<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>
Không gian vec-tơ
Nội dung
1 Khái niệm không gian vec-tơ
Không gian vec-tơ phổ thông
Định nghĩa không gian vec-tơ tổng quát
Không gian vec-tơ con
2 Mô tả khơng gian vec-tơ
Tổ hợp tuyến tính và hệ sinh
Độc lập tuyến tính và phụ thuộc tuyến tính
Cơ sở và số chiều
Tọa độ vec-tơ và ma trận chuyển cơ sở
3 Không gian vec-tơ liên kết với ma trận
Không gian hàng, không gian cột, hạng của ma trận
Không gian hạt nhân, số khuyết
Nội dung
1 Khái niệm không gian vec-tơ
Không gian vec-tơ phổ thông
0
y
x
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6
u = (2, 3)
Phép cộng hai vec-tơ:
<i><b>u + v = (u</b></i>1<i>, u</i>2) + (v1<i>, v</i>2) := (u1<i>+ v1, u</i>2<i>+ v2).</i>
<i>Phép nhân vec-tơ với vô hướng c∈ R:</i>
Vec-tơ trong mặt phẳng tọa độ Descartes R2
Một vec-tơ là
một đoạn thẳng có hướng
xuất phát từ gốc tọa độ
tới một điểm đích nào đó.
Mỗi vec-tơ được biểu diễn bởi
một đoạn thẳng có hướng
xuất phát từ gốc tọa độ
tới một điểm đích nào đó.
Mỗi vec-tơ được biểu diễn bởi
tọa độ điểm đích:
<i><b>u = (u</b></i>1, u2<i>).</i>
0
y
x
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6
u = (2, 3)
2u = (4, 6)
Phép cộng hai vec-tơ:
<i><b>u + v = (u</b></i>1<i>, u2) + (v</i>1, v2<i>) := (u</i>1<i>+ v</i>1, u2<i>+ v</i>2<i>).</i>
xuất phát từ gốc tọa độ
tới một điểm đích nào đó.
Mỗi vec-tơ được biểu diễn bởi
tọa độ điểm đích:
<i><b>u = (u</b></i>1<i>, u</i>2<i>, u</i>3<i>).</i>
Phép cộng hai vec-tơ:
<i><b>u+v = (u</b></i>1<i>, u</i>2<i>, u</i>3<i>)+(v</i>1<i>, v</i>2<i>, v</i>3<i>) := (u</i>1<i>+v</i>1<i>, u</i>2<i>+v</i>2<i>, u</i>3<i>+v</i>3<i>).</i>
<i>Phép nhân vec-tơ với vô hướng c<sub>∈ R:</sub></i>
Tính chất
<i><b>Cho 0 = (0, 0, 0), u, v, w</b>∈ R3, c, d∈ R. Ta có</i>
<b>u + v</b><i>∈ R3</i>.
<b>u + v = v + u.</b>
<b>(u + v) + w = u + (v + w).</b>
<b>u + 0 = u.</b>
<i><b>∃ − u ∈ R3</b></i><b>: u + (</b><i><b>−u) = 0.</b></i>
<i>c<b>· u ∈ R3</b></i>.
