3 Lineární kombinace vektorů. Lineární závislost a nezávislost

Podobné dokumenty
1 Řešení soustav lineárních rovnic

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

1 Soustavy lineárních rovnic

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

Základní pojmy teorie množin Vektorové prostory

a počtem sloupců druhé matice. Spočítejme součin A.B. Označme matici A.B = M, pro její prvky platí:

9 Kolmost vektorových podprostorů

Soustavy lineárních rovnic

(ne)závislost. α 1 x 1 + α 2 x α n x n. x + ( 1) x Vektoru y = ( 1) y říkáme opačný vektor k vektoru y. x x = 1. x = x = 0.

0.1 Úvod do lineární algebry

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

Obsah. Lineární rovnice. Definice 7.9. a i x i = a 1 x a n x n = b,

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

Báze a dimenze vektorových prostorů

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava luk76/la1

VĚTY Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Soustavy lineárních rovnic

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

Odpřednesenou látku naleznete v kapitole 3.1 skript Abstraktní a konkrétní lineární algebra.

maticeteorie 1. Matice A je typu 2 4, matice B je typu 4 3. Jakých rozměrů musí být matice X, aby se dala provést

0.1 Úvod do lineární algebry

Pavel Horák LINEÁRNÍ ALGEBRA A GEOMETRIE 1 UČEBNÍ TEXT

Pavel Horák, Josef Janyška LINEÁRNÍ ALGEBRA UČEBNÍ TEXT

Lineární algebra : Lineární (ne)závislost

1 Vektorové prostory.

x 2 = a 2 + tv 2 tedy (a 1, a 2 ) T + [(v 1, v 2 )] T A + V Příklad. U = R n neprázdná množina řešení soustavy Ax = b.

Jedná se o soustavy ve tvaru A X = B, kde A je daná matice typu m n,

Definice. Vektorový prostor V nad tělesem T je množina s operacemi + : V V V, tj. u, v V : u + v V : T V V, tj. ( u V )( a T ) : a u V které splňují

příkladů do cvičení. V textu se objeví i pár detailů, které jsem nestihl (na které jsem zapomněl) a(b u) = (ab) u, u + ( u) = 0 = ( u) + u.

7. Důležité pojmy ve vektorových prostorech

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

Soustavy linea rnı ch rovnic

Lineární algebra : Lineární prostor

Kapitola 11: Vektory a matice:

6.1 Vektorový prostor

Soustavy. Terminologie. Dva pohledy na soustavu lin. rovnic. Definice: Necht A = (a i,j ) R m,n je matice, b R m,1 je jednosloupcová.

6. Lineární nezávislost a báze p. 1/18

1 Lineární prostory a podprostory

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

7. Lineární vektorové prostory

Lineární prostory. - vektorové veličiny(síla, rychlost, zrychlení,...), skládání, násobení reálným číslem

Vektorový prostor. Př.1. R 2 ; R 3 ; R n Dvě operace v R n : u + v = (u 1 + v 1,...u n + v n ), V (E 3 )...množina vektorů v E 3,

α 1 α 2 + α 3 = 0 2α 1 + α 2 + α 3 = 0

ALGEBRA. Téma 5: Vektorové prostory

10. Vektorové podprostory

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

6 Lineární geometrie. 6.1 Lineární variety

Lineární algebra : Metrická geometrie

Základy matematiky pro FEK

2. Určete jádro KerL zobrazení L, tj. nalezněte alespoň jednu jeho bázi a určete jeho dimenzi.

1 Determinanty a inverzní matice

Kapitola 11: Vektory a matice 1/19

Matematický ústav Slezské univerzity v Opavě Učební texty k přednášce ALGEBRA II, letní semestr 2000/2001 Michal Marvan. 14.

