\ 14 \\ 24 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ \end{bmatrix}\notag

подарувати

k_{1} + 2k_{2} + 6k_{3} = 0 \;\;\;\;\;\;\;(1)\notag

2k_{1} + 5k_{2} + 14k_{3} = 0 \;\;\;\;\;\;\;(2)\notag

5k_{1} + 7k_{2} + 24k_{3} = 0 \;\;\;\;\;\;\;(3)\notag

Множення Eqn (1) на 2 та віднімання з Eqn (2) дає

k_{2} + 2k_{3} = 0\notag

k_{2} = - 2k_{3} \;\;\;\;\;\;\;(4)\notag

Множення Eqn (1) на 2.5 та віднімання з Eqn (2) дає

- 0.5k_{1} - k_{3} = 0\notag

k_{1} = - 2k_{3} \;\;\;\;\;\;\;(5)\notag

Пам'ятайте, що ми знайшли Ean (4) і Ean (5) тільки від Eans (1) і (2).

Замініть Eqn (4) і (5) на Eqn (3) дляk_{1} іk_{2} дає

5\left( - 2k_{3} \right) + 7\left( - 2k_{3} \right) + 24k_{3} = 0\notag

- 10k_{3} - 14k_{3} + 24k_{3} = 0\notag

0 = 0\notag

Це означає, що будь-які значення, що задовольняють Eqns (4) і (5) будуть задовольняти Eqns (1), (2) і (3) одночасно.

Наприклад, вибрав

k_{3} = 6, потім

k_{2} = - 12від Ean (4), а

k_{1} = - 12від Еана (5).

Звідси ми маємо нетривіальне рішення\begin{bmatrix} k_{1} & k_{2} & k_{3} \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} - 12 & - 12 & 6 \\ \end{bmatrix}. Це означає, що три задані вектори лінійно залежні. Чи можете ви знайти інше нетривіальне рішення?

А як щодо наступних трьох векторів?

\begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 5 \\ \end{bmatrix},\begin{bmatrix} 2 \\ 5 \\ 7 \\ \end{bmatrix},\begin{bmatrix} 6 \\ 14 \\ 25 \\ \end{bmatrix}\notag

Вони лінійно залежні або лінійно незалежні?

Зауважте, що єдиною відмінністю цього набору векторів від попереднього є третій запис у третьому векторі. Отже, рівняння (4) та (5) залишаються дійсними. Який висновок ви робите, коли вставляєте рівняння (4) та (5) у третьому рівнянні:5k_{1} + 7k_{2} + 25k_{3} = 0? Що змінилося?

Приклад 12

Три вектори

{\overrightarrow{A}}_{1} = \begin{bmatrix} 25 \\ 64 \\ 89 \\ \end{bmatrix},\ {\overrightarrow{A}}_{2} = \begin{bmatrix} 5 \\ 8 \\ 13 \\ \end{bmatrix},\ {\overrightarrow{A}}_{3} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 2 \\ \end{bmatrix}\notag

лінійно незалежний?

Рішення

Запис лінійної комбінації трьох векторів і прирівнювання до нульового вектора

k_{1}\begin{bmatrix} 25 \\ 64 \\ 89 \\ \end{bmatrix} + k_{2}\begin{bmatrix} 5 \\ 8 \\ 13 \\ \end{bmatrix} + k_{3}\begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 2 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ \end{bmatrix}\notag

дає

\begin{bmatrix} 25k_{1} + 5k_{2} + k_{3} \\ 64k_{1} + 8k_{2} + k_{3} \\ 89k_{1} + 13k_{2} + 2k_{3} \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ \end{bmatrix}\notag

Крім тогоk_{1} = k_{2} = k_{3} = 0, можна знайти і інші рішення, дляk_{1},\ k_{2},\ k_{3} яких не рівні нулю. Наприклад,k_{1} = 1,\ k_{2} = - 13,\ k_{3} = 40 це також рішення, як

1\begin{bmatrix} 25 \\ 64 \\ 89 \\ \end{bmatrix} - 13\begin{bmatrix} 5 \\ 8 \\ 13 \\ \end{bmatrix} + 40\begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 2 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ \end{bmatrix}\notag

Отже{\overrightarrow{A}}_{1},\ \ {\overrightarrow{A}}_{2},\ \ {\overrightarrow{A}}_{3}, лінійно залежні.

Що ви маєте на увазі під рангом набору векторів?