Định nghĩa không gian vec-tơ
<i>Tập hợp V̸= ∅ là không gian vec-tơ trên R nếu V được trang bị</i>
Phép cộng vec-tơ:
+<i>: V× V → V</i>
<i><b>(u, v)</b><b>7→ u</b></i>+<i><b>v,</b></i>
Phép nhân vec-tơ với vơ hướng:
<i>◦</i>:<i>R × V → V</i>
<i><b>(c, u)</b>7→ c◦<b>u,</b></i>
thỏa mãn các tiên đề sau:
1 <b>u</b>+<b>v = v</b>+<b>u</b> <i><b>∀ u, v ∈ V,</b></i>
2 <b><sub>(u</sub></b><sub>+</sub><b><sub>v)</sub></b><sub>+</sub><b><sub>w = u</sub></b><sub>+</sub><b><sub>(v</sub></b><sub>+</sub><b><sub>w)</sub></b> <i><b>∀ u, v, w ∈ V,</b></i>
3 <i><b>∃ 0 ∈ V : u</b></i><sub>+</sub><b><sub>0 = u</sub></b> <i><b>∀ u ∈ V,</b></i>
4 <i><b>∀ u ∈ V ∃ u</b>′<b>∈ V : u</b></i><sub>+</sub><b><sub>u</sub></b><i>′</i><b><sub>= 0,</sub></b>
5 <i>c◦</i><b><sub>(u</sub></b><sub>+</sub><i><b>v) = c</b>◦</i><b>u</b><sub>+</sub><i>c◦</i><b>v</b> <i><b>∀ c ∈ R, u, v ∈ V,</b></i>
6 <i><sub>(c + d)</sub>◦<b>u = c</b>◦</i><b>u</b><sub>+</sub><i>d◦</i><b>u</b> <i><b>∀ c, d ∈ R, u ∈ V,</b></i>
7 <i>c◦<sub>(d</sub>◦<b>u) = (cd)</b>◦</i><b>u</b> <i><b>∀ c, d ∈ R, u ∈ V,</b></i>
Ví dụ
<i>yn</i>
=
<i>x</i>1<i>+ y</i>1
..
.
<i>xn+ yn</i>
<i> ,</i> <i>c<sub>◦</sub></i>
<i>x</i>1
..
<i>x</i>1
..
.
<i>xn</i>
là một khơng gian vec-tơ với các phép tốn
<i>x</i>1
..
.
<i>xn</i>
+
<i>. . .y</i>1
<i>yn</i>
=
Ví dụ
Tập hợp các số thực <sub>R là một không gian vec-tơ</sub>
với phép cộng và phép nhân thông thường.
Tập hợp<sub>R</sub><i>n</i> <i>các hàng n-thành phần thực [x</i>1, . . . , x<i>n</i>]
là một khơng gian vec-tơ với các phép tốn
<i>[x</i>1, . . . , x<i>n</i>]+<i>[y</i>1, . . . , y<i>n] = [x</i>1<i>+ y</i>1, . . . , x<i>n+ yn],</i>
<i>c<sub>◦</sub>[x</i>1, . . . , x<i>n] = [cx</i>1, . . . , cx<i>n</i>] <i>(với c∈ R).</i>
Tập hợp<sub>R</sub><i>n</i> <i>các cột n-thành phần thực</i>
<i>x</i>1
..
.
<i>xn</i>
<i> ,</i> <i>c<sub>◦</sub></i>
<i>x</i>1
..
.
<i>xn</i>
=
<i>cx</i>1
..
.
<i>cxn</i>
Ví dụ
<i>Tập hợp Mm,n</i> <i>các ma trận thực m hàng, n cột</i>
là một không gian vec-tơ với các phép tốn thơng thường:
<i>(aij</i>)<i>m<sub>×n</sub></i> +<i>(bij</i>)<i>m<sub>×n</sub></i> <i>= (aij+ bij</i>)<i>m<sub>×n</sub>,</i>
với hệ số thực,
<i>có bậc KHƠNG Q n</i>
là một khơng gian vec-tơ với các phép tốn thơng thường:
<i>(anxn+ . . . + a</i>0)+<i>(bnxn+ . . . + b</i>0<i>) = (an+ bn)xn+ . . . + (a</i>0<i>+ b</i>0<i>),</i>
<i>c◦(anxn+ . . . + a</i>0<i>) = canxn+ . . . + ca</i>0 <i>(với c∈ R).</i>
<i>Chú ý:</i>
Khẳng định trên không đúng nếu đặt điều kiện
<i>“đa thức có bậc chính xác bằng n”.</i>
Khẳng định trên vẫn đúng nếu bỏ điều kiện
“đa thức có bậc<i>≤ n”.</i>
Ví dụ
<i>Cho (V,</i>+<i>,·), (W, +,·) là các khơng gian vec-tơ. Tập hợp</i>
<i>V<sub>× W := {(v, w) | v ∈ V, w ∈ W}</sub></i>
là một không gian vec-tơ với các phép toán
<i>(v, w)</i>+<i>(v′, w′) = (v</i>+<i>v′, w + w′),</i>
Một số tính chất
<b>u</b><i>j</i>
=∑<i>m</i>
<i>i=1</i>
<i>n</i>
∑
<i>j=1</i>
Nội dung
1 Khái niệm không gian vec-tơ
Không gian vec-tơ phổ thông
Định nghĩa không gian vec-tơ tổng quát
Không gian vec-tơ con
2 Mơ tả khơng gian vec-tơ
Tổ hợp tuyến tính và hệ sinh
Độc lập tuyến tính và phụ thuộc tuyến tính
Cơ sở và số chiều
Tọa độ vec-tơ và ma trận chuyển cơ sở
là một khơng gian vec-tơ con củaR2
(với các phép tốn thơng thường).