Lineární algebra. Soustavy lineárních rovnic

Uspořádanou n-tici reálných čísel nazveme aritmetický vektor (vektor), ā = (a 1, a 2,..., a n ). Čísla a 1, a 2,..., a n se nazývají složky vektoru

Skalární součin dovoluje zavedení metriky v afinním bodovém prostoru, tj. umožňuje nám určovat vzdálenosti, odchylky, obsahy a objemy.

Matematika 2 pro PEF PaE

Výběr báze. u n. a 1 u 1

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Obecná úloha lineárního programování

6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE

Matice. Modifikace matic eliminační metodou. α A = α a 2,1, α a 2,2,..., α a 2,n α a m,1, α a m,2,..., α a m,n

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ

Podobnost matic. Definice 8.6. Dány matice A, B M n (C). Jestliže existuje regulární matice P M n (C) tak,

2. kapitola: Euklidovské prostory

Afinita je stručný název pro afinní transformaci prostoru, tj.vzájemně jednoznačné afinní zobrazení bodového prostoru A n na sebe.

IB112 Základy matematiky

PROSTORY SE SKALÁRNÍM SOUČINEM. Definice Nechť L je lineární vektorový prostor nad R. Zobrazení L L R splňující vlastnosti

Úvod do lineární algebry

VEKTOROVÝ PROSTOR. Vektorový prostor V n je množina všech n-složkových vektorů spolu s operacemi sčítání, odčítání vektorů a reálný násobek vektoru.

Matematika B101MA1, B101MA2

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

Řešení. Hledaná dimenze je (podle definice) rovna hodnosti matice. a a 2 2 1

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

Vlastní čísla a vlastní vektory

8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice

Lineární (ne)závislost

Lineární algebra : Vlastní čísla, vektory a diagonalizace

Aritmetické vektory. Martina Šimůnková. Katedra aplikované matematiky. 16. března 2008

Věta 12.3 : Věta 12.4 (princip superpozice) : [MA1-18:P12.7] rovnice typu y (n) + p n 1 (x)y (n 1) p 1 (x)y + p 0 (x)y = q(x) (6)

[1] Vzhledem ke zvolené bázi určujeme souřadnice vektorů...

Operace s maticemi. 19. února 2018

Matematika. Kamila Hasilová. Matematika 1/34

6 Samodružné body a směry afinity

1 Zobrazení 1 ZOBRAZENÍ 1. Zobrazení a algebraické struktury. (a) Ukažte, že zobrazení f : x

Vektorový prostor. d) Ke každému prvku u V n existuje tzv. opačný prvek u, pro který platí, že u + u = o (vektor u nazýváme opačný vektor k vektoru u)

Báze a dimense. Odpřednesenou látku naleznete v kapitolách a 3.6 skript Abstraktní a konkrétní lineární algebra.

ALGEBRA A TEORETICKÁ ARITMETIKA. 1. část - Lineární algebra. doc.rndr. Jarmila Novotná, CSc. doc.rndr. Milan Trch, CSc.

1. DIFERENCIÁLNÍ POČET FUNKCE DVOU PROMĚNNÝCH

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

Matematika B101MA1, B101MA2

Lineární algebra : Báze a dimenze

Vektorové prostory R ( n 1,2,3)

Matematika 2 (Fakulta ekonomická) Cvičení z lineární algebry. TU v Liberci

Transkript:

3 Lineární kombinace vektorů. Lineární závislost a nezávislost vektorů. Obrázek 5: Vektor w je lineární kombinací vektorů u a v. Vektory u, v a w jsou lineárně závislé. Obrázek 6: Vektor q je lineární kombinací vektorů u, v a w. Vektory u, v, w a q jsou lineárně závislé. 23

