题目
设向量组α_(1),α_(2),...,α_(s)线性无关,证明向量组beta_(1)=α_(1),beta_(2)=α_(1)+α_(2),...,beta_(s)=α_(1)+α_(2)+...+α_(s),线性无关.
设向量组$α_{1},α_{2},\cdots,α_{s}$线性无关,证明向量组$\beta_{1}=α_{1},\beta_{2}=α_{1}+α_{2},\cdots,\beta_{s}=α_{1}+α_{2}+\cdots+α_{s},$线性无关.
题目解答
答案
假设存在数 $k_1, k_2, \cdots, k_s$,使得
\[ k_1 \beta_1 + k_2 \beta_2 + \cdots + k_s \beta_s = 0. \]
代入 $\beta_i$ 的表达式,得
\[ (k_1 + k_2 + \cdots + k_s) \alpha_1 + (k_2 + \cdots + k_s) \alpha_2 + \cdots + k_s \alpha_s = 0. \]
由 $\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_s$ 线性无关,知
\[ \begin{cases} k_1 + k_2 + \cdots + k_s = 0, \\ k_2 + \cdots + k_s = 0, \\ \vdots \\ k_s = 0. \end{cases} \]
从 $k_s = 0$ 开始,逐个代入得 $k_{s-1} = 0, \cdots, k_1 = 0$。
故 $k_i$ 全为零,向量组 $\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_s$ 线性无关。
$\boxed{\text{向量组 } \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_s \text{ 线性无关。}}$
解析
本题考查向量组线性无关的定义及证明方法。解题的关键思路是根据向量组线性无关的定义,假设存在一组数使得新向量组的线性组合为零向量,然后通过已知向量组的线性无关性得到关于这组数的方程组,最后求解该方程组,判断这组数是否只能全为零。
下面进行详细的解答:
- 首先,根据向量组线性无关的定义,假设存在数 $k_1, k_2, \cdots, k_s$,使得
$k_1 \beta_1 + k_2 \beta_2 + \cdots + k_s \beta_s = 0$ - 然后,将 $\beta_i$ 的表达式代入上式。已知 $\beta_{1}=α_{1}$,$\beta_{2}=α_{1}+α_{2}$,$\cdots$,$\beta_{s}=α_{1}+α_{2}+\cdots+α_{s}$,则有:
$\begin{align*}k_1 \beta_1 + k_2 \beta_2 + \cdots + k_s \beta_s &= k_1\alpha_1 + k_2(\alpha_1 + \alpha_2) + \cdots + k_s(\alpha_1 + \alpha_2 + \cdots + \alpha_s)\\&= (k_1 + k_2 + \cdots + k_s) \alpha_1 + (k_2 + \cdots + k_s) \alpha_2 + \cdots + k_s \alpha_s\end{align*}$
所以得到 $(k_1 + k_2 + \cdots + k_s) \alpha_1 + (k_2 + \cdots + k_s) \alpha_2 + \cdots + k_s \alpha_s = 0$。 - 由于向量组 $\alpha_{1}, \alpha_{2}, \cdots, \alpha_{s}$ 线性无关,根据线性无关的定义,若 $c_1\alpha_1 + c_2\alpha_2 + \cdots + c_s\alpha_s = 0$,则 $c_1 = c_2 = \cdots = c_s = 0$。所以对于 $(k_1 + k_2 + \cdots + k_s) \alpha_1 + (k_2 + \cdots + k_s) \alpha_2 + \cdots + k_s \alpha_s = 0$,可得:
$\begin{cases}k_1 + k_2 + \cdots + k_s = 0, \\k_2 + \cdots + k_s = 0, \\\vdots \\k_s = 0.\end{cases}$ - 最后,求解上述方程组。从最后一个方程 $k_s = 0$ 开始,将 $k_s = 0$ 代入倒数第二个方程 $k_{s - 1} + k_s = 0$,可得 $k_{s - 1} + 0 = 0$,即 $k_{s - 1} = 0$。依次类推,将 $k_{s - 1} = 0$ 代入倒数第三个方程,可得到 $k_{s - 2} = 0$,$\cdots$,最终可得到 $k_1 = 0$。
综上,只有当 $k_1 = k_2 = \cdots = k_s = 0$ 时,$k_1 \beta_1 + k_2 \beta_2 + \cdots + k_s \beta_s = 0$ 才成立,根据向量组线性无关的定义,可知向量组 $\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_s$ 线性无关。