Tập hợp
<i>W =<sub>{(x</sub></i>1<i>, 0, x</i>3)<i>| x</i>1<i>, x</i>3<i>∈ R}</i>
Ví dụ
<i>Cho trước x</i>0, y0 <i>∈ R. Tập hợp</i>
<i>W =<sub>{(x, y) | (x, y) = t(x0, y0</sub>), t∈ R}</i>
là một không gian vec-tơ con củaR2
(với các phép tốn thơng thường).
Tập hợp
<i>W =<sub>{(x1, 0, x3</sub></i>)<i>| x1, x3∈ R}</i>
là một không gian vec-tơ con của<sub>R</sub>3
Ví dụ
<i>Nếu V là một khơng gian vec-tơ</i>
<i><b>thì 0 và V là các khơng gian vec-tơ con (tầm thường) của V.</b></i>
<i>W =<b>{x ∈ R</b>n</i> <i><b>| Ax = 0}</b></i>
Ví dụ
<i>Nếu V là một khơng gian vec-tơ</i>
<i><b>thì 0 và V là các khơng gian vec-tơ con (tầm thường) của V.</b></i>
<i>Pn(x) là không gian vec-tơ con của Pn+1(x).</i>
<i>Pn(x) là không gian vec-tơ con của P(x).</i>
Tập hợp
<i>W =</i>{<i>A<sub>∈ Mn,n</sub></i> <i><sub>| A = A</sub>T</i>}
<i>là không gian vec-tơ con của Mn,n</i>.
<i>Cho A∈ Mm,n<b>, và 0 = [0, . . . , 0]</b>t∈ Rn</i>. Tập hợp
<i>W =<b>{x ∈ R</b>n</i> <i><b>| Ax = 0}</b></i>
Ví dụ
<i>Nếu V là một khơng gian vec-tơ</i>
<i><b>thì 0 và V là các không gian vec-tơ con (tầm thường) của V.</b></i>
<i>Pn(x) là không gian vec-tơ con của Pn+1(x).</i>
<i>W =<b>{x ∈ R</b>n</i> <i><b>| Ax = 0}</b></i>
Nội dung
1 Khái niệm không gian vec-tơ
Không gian vec-tơ phổ thông
Định nghĩa không gian vec-tơ tổng quát
Không gian vec-tơ con
2 Mô tả khơng gian vec-tơ
Tổ hợp tuyến tính và hệ sinh
Độc lập tuyến tính và phụ thuộc tuyến tính
Cơ sở và số chiều
Tọa độ vec-tơ và ma trận chuyển cơ sở
3 Không gian vec-tơ liên kết với ma trận
Không gian hàng, không gian cột, hạng của ma trận
Không gian hạt nhân, số khuyết
Tổ hợp tuyến tính
<i>Cho (V, +,<sub>·) là một không gian vec-tơ trên R.</sub></i>
1 2
]
<i>,</i> <b>u4</b>=
[
<i>−2 0</i>
1 3
]
<i>.</i>
<b>Vec-tơ u</b>1<b>là một tổ hợp tuyến tính của u</b>2<i><b>, u</b></i>3<i><b>, u</b></i>4do
Tổ hợp tuyến tính
<i>Cho (V, +,<sub>·) là một không gian vec-tơ trên R.</sub></i>
<i>Cho S =<b><sub>{u1, . . . , u</sub></b>n} ⊂ V.</i>
<b>Vec-tơ v</b><i><sub>∈ V là một tổ hợp tuyến tính của các vec-tơ trong S</sub></i>
nếu
<i><b>v = c</b></i>1<i><b>· u1</b>+ . . . + cn<b>· u</b>n,</i>
<i>V = span(S).</i>
<i>Khi đó ta cũng nói V sinh bởi S.</i>
<i>Ví dụ 1: Trong khơng gian</i>R3xét các vec-tơ