3.1 Lineární kombinace vektorů Definice 4. Nechť u, v 1, v 2,..., v n jsou prvky vektorového prostoru V nad tělesem T. Řekneme, že vektor u je lineární kombinací vektorů v 1, v 2,..., v n, právě když existují prvky a 1,a 2,..., a n T tak, že platí: n u = a 1 v 1 + a 2 v 2 +... + a n v n = a i v i. Prvky a 1,a 2,..., a n nazýváme koeficienty lineární kombinace. Jsou-li všechny koeficienty rovny nule, nazývá se lineární kombinace triviální, jinak se nazývá netriviální. i=1 PŘÍKLAD 3.1. Ověřte, zda vektor u =(4, 1, 3) je lineární kombinací vektorů v 1 =(1, 0, 2), v 2 =( 2, 1, 1). PŘÍKLAD 3.2. Ověřte, zda vektor w =( 1, 1, 0) je lineární kombinací vektorů v 1 =(1, 0, 2), v 2 =( 2, 1, 1). PŘÍKLAD 3.3. Vymyslete nejméně tři vektory o stejném počtu prvků a vytvořte jejich tři různé lineární kombinace. 3.2 Lineární závislost a nezávislost vektorů PŘÍKLAD 3.4. Množina M = {(1, 1, 1), (0, 1, 1), (0, 0, 1), (1, 2, 3)} je tvořena čtyřmi vektory z vektorového prostoru R 3. Rozhodněte, zda je některý z těchto vektorů lineární kombinací ostatních. Řešení: Označme dané vektory: v 1 =(1, 1, 1), v 2 =(0, 1, 1), v 3 =(0, 0, 1) a v 4 = (1, 2, 3). Potom platí v 1 + v 2 + v 3 v 4 = o (V tomto případě se to dá uvidět, jinak řešíme příslušnou homogenní soustavu.). Je tedy zřejmé, že každý z daných vektorů se dá vyjádřit jako lineární kombinace těch zbývajících, například v 2 = v 1 v 3 + v 4. Ale pozor! Jak vidíme v následujícím příkladě, ne vždy tomu tak je. PŘÍKLAD 3.5. Jsou dány vektory v 1 =(1, 1, 1), v 2 =(0, 1, 1), v 3 =(0, 0, 1) a v 4 =(0, 2, 1). Rozhodněte, zda lze každý z nich vyjádřit jako lineární kombinaci těch zbývajících. Řešení: Poučeni předcházejícím příkladem se ptáme, zda existují takové koeficienty k, l, m, n R, pro které platí k v 1 + l v 2 + m v 3 + n v 4 = o. Po dosazení souřadnic vektorů můžeme psát 1 0 0 0 0 k 1 + l 1 + m 0 + n 2 = 0. (10) 1 1 1 1 0 24

Po vynásobení a sečtení na levé straně obě strany rovnosti (10) porovnáme. To vede k homogenní soustavě lineárních rovnic s maticí 1 0 0 0 1 1 0 2 1 1 1 1 (všimněte si, že sloupcovými vektory této matice jsou dané vektory). Užitím Gaussovy eliminace dostáváme k =0 1 0 0 0 1 0 0 0 l +2n =0 1 1 0 2 0 1 0 2 m n =0 1 1 1 1 0 0 1 1. Jestliže zvolíme n = t; t R, pro zbývající neznámé platí k =0,l= 2t, m = t, tj. množinou řešení homogenní soustavy je W = {(0, 2t, t, t); t R}. Pro naše účely stačí použít jedno konkrétní řešení. Např. pro t = 1 dostáváme řešení (0, 2, 1, 1) a příslušná lineární kombinace má tvar 0 v 1 2 v 2 + v 3 + v 4 = o. Z této rovnosti je zřejmé, že každý z vektorů v 2, v 3, v 4 můžeme vyjádřit jako lineární kombinaci zbývajících, např. v 3 = 2 v 2 v 4. Pro vektor v 1 to však neplatí! Ten kvůli jeho nulovému koeficientu nemůžeme vyjádřit jako lineární kombinaci ostatních vektorů. Zobrazte si dané čtyři vektory v GeoGebře a pokuste se odhalit, jak jejich geometrická konfigurace souvisí s řešením příkladu. PŘÍKLAD 3.6. Jsou dány vektory a =(1, 1, 0), b =(0, 3, 1), c =(1, 0, 2) a d = (2, 1, 1). Rozhodněte, zda lze každý z nich vyjádřit jako lineární kombinaci těch zbývajících. Zobrazte si vektory v GeoGebře. Definice 5 (Lineární závislost a nezávislost vektorů). Vektory u 1, u 2,..., u n z vektorového prostoru V nad tělesem T se nazývají: a) vektory lineárně nezávislé, právě když je pouze triviální lineární kombinace těchto vektorů rovna nulovému vektoru, tj. n a 1,a 2,..., a n T ; a i u i = o (a 1 =0 a 2 =0... a n =0). i=1 b) vektory lineárně závislé, právě když existuje aspoň jedna jejich netriviální lineární kombinace, která je rovna nulovému vektoru, tj. n a 1,a 2,..., a n T ; a i u i = o (a 1 0 a 2 0... a n 0). i=1 25

