题目
3.设向量组a1,a2,···, (alpha )_(m)(mgt 1) 线性无关,且 beta =(alpha )_(1)+-|||-_(2)+... +(a)_(m), 证明向量 beta -(alpha )_(1), beta -(alpha )_(2) ,.., beta -(alpha )_(m) 线性无关.

题目解答
答案

解析
本题考查向量组线性无关的概念以及线性方程组解的判定。解题的关键思路是根据向量组线性无关的定义,设出线性组合等于零的等式,然后通过已知条件进行化简,得到关于系数的线性方程组,最后根据向量组线性无关的性质判断方程组只有零解,从而证明新向量组线性无关。
设存在一组数$k_1,k_2,\cdots,k_m$,使得$k_1(\beta - \alpha_1)+k_2(\beta - \alpha_2)+\cdots +k_m(\beta - \alpha_m)=0$。
- 对等式进行化简:
将上式展开可得$(k_1 + k_2+\cdots + k_m)\beta-(k_1\alpha_1 + k_2\alpha_2+\cdots + k_m\alpha_m)=0$。 - 代入$\beta$的表达式:
已知$\beta=\alpha_1+\alpha_2+\cdots +\alpha_m$,将其代入上式可得:
$(k_1 + k_2+\cdots + k_m)(\alpha_1+\alpha_2+\cdots +\alpha_m)-(k_1\alpha_1 + k_2\alpha_2+\cdots + k_m\alpha_m)=0$。
进一步展开得到:
$(k_1 + k_2+\cdots + k_m)\alpha_1+(k_1 + k_2+\cdots + k_m)\alpha_2+\cdots +(k_1 + k_2+\cdots + k_m)\alpha_m - k_1\alpha_1 - k_2\alpha_2-\cdots - k_m\alpha_m = 0$。
整理可得:
$(k_2 + k_3+\cdots + k_m)\alpha_1+(k_1 + k_3+\cdots + k_m)\alpha_2+\cdots +(k_1 + k_2+\cdots + k_{m - 1})\alpha_m = 0$。 - 根据向量组线性无关的性质列方程组:
因为向量组$\alpha_1,\alpha_2,\cdots,\alpha_m$线性无关,所以由线性无关的定义可知,上式中$\alpha_1,\alpha_2,\cdots,\alpha_m$的系数都为$0$,即得到方程组:
$\begin{cases}k_2 + k_3+\cdots + k_m = 0\\k_1 + k_3+\cdots + k_m = 0\\\cdots\\k_1 + k_2+\cdots + k_{m - 1} = 0\end{cases}$。 - 判断方程组的解:
该方程组的系数矩阵是一个$m$行$m$列的矩阵,且每一行元素之和都为$m - 1$,可以通过初等行变换将其化为上三角矩阵,其主对角线元素都不为$0$,所以系数矩阵的秩为$m$,即系数矩阵满秩。
根据线性方程组解的判定定理,当系数矩阵满秩时,方程组只有零解,即$k_1 = k_2=\cdots = k_m = 0$。 - 得出结论:
根据向量组线性无关的定义,若只有当$k_1 = k_2=\cdots = k_m = 0$时,$k_1(\beta - \alpha_1)+k_2(\beta - \alpha_2)+\cdots +k_m(\beta - \alpha_m)=0$才成立,则向量组$\beta - \alpha_1,\beta - \alpha_2,\cdots,\beta - \alpha_m$线性无关。