<b>e1</b>=[<i>1, 0, 0</i>]<i>,</i> <b>e2</b>=[<i>0, 1, 0</i>]<i>,</i> <b>e3</b>=[<i>0, 0, 1</i>]<i>.</i>
<i>Tập hợp S =<b>{e</b></i>1<i><b>, e</b></i>2<i><b>, e</b></i>3<i>} là một hệ sinh của R</i>3 vì
<i><b>mỗi vec-tơ v = [v</b></i>1<i>, v</i>2<i>, v</i>3]<i>∈ R</i>3 <b>đều là tổ hợp tuyến tính của e</b>1<i><b>, e</b></i>2<i><b>, e</b></i>3:
Hệ sinh
<i>Tập hợp S được gọi là một hệ sinh của V nếu</i>
<i>V = span(S).</i>
<i>Khi đó ta cũng nói V sinh bởi S.</i>
<i>Ví dụ 2: Trong không gian</i>R3xét các vec-tơ
<b>u1</b>=[<i>1, 0, 0</i>]<i>,</i> <b>u2</b>=[<i>0, 1, 0</i>]<i>,</i> <b>u3</b>=[<i>0, 0, 1</i>]<i>,</i> <b>u4</b>=[<i>0, 0, 2</i>]<i>.</i>
<i>Tập hợp S =<b>{u</b></i>1<i><b>, u</b></i>2<i><b>, u</b></i>3<i><b>, u</b></i>4<i>} là một hệ sinh của R</i>3vì
<i><b>mỗi vec-tơ v = [v</b></i>1<i>, v</i>2<i>, v</i>3]<i>∈ R</i>3 <b>đều là tổ hợp tuyến tính của u</b>1<i><b>, . . . , u</b></i>4:
<i><b>v = v1</b><b>· u</b></i>1<i>+ v</i>2<i><b>· u</b></i>2+
<i>Tập hợp S =<b>{e</b></i>1<i><b>, e</b></i>2<i>} KHƠNG là hệ sinh của R</i>3vì
<i><b>vec-tơ v = [0, 0, 1]</b>∈ R</i>3 <b>khơng thể là tổ hợp tuyến tính của e</b>1<i><b>, e</b></i>2.
<i≯ ∃ c</i>1<i>, c</i>2<i><b>∈ R : v = c</b></i>1<i><b>· e</b></i>1<i>+ c</i>2<i><b>· e</b></i>2<i>.</i>
Nội dung
1 Khái niệm không gian vec-tơ
Không gian vec-tơ phổ thông
Định nghĩa không gian vec-tơ tổng quát
Không gian vec-tơ con
2 Mô tả không gian vec-tơ
Tổ hợp tuyến tính và hệ sinh
Độc lập tuyến tính và phụ thuộc tuyến tính
Cơ sở và số chiều
Tọa độ vec-tơ và ma trận chuyển cơ sở
3 Không gian vec-tơ liên kết với ma trận
Không gian hàng, không gian cột, hạng của ma trận
Không gian hạt nhân, số khuyết
và hệ phương trình (tuyến tính thuần nhất) này có nghiệm duy nhất
Ví dụ
<b>Các vec-tơ e</b>1<i><b>= [1, 0], v</b></i>2<i>= [0, 1] trong</i>R2
là độc lập tuyến tính vì
<i>c</i>1e1<i>+ c</i>2e2<b>= 0</b> <i>⇔ [c</i>1<i>, c</i>2<i>] = [0, 0]</i> <i>⇔ c</i>1<i>= c</i>2<i>= 0.</i>
<b>Hệ vec-tơ v</b>1<i><b>= [1, 2, 3], v</b></i>2<i><b>= [0, 1, 2], v</b></i>3= [<i>−2, 0, 1] trong R</i>3
là độc lập tuyến tính vì hệ thức
<i>c</i>1v1<i>+ c</i>2v2<i>+ c</i>3v3<b>= 0</b>
tương đương với
<i>c</i>1 <i>− 2c</i>3= 0
<i>2c</i>1<i>+ c</i>2 = 0
<i>3c</i>1<i>+ 2c</i>2<i>+ c</i>3= 0
và hệ phương trình (tuyến tính thuần nhất) này có nghiệm duy nhất