Poznámka. Jak je to pro n = 1, tj. je jeden vektor lineárně závislý nebo nezávislý? Vektor u je lineárně nezávislý, právě když je u o. PŘÍKLAD 3.7. Rozhodněte o lineární závislosti vektorů: a) v 1 =(1, 0, 2), v 2 =( 2, 1, 1), v 2 =(4, 1, 3). b) u 1 =(1, 0, 2), u 2 =( 2, 1, 1), u 2 =( 1, 1, 0). Věta 4 (Alternativní definice lineární závislosti). Vektory u 1, u 2,..., u k, kde k>1, z vektorového prostoru V nad T jsou lineárně závislé právě tehdy, když aspoň jeden z nich je lineární kombinací ostatních. Poznámka. Je dobré si uvědomit, že ve větě není vůbec specifikováno, zda se jedná o kombinaci triviální či netriviální. Důsledek 1. Je-li jeden z vektorů nulový, jsou vektory lineárně závislé. Důsledek 2. Jsou-li aspoň dva vektory stejné, jsou vektory u 1, u 2,..., u n závislé. PŘÍKLAD 3.8. Analogicky s větou 4 vyslovte alternativní definici lineární nezávislosti k vektorů. Věta 5. Jsou-li vektory u 1, u 2,..., u k (k>1) z vektorového prostoru V nad tělesem T lineárně nezávislé, dostaneme vynecháním kteréhokoliv z nich opět lineárně nezávislé vektory. Důsledek 3. Jsou-li vektory u 1, u 2,..., u k z vektorového prostoru V nad T lineárně závislé, jsou závislé i vektory u 1, u 2,..., u k, u k+1, kde u k+1 je libovolný vektor z V. PŘÍKLAD 3.9. Jsou dány dva lineárně nezávislé vektory a, b V 2. Dokažte, že každý vektor u V 2 lze vyjádřit jako jejich lineární kombinaci. Řešení: Označme souřadnice vektorů a =(a 1,a 2 ), b =(b 1,b 2 ), u =(u 1,u 2 ). Potom se ptáme, zda existují taková k, l R, pro která je u = k a + l b. Po rozepsání této vektorové rovnice pro jednotlivé souřadnice dostáváme soustavu dvou lineárních rovnic o dvou neznámých k, l : a 1 k + b 1 l = u 1 a 2 k + b 2 l = u 2 Tato soustava je pro lineárně nezávislé vektory a, b regulární (proč?). Můžeme ji tak řešit třeba užitím Cramerova pravidla. Dostaneme: k = u 1b 2 b 1 u 2,l= a 1u 2 u 1 a 2. a 1 b 2 b 1 a 2 a 1 b 2 b 1 a 2 Koeficienty k, l jsou tedy pro dané vektory a, b a u určeny jednoznačně. PŘÍKLAD 3.10. Jaký je maximální počet lineárně nezávislých vektorů v prostoru V 2 (V 3 )? 26

