2. Линейная зависимость, геометрические критерии
РК: А4 (ЛЗ и ЛНЗ системы), А5 (критерии для 2 и 3 векторов), Б1 (доказательство критерия для трёх векторов).
Суть
Система линейно зависима, если какой-то вектор «лишний» — выражается через остальные. Геометрически это значит: два вектора лежат на одной прямой, три — в одной плоскости. На этом держится понятие базиса: базис — максимальная система без лишних векторов.
Определения (А4)
Линейная комбинация векторов — вектор . Она тривиальна, если все .
Система
- линейно зависима (ЛЗ), если существует нетривиальный набор чисел (хотя бы одно ) такой, что
- линейно независима (ЛНЗ), если равенство нулю возможно только при всех нулевых коэффициентах:
Равносильная форма [не из конспекта]: система из векторов ЛЗ хотя бы один вектор является линейной комбинацией остальных.
Геометрические критерии (А5)
Теорема 1. Два вектора линейно зависимы они коллинеарны.
Теорема 2. Три вектора линейно зависимы они компланарны.
Следствие [не из конспекта]: любые четыре вектора пространства ЛЗ. Именно оно нужно в доказательстве теоремы о разложении (Б2).
Доказательство теоремы 2 (Б1)
Необходимость (ЛЗ ⇒ компланарны). Пусть и, например, . Тогда
Отложим от точки : векторы и лежат в плоскости, содержащей и , и их сумма по правилу параллелограмма лежит в той же плоскости. Значит, компланарны.
Достаточность (компланарны ⇒ ЛЗ).
- Если среди векторов есть нулевой, например , то — нетривиальная комбинация.
- Если среди них есть два коллинеарных, например , то они ЛЗ по теореме 1: нетривиально, и добавление даёт нетривиальную комбинацию трёх.
- Основной случай: и неколлинеарны. Отложим , , — все в одной плоскости. Через проведём прямые, параллельные и , до пересечения с прямыми и в точках и (пересечения есть, потому что ). Получился параллелограмм : ; . Тогда коэффициент при равен — комбинация нетривиальна, векторы ЛЗ.
В конспекте в достаточности разобраны только «есть нулевой» и «все ненулевые», а случай двух коллинеарных ненулевых векторов пропущен: тогда параллелограмм построить нельзя (прямая через параллельно не пересекает прямую ). Выше он закрыт пунктом 2. На РК пункт 2 стоит назвать вслух.
Доказательство теоремы 1 [не из конспекта]
ЛЗ ⇒ коллинеарны: , ⇒ — коллинеарен по определению умножения на число.
Коллинеарны ⇒ ЛЗ: если , то . Иначе , где (знак по направлению), и .
Рабочие признаки в координатах
| Что проверить | Как |
|---|---|
| ЛЗ | координаты пропорциональны; |
| ЛЗ | |
| любые 4 вектора в | всегда ЛЗ |
Пример. Компланарны ли , , ?
Решение
Векторы компланарны (ЛЗ). Действительно, .
Типичные ошибки
- Определение ЛЗ без слова «нетривиальный»: равенство выполняется для любой системы.
- Путать «ЛЗ» и «каждый вектор выражается через остальные»: достаточно одного такого вектора (система ЛЗ, хотя через остальные может не выражаться).
- В доказательстве Б1 строить параллелограмм, не проверив, что .