З безлічіn -мірних векторів максимальна кількість лінійно незалежних векторів в множині називається рангом множини векторів. Зауважте, що ранг векторів ніколи не може бути більшим за розмірність векторів.

приклад 13

Що таке ранг

{\overrightarrow{A}}_{1} = \begin{bmatrix} 25 \\ 64 \\ 144 \\ \end{bmatrix},\ {\overrightarrow{A}}_{2} = \begin{bmatrix} 5 \\ 8 \\ 12 \\ \end{bmatrix},\ {\overrightarrow{A}}_{3} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ \end{bmatrix}?\notag

Рішення

Оскільки ми знайшли в прикладі 2.10,{\overrightarrow{A}}_{1},\ {\overrightarrow{A}}_{2},\ {\overrightarrow{A}}_{3} які лінійно незалежні, ранг множини векторів{\overrightarrow{A}}_{1},\ {\overrightarrow{A}}_{2},\ {\overrightarrow{A}}_{3} дорівнює 3. Якби нам дали інший вектор{\overrightarrow{A}}_{4}, ранг множини векторів все одно становив{\overrightarrow{A}}_{1},\ {\overrightarrow{A}}_{2},\ {\overrightarrow{A}}_{3},{\overrightarrow{A}}_{4} би 3, оскільки ранг набору векторів завжди менше або дорівнює розмірності векторів і{\overrightarrow{A}}_{1},\ {\overrightarrow{A}}_{2},\ {\overrightarrow{A}}_{3} які принаймні лінійно незалежні.

приклад 14

Що таке ранг

{\overrightarrow{A}}_{1} = \begin{bmatrix} 25 \\ 64 \\ 89 \\ \end{bmatrix},\ {\overrightarrow{A}}_{2} = \begin{bmatrix} 5 \\ 8 \\ 13 \\ \end{bmatrix},\ {\overrightarrow{A}}_{3} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 2 \\ \end{bmatrix}?\notag

Рішення

У прикладі 2.12 ми виявили, що{\overrightarrow{A}}_{1},\ {\overrightarrow{A}}_{2},\ {\overrightarrow{A}}_{3} лінійно{\overrightarrow{A}}_{1},\ {\overrightarrow{A}}_{2},\ {\overrightarrow{A}}_{3} залежні, ранг, отже, не 3, а менше 3. Це 2? Давайте виберемо два з трьох векторів

{\overrightarrow{A}}_{1} = \begin{bmatrix} 25 \\ 64 \\ 89 \\ \end{bmatrix},\ {\overrightarrow{A}}_{2} = \begin{bmatrix} 5 \\ 8 \\ 13 \\ \end{bmatrix}\notag

Лінійна комбінація{\overrightarrow{A}}_{1} і{\overrightarrow{A}}_{2} дорівнює нулю має лише одне рішення — тривіальне рішення. Тому ранг дорівнює 2.

Приклад 15

Що таке ранг

{\overrightarrow{A}}_{1} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 2 \\ \end{bmatrix},\ {\overrightarrow{A}}_{2} = \begin{bmatrix} 2 \\ 2 \\ 4 \\ \end{bmatrix},\ {\overrightarrow{A}}_{3} = \begin{bmatrix} 3 \\ 3 \\ 5 \\ \end{bmatrix}?\notag

Рішення

З огляду,

{\overrightarrow{A}}_{2} = 2{\overrightarrow{A}}_{1},\notag

що має на увазі

2{\overrightarrow{A}}_{1} - {\overrightarrow{A}}_{2} + 0{\overrightarrow{A}}_{3} = \overrightarrow{0}\notag

Звідси

k_{1}{\overrightarrow{A}}_{1} + k_{2}{\overrightarrow{A}}_{2} + k_{3}{\overrightarrow{A}}_{3} = \overrightarrow{0}\notag

має нетривіальне рішення.

Отже{\overrightarrow{A}}_{1},\ \ {\overrightarrow{A}}_{2},\ \ {\overrightarrow{A}}_{3}, лінійно залежні, а отже, ранг трьох векторів не 3. Так як

{\overrightarrow{A}}_{2} = 2{\overrightarrow{A}}_{1},\notag

{\overrightarrow{A}}_{1}\text{ and }{\overrightarrow{A}}_{2}лінійно залежні, але

k_{1}{\overrightarrow{A}}_{1} + k_{3}{\overrightarrow{A}}_{3} = \overrightarrow{0}.\notag

має тривіальне рішення як єдине рішення. Так{\overrightarrow{A}}_{1} і{\overrightarrow{A}}_{3} є лінійно незалежними. Ранг перерахованих вище трьох векторів - 2.