3.3 Lineární obal množiny vektorů PŘÍKLAD 3.11. Uvažujte vektor w = k u+l v z obrázku 5. Charakterizujte množinu všech těchto vektorů pro všechny možné hodnoty koeficientů k, l R. PŘÍKLAD 3.12. Uvažujte vektor q = k u + l v + m w z obrázku 6. Charakterizujte množinu všech těchto vektorů pro všechny možné hodnoty koeficientů k, l, m R. PŘÍKLAD 3.13. Uvažujte následující množinu vektorů M a pokuste se charakterizovat množinu všech jejich lineárních kombinací: a) M = {(0, 0)}, b) M = {(1, 2)}, c) M = {(1, 0, 0), (0, 0, 1)}, Definice 6. Nechť M = { v 1, v 2,..., v k } je podmnožina vektorového prostoru V (tj. je to množina obsahující k vektorů o stejném počtu složek). Lineárním obalem množiny M rozumíme množinu všech lineárních kombinací vektorů v 1, v 2,..., v k. Lineární obal množiny M značíme [M] aplatí,že[m] V. Poznámka. Lineární obal množiny M = { v 1, v 2,..., v k } značíme [M] nebo také [{ v 1, v 2,..., v k }]. PŘÍKLAD 3.14. Uvažujme množinu M = {(2, 3, 0), (1, 0, 3)}. Potom lineárním obalem [M] množiny M je množina všech vektorů v, které se dají zapsat ve tvaru v = a(2, 3, 0) + b(1, 0, 3), kde a, b R. (Znázornění v GeoGebře: tube.geogebra.org/student/mwxvwhw9w) PŘÍKLAD 3.15. Uvažujte množinu vektorů M = {(1, 2, 0), (0, 3, 1)}. Rozhodněte, jakou strukturu tvoří její lineární obal (znázorněte si ho v GeoGebře). Podle definice 3 ověřte, zda to není vektorový prostor. Jaký je vztah [M] k aritmetickému vektorovému prostoru R 3? Řešení: Lineárním obalem dané množiny vektorů je, stejně jako v příkladu 3.14, rovina procházející počátkem soustavy souřadnic (tj. bodem (0, 0, 0)) rovnoběžně se směry určenými vektory z množiny M. Ověřením jednotlivých vlastností uvedených ve definici 3 zjistíme, že se jedná o vektorový prostor. Přesněji hovoříme o vektorovém podprostoru vektorového prostoru R 3. Poznámka. Každý lineární obal je vektorovým prostorem (Zdůvodněte!). Definice 7. Nechť [M] = V, kde V je vektorový prostor. Množina M se potom nazývá množinou (systémem) generátorů vektorového prostoru V. Říkáme, že množina M generuje vektorový prostor V. 27

PŘÍKLAD 3.16. Najděte množiny generátorů pro následující vektorové prostory (Pokuste se najít množiny generátorů o nejmenším počtu vektorů): a) Množina všech vektorů (šipek) v rovině a v třírozměrném prostoru. b) Aritmetický vektorový prostor R 2. c) Aritmetický vektorový prostor R 1. d) Aritmetický vektorový prostor R 3. e) Množina P n všech polynomů stupně nejvýše n s koeficienty z R. PŘÍKLAD 3.17. Rozhodněte, zda platí uvedená tvrzení o lineárním obalu množiny M : 1. M = {[2, 1]} potom [M] =R 2, 2. M = {[2, 1], [1, 3]} potom [M] =R 2, 3. M = {[2, 1], [4, 2]} potom [M] =R 2, 4. M = {[1, 2], [3, 4], [1, 1]} potom [M] =R 2, 5. M = {f(x) =3}, V = {f(x) =c; c R} potom [M] =V, 6. M = {[1, 1, 1], [6, 1, 3], [ 2, 0, 1]} potom [M] =R 3, 7. M = {[1, 1, 1], [6, 1, 3], [8, 1, 5]} potom [M] =R 3. 28