Ví dụ
<i>Trong khơng gian vec-tơ P</i>2xét các vec-tơ
v2
v1
v2
Ý nghĩa hình học
<b>Hai vec-tơ v</b>1, v2<i>∈ R</i>3 là
độc lập tuyến tính<i><b>⇔ v</b></i>1<i><b>, v</b></i>2khơng đồng phương (a);
Ý nghĩa hình học
<b>Ba vec-tơ v</b>1, v2, v3<i>∈ R</i>3 là
độc lập tuyến tính<i><b>⇔ v</b></i>1<i><b>, v</b></i>2<i><b>, v</b></i>3khơng đồng phẳng (hình trái);
Tính chất
<i>Cho (V, +,<sub>·) là một không gian vec-tơ.</sub></i>
<b>Hệ một vec-tơ v</b><i><b>∈ V phụ thuộc tuyến tính ⇔ v = 0.</b></i>
<i>Chứng minh</i> <i>⇒:</i>
<b>v phụ thuộc tuyến tính</b> <i><b>⇒ tồn tại c ̸= 0 sao cho c · v = 0.</b></i>
<i>Nhân hai vế với c−1</i> ta có
<i><b>v = (c</b>−1c)<b>· v = c</b>−1(c<b>· v) = c</b>−1<b>· 0 = 0.</b></i>
<i><b>u = c</b></i>1<i><b>· v1</b>+ . . . + cn<b>· v</b>n</i> <i>(với ci∈ R)</i>
thì biểu diễn này là duy nhất.
<b>Hệ vec-tơ v</b>1, . . . , v<i>n∈ V phụ thuộc tuyến tính</i>
<i><b>⇔ (ít nhất) một vec-tơ v</b>i</i> là tổ hợp tuyến tính của các vec-tơ
cịn lại.
<i>Nếu S =<b><sub>{v</sub></b></i>1<i><b>, . . . , vn} độc lập tuyến tính,</b></i>
<i>thì mọi tập hợp con của S cũng độc lập tuyến tính.</i>
Tính chất
<i>Cho (V, +,<sub>·) là một khơng gian vec-tơ, và n > 1.</sub></i>
<b>Hệ vec-tơ v</b>1, . . . , v<i>n∈ V độc lập tuyến tính</i>
<i><b>⇔ mỗi vec-tơ u ∈ V, nếu tồn tại biểu diễn</b></i>
<i><b>u = c</b></i>1<i><b>· v1</b>+ . . . + cn<b>· v</b>n</i> <i>(với ci∈ R)</i>
thì biểu diễn này là duy nhất.
<b>Hệ vec-tơ v</b>1, . . . , v<i>n∈ V phụ thuộc tuyến tính</i>
<i><b>⇔ (ít nhất) một vec-tơ v</b>i</i> là tổ hợp tuyến tính của các vec-tơ
cịn lại.
1 Khái niệm không gian vec-tơ
Không gian vec-tơ phổ thông
Định nghĩa không gian vec-tơ tổng quát
Không gian vec-tơ con
2 Mô tả khơng gian vec-tơ
Tổ hợp tuyến tính và hệ sinh
Độc lập tuyến tính và phụ thuộc tuyến tính
Cơ sở và số chiều
Tọa độ vec-tơ và ma trận chuyển cơ sở
3 Không gian vec-tơ liên kết với ma trận
Không gian hàng, không gian cột, hạng của ma trận
Không gian hạt nhân, số khuyết
Cơ sở của không gian vec-tơ
<i>Cho (V, +,<sub>·) là một không gian vec-tơ.</sub></i>
<i>Tập hợp các vec-tơ B =<b><sub>{v1, . . . , v</sub></b>n} là một cơ sở của V nếu</i>
(i) <i>B là một hệ sinh của V, và</i>
0
1
..
.
0
<i>,</i> <i>. . . ,</i> <b>e</b><i>n</i>=
0
0
..