Довести, що якщо набір векторів містить нульовий вектор, множина векторів лінійно залежить.

{\overrightarrow{A}}_{1},{\overrightarrow{A}}_{2},.........,{\overrightarrow{A}}_{m}Дозволяти набірn -мірних векторів, то

k_{1}{\overrightarrow{A}}_{1} + k_{2}{\overrightarrow{A}}_{2} + \ \ldots\ + k_{m}{\overrightarrow{A}}_{m} = \overrightarrow{0}\notag

лінійна комбінація m векторів. Тоді припускаючи,{\overrightarrow{A}}_{1} що нульовий або нульовий вектор, будь-яке значенняk_{1} пов'язаного зk_{2} = k_{3} = \ ..\ .\ = k_{m} = 0 задовольнить вищевказане рівняння. Отже, множина векторів є лінійно залежною, оскільки існує більше одного розв'язку.

Довести, що якщо множина m векторів лінійно незалежна, то підмножина m векторів також повинна бути лінійно незалежною.

Нехай ця підмножина векторів буде

{\overrightarrow{A}}_{a1},{\overrightarrow{A}}_{a2},\ldots,{\overrightarrow{A}}_{\text{ap}}\notag

деp < m.

Тоді, якщо ця підмножина векторів лінійно залежить, лінійна комбінація

k_{1}{\overrightarrow{A}}_{a1} + k_{2}{\overrightarrow{A}}_{a2} + \ldots + k_{p}{\overrightarrow{A}}_{\text{ap}} = \overrightarrow{0}\notag

має нетривіальне рішення.

Так

k_{1}{\overrightarrow{A}}_{a1} + k_{2}{\overrightarrow{A}}_{a2} + \ldots + k_{p}{\overrightarrow{A}}_{\text{ap}} + 0{\overrightarrow{A}}_{a(p + 1)} + ....... + 0{\overrightarrow{A}}_{\text{am}} = \overrightarrow{0}\notag

також має нетривіальне рішення теж, де{\overrightarrow{A}}_{a\left( p + 1 \right)},\ldots,{\overrightarrow{A}}_{\text{am}} знаходяться інші(m - p) вектори. Однак це протиріччя. Тому підмножина лінійно незалежних векторів не може бути лінійно залежною.

Доведіть, що якщо набір векторів лінійно залежить, то принаймні один вектор може бути записаний як лінійна комбінація інших.

{\overrightarrow{A}}_{1},{\overrightarrow{A}}_{2},\ldots,{\overrightarrow{A}}_{m}Дозволяти лінійно залежним множиною векторів, тоді існує набір скалярів

k_{1},\ldots,k_{m}не всі з яких дорівнюють нулю для лінійного комбінаційного рівняння

k_{1}{\overrightarrow{A}}_{1} + k_{2}{\overrightarrow{A}}_{2} + \ldots + k_{m}{\overrightarrow{A}}_{m} = \overrightarrow{0}.\notag

k_{p}Дозволяти бути одним з ненульових значеньk_{i},\ i = 1,\ldots,m, тобтоk_{p} \neq 0, то

A_{p} = - \frac{k_{2}}{k_{p}}{\overrightarrow{A}}_{2} - \ \ldots\ - \frac{k_{p - 1}}{k_{p}}{\overrightarrow{A}}_{p - 1} - \frac{k_{p + 1}}{k_{p}}{\overrightarrow{A}}_{p + 1} - \ \ldots\ - \frac{k_{m}}{k_{p}}{\overrightarrow{A}}_{m}\notag

і це доводить теорему.

Довести, що якщо розмірність множини векторів менше, ніж кількість векторів у множині, то множина векторів лінійно залежить.

Чи можете ви це довести?

Як можна використовувати вектори для запису одночасних лінійних рівнянь?

Якщо набірm одночасних лінійних рівнянь зn невідомими записується як

a_{11}x_{1} + \ \ldots\ + a_{1n}x_{n} = c_{1}\notag

a_{21}x_{1} + \ \ldots\ + a_{2n}x_{n} = c_{2}\notag

\begin{matrix} \vdots & & & \vdots \\ \vdots & & & \vdots \\ \end{matrix}\notag

a_{m1}x_{1} + \ \ldots\ + a_{\text{mn}}x_{n} = c_{n}\notag

де

x_{1},x_{2},\ldots,x_{n}є невідомими, то в векторних позначеннях їх можна записати як

x_{1}{\overrightarrow{A}}_{1} + x_{2}{\overrightarrow{A}}_{2} + \ldots + x_{n}{\overrightarrow{A}}_{n} = \overrightarrow{C}\notag

де

{\overrightarrow{A}}_{1} = \begin{bmatrix} a_{11} \\ \vdots \\ a_{m1} \\ \end{bmatrix}\notag

де

{\overrightarrow{A}}_{1} = \begin{bmatrix} a_{11} \\ \vdots \\ a_{m1} \\ \end{bmatrix}\notag

{\overrightarrow{A}}_{2} = \begin{bmatrix} a_{12} \\ \vdots \\ a_{m2} \\ \end{bmatrix}\notag

{\overrightarrow{A}}_{n} = \begin{bmatrix} a_{1n} \\ \vdots \\ a_{\text{mn}} \\ \end{bmatrix}\notag

{\overrightarrow{C}}_{1} = \begin{bmatrix} c_{1} \\ \vdots \\ c_{m} \\ \end{bmatrix}\notag

Тепер проблема стає, чи можна знайти скаляриx_{1},x_{2},.....,x_{n} такі, що лінійна комбінація

x_{1}{\overrightarrow{A}}_{1} + .......... + x_{n}{\overrightarrow{A}}_{n}\notag

дорівнює тому\overrightarrow{C}, що

x_{1}{\overrightarrow{A}}_{1} + .......... + x_{n}{\overrightarrow{A}}_{n} = \overrightarrow{C}\notag

приклад 16

Напишіть

25x_{1} + 5x_{2} + x_{3} = 106.8\notag

64x_{1} + 8x_{2} + x_{3} = 177.2\notag

144x_{1} + 12x_{2} + x_{3} = 279.2\notag

як лінійна комбінація множини векторів, рівних іншому вектору.

Рішення

\begin{bmatrix} 25x_{1} & + 5x_{2} & + x_{3} \\ 64x_{1} & + 8x_{2} & + x_{3} \\ 144x_{1} & + 12x_{2} & + x_{3} \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 106.8 \\ 177.2 \\ 279.2 \\ \end{bmatrix}\notag

x_{1}\begin{bmatrix} 25 \\ 64 \\ 144 \\ \end{bmatrix} + x_{2}\begin{bmatrix} 5 \\ 8 \\ 12 \\ \end{bmatrix} + x_{3}\begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 106.8 \\ 177.2 \\ 279.2 \\ \end{bmatrix}\notag

Яке визначення точкового добутку двох векторів?

\overrightarrow{B} = \left\lbrack b_{1},b_{2},\ldots,b_{n} \right\rbrackДозволяти\overrightarrow{A} = \left\lbrack a_{1},a_{2},\ldots,a_{n} \right\rbrack і бути двома n -мірними векторами. Потім крапковий добуток двох векторів\overrightarrow{A} і\overrightarrow{B} визначається як

\overrightarrow{A} \cdot \overrightarrow{B} = a_{1}b_{1} + a_{2}b_{2} + \ldots + a_{n}b_{n} = \sum_{i = 1}^{n}{a_{i}b_{i}}\notag

Точковий твір ще називають внутрішнім твором.

приклад 17

Знайти точковий добуток двох векторів\overrightarrow{A} =[4, 1, 2, 3] і\overrightarrow{B} =[3, 1, 7, 2].

Рішення

\begin{split} \overrightarrow{A} \cdot \overrightarrow{B} &= \lbrack 4,1,2,3\rbrack\ .\ \lbrack 3,1,7,2\rbrack\\ &= \left( 4 \right)\left( 3 \right) + \left( 1 \right)\left( 1 \right) + \left( 2 \right)\left( 7 \right) + \left( 3 \right)\left( 2 \right)\\ &= 33 \end{split}\notag

Приклад 18

Лінійка продуктів потребує трьох видів гуми, як зазначено в таблиці нижче.

Гумовий тип Вага (фунти) Вартість за фунт ($)

A

Б

C

200

250

310

20.23

30.56

29.12

Використовуйте визначення точкового продукту, щоб знайти загальну ціну необхідної гуми.

Рішення

Вектор ваги задається

\overrightarrow{W} = \lbrack 200,250,310\rbrack\notag

а вектор вартості задається

\overrightarrow{C} = \lbrack 20.23,30.56,29.12\rbrack\notag

Загальна вартість гуми буде точковим добутком\overrightarrow{W} і\overrightarrow{C}.

\begin{split} \overrightarrow{W} \cdot \overrightarrow{C} &= \lbrack 200,250,310\rbrack \cdot \lbrack 20.23,30.56,29.12\rbrack\\ &= (200)(20.23) + (250)(30.56) + (310)(29.12)\\ &= 4046 + 7640 + 9027.2\\ &= \text{\$} 20713.20 \end{split}\notag

Вектори Вікторина

Вікторина 1

Набір рівнянь

4x_{1} + 7x_{2} + 11x_{3} = 13\notag

17x_{1} + 39x_{2} + 23x_{3} = 31\notag

13x_{1} + 67x_{2} + 59x_{3} = 37\notag

також можна записати як

(А)x_{1}\begin{bmatrix} 4 \\ 17 \\ 13 \\ \end{bmatrix} + x_{2}\begin{bmatrix} 7 \\ 39 \\ 23 \\ \end{bmatrix} + x_{3}\begin{bmatrix} 11 \\ 23 \\ 59 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 13 \\ 31 \\ 37 \\ \end{bmatrix}

(Б)4\begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \\ \end{bmatrix} + 39\begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \\ \end{bmatrix} + 59\begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 13 \\ 31 \\ 37 \\ \end{bmatrix}

(С)x_{1}\begin{bmatrix} 4 \\ 7 \\ 11 \\ \end{bmatrix} + x_{2}\begin{bmatrix} 17 \\ 39 \\ 23 \\ \end{bmatrix} + x_{3}\begin{bmatrix} 13 \\ 67 \\ 59 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 13 \\ 31 \\ 37 \\ \end{bmatrix}

(D)x_{1}\begin{bmatrix} 13 \\ 17 \\ 4 \\ \end{bmatrix} + x_{2}\begin{bmatrix} 67 \\ 39 \\ 7 \\ \end{bmatrix} + x_{3}\begin{bmatrix} 59 \\ 23 \\ 11 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 57 \\ 13 \\ 31 \\ \end{bmatrix}

Вікторина 2

Величина вектора,V = (5, - 3,2) дорівнює

(А)4

(Б)10

(С)\sqrt{38}

(D)\sqrt{20}

Вікторина 3

ранг вектора

\overset{\rightarrow}{A}\begin{bmatrix} 2 \\ 3 \\ 7 \\ \end{bmatrix},\begin{bmatrix} 6 \\ 9 \\ 21 \\ \end{bmatrix},\begin{bmatrix} 3 \\ 2 \\ 7 \\ \end{bmatrix}\notag

є

(А)1

(Б)2

(С)3

(D)4

Вікторина 4

Якщо\overrightarrow{A} = (5,2,3) і\overrightarrow{B} = (6, - 7,3), то4\overrightarrow{A} + 5\overrightarrow{B} є

(А)(50, - 5,6)

(Б)(50, - 27,27)

(С)(11, - 5,6)

(D)(20,8,12)

Вікторина 5

Точковий добуток двох векторів\overset{\rightarrow}{A} і\overset{\rightarrow}{B}

\overset{\rightarrow}{A} = 3i + 5j + 7k\notag

\overset{\rightarrow}{B} = 11i + 13j + 17k\notag

більшість майже є

(А)14.80

(Б)33.00

(С)56.00

(D)217.0

Вікторина 6

Кут в градусах між двома векторами\overrightarrow{u} і\overrightarrow{v}

\overset{\rightarrow}{u} = 3i + 5j + 7k\notag

\overset{\rightarrow}{v} = 11i + 13j + 17k\notag

більшість майже є

(А)8.124

(Б)11.47

(С)78.52

(D)81.88

Вектори вправи

Вправа 1

Для

\overrightarrow{A} = \begin{bmatrix} 2 \\ 9 \\ - 7 \\ \end{bmatrix},\overrightarrow{B} = \begin{bmatrix} 3 \\ 2 \\ 5 \\ \end{bmatrix},\overrightarrow{C} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ \end{bmatrix}

знайти\overrightarrow{A} + \overrightarrow{B} і2\overrightarrow{A} - 3\overrightarrow{B} + \overrightarrow{C}.

Відповідь

\begin{bmatrix} 5 \\ 11 \\ - 2 \\ \end{bmatrix};\begin{bmatrix} - 4 \\ 13 \\ - 28 \\ \end{bmatrix}

Вправа 2

Є

\overrightarrow{A} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ \end{bmatrix},\overrightarrow{B} = \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 5 \\ \end{bmatrix},\overrightarrow{C} = \begin{bmatrix} 1 \\ 4 \\ 25 \\ \end{bmatrix}

лінійно незалежний?.

Який ранг вищевказаного набору векторів?

Відповідь

3

Вправа 3

Додайте сюди текст вправ.

Є

\overrightarrow{A} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ \end{bmatrix},\overrightarrow{B} = \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 5 \\ \end{bmatrix},\overrightarrow{C} = \begin{bmatrix} 3 \\ 5 \\ 7 \\ \end{bmatrix}

лінійно незалежний?.

Який ранг вищевказаного набору векторів?

Відповідь

3

Вправа 4

Є

\overrightarrow{A} = \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 5 \\ \end{bmatrix},\overrightarrow{B} = \begin{bmatrix} 2 \\ 4 \\ 10 \\ \end{bmatrix},\overrightarrow{C} = \begin{bmatrix} 1.1 \\ 2.2 \\ 5.5 \\ \end{bmatrix}

лінійно незалежний?

Який ранг вищевказаного набору векторів?

Відповідь

Ні; 1

Вправа 5

Якщо набір векторів містить нульовий вектор, множина векторів лінійно

  1. Незалежний
  2. Залежний?
Відповідь

Б

Вправа 6

Якщо набір векторів лінійно незалежний, підмножина векторів лінійно

  1. Незалежний.
  2. Залежний.
Відповідь

A

Вправа 7

Якщо набір векторів лінійно залежний, то

  1. Принаймні один вектор можна записати як лінійну комбінацію інших.
  2. Принаймні один вектор є нульовим вектором.
Відповідь

A

Вправа 8

Якщо розмірність множини векторів менше кількості векторів у множині, то множина векторів лінійно

  1. Залежний.
  2. Незалежний.
Відповідь

A

Вправа 9

Знайти точковий добуток\overrightarrow{A} = (2,1,2.5,3) і\overrightarrow{B} = ( - 3,2,1,2.5)

Відповідь

6

Вправа 10

Якщо\overrightarrow{u},\overrightarrow{v},\overrightarrow{w} три ненульових вектора 2-вимірності, то

  1. \overrightarrow{u},\overrightarrow{v},\overrightarrow{w}лінійно незалежні
  2. \overrightarrow{u},\overrightarrow{v},\overrightarrow{w}лінійно залежні
  3. \overrightarrow{u},\overrightarrow{v},\overrightarrow{w}є одиничними векторами
  4. k_{1}\overrightarrow{u} + k_{2}\overrightarrow{v} + k_{3}\overrightarrow{v} = \overrightarrow{0}має унікальне рішення.
Відповідь

Б

Вправа 11

\overrightarrow{u}і\overrightarrow{v} є двома ненульовими векторами розмірностіn. Доведіть, що якщо\overrightarrow{u} і\overrightarrow{v} лінійно залежні, існує скалярнийq такий, що\overrightarrow{v} = q\overrightarrow{u}.

Відповідь

Підказка:

Почніть зk_{1}\overrightarrow{u} + k_{2}\overrightarrow{v} = \overrightarrow{0}

Покажіть, щоk_{1} \neq 0 іk_{2} \neq 0 тому\overrightarrow{v},\overrightarrow{u} і є ненульовими.

Звідси

\begin{split} \overrightarrow{\nu} &= - \frac{k_{1}}{k_{2}}\overrightarrow{u}\\ &=q\overrightarrow{u} \;\;\;\;\;\;\;\ q=- \frac{k_{1}}{k_{2}} \end{split}

Вправа 12

\overrightarrow{u}і\overrightarrow{v} є двома ненульовими векторами розмірностіn. Доведіть, що якщо є скалярнийq такий\overrightarrow{v} = q\overrightarrow{u}, що, то\overrightarrow{u} і\overrightarrow{v} лінійно залежать.

Відповідь

Підказка:

Так як

\begin{matrix} \overrightarrow{v} = q\overrightarrow{u} \\ \overrightarrow{v} - q\overrightarrow{u} = \overrightarrow{0} \\ \end{matrix}

q \neq 0, інакше\overrightarrow{v} = \overrightarrow{0}

Отже, рівняння

k_{1}\overrightarrow{v} + k_{2}\overrightarrow{u} = \overrightarrow{0}\notag

має нетривіальне рішення

k_{1} = 1,k_{2} = q \neq 0.\notag