.
1
]
Cơ sở chính tắc
Các vec-tơ
<b>e</b>1=
1
0
..
.
0
<i>,</i> <b>e</b>2 =
<i>1, x, x</i>2<i>, . . . , xn</i>
<i>lập thành một cơ sở (chính tắc) của Pn</i>.
Các vec-tơ
[
1 0
0 0
]
<i>,</i>
[
0 1
0 0
]
<i>,</i>
[
0 0
1 0
]
<i>,</i>
[
0 0
0 1
]
Cơ sở chính tắc
Các vec-tơ
<i>,</i> <i>. . . ,</i> <b>e</b><i>n</i>=
0
0
..
.
1
<i>lập thành một cơ sở (được gọi là cơ sở chính tắc) của</i> <sub>R</sub><i>n</i><sub>.</sub>
Các vec-tơ
<i>1, x, x</i>2<i>, . . . , xn</i>
<i>lập thành một cơ sở (chính tắc) của Pn</i>.
Các vec-tơ
<i>B là cơ sở của</i> R<i>n</i>
<i>⇔</i> <i>c</i>1v1<i>+ . . . + cn</i><b>v</b><i>n</i>=<b>u có nghiệm duy nhất</b><i><b>∀ u ∈ R</b>n</i>
<i>⇔</i> <b>det(v</b>1<i><b>, . . . , v</b>n</i>)<i≯= 0 (theo quy tắc Cramer).</i>
<i>Ví dụ: Do</i>
1 0 1
2 1 0
3 2 1
<i>Các vec-tơ [1, 0, 0], [0, 1, 0], [0, 0, 1] lập thành một cơ sở.</i>
<i>Các vec-tơ [1, 2, 3], [0, 1, 2], [1, 0, 1] cũng lập thành một cơ sở.</i>
<i>Nhận xét:</i>
(i) Mỗi khơng gian vec-tơ có thể có nhiều cơ sở.
Nhận xét về số vec-tơ trong cơ sở
Trong không gian vec-tơ R2:
<i>Các vec-tơ [1, 0], [0, 1] lập thành một cơ sở (chính tắc).</i>
<i>Các vec-tơ [1, 1], [0, 1] cũng lập thành một cơ sở.</i>
Trong không gian vec-tơ R3:
<i>Các vec-tơ [1, 0, 0], [0, 1, 0], [0, 0, 1] lập thành một cơ sở.</i>
<i>Các vec-tơ [1, 2, 3], [0, 1, 2], [1, 0, 1] cũng lập thành một cơ sở.</i>
<i>Nhận xét:</i>
(i) Mỗi khơng gian vec-tơ có thể có nhiều cơ sở.
Nhận xét về số vec-tơ trong cơ sở
Trong không gian vec-tơ R2:
<i>Các vec-tơ [1, 0], [0, 1] lập thành một cơ sở (chính tắc).</i>
<i>Các vec-tơ [1, 1], [0, 1] cũng lập thành một cơ sở.</i>
Trong không gian vec-tơ R3:
<i>d</i>1<b>v</b>1<i>+ d</i>2<b>v</b>2<i>+ . . . + dnvn</i><b>= 0</b>
với
<i>di= c1ik</i>1<i>+ c2ik</i>2<i>+ . . . + cmikm</i> <i>(i = 1, . . . , n).</i>
<i>Do S độc lập tuyến tính, nên di= 0 (i = 1, . . . , n).</i>
<i>Ta thu được hệ n phương trình tuyến tính thuần nhất theo m ẩn k</i>1<i>, . . . , km.</i>
Tính chất về số vec-tơ trong các cơ sở
<i>Cho V là một khơng gian vec-tơ.</i>
<i>Nếu V có một cơ sở gồm n vec-tơ,</i>
<i>thì mọi cơ sở của V đều có n vec-tơ.</i>
<i>Chứng minh:</i> Giả sử
<i>S</i>1=<i><b>{v</b></i>1<i><b>, . . . , v</b>n}</i>
<i>là một cơ sở gồm n vec-tơ của V, và</i>
<i>S</i>2=<i><b>{u</b></i>1<i><b>, . . . , u</b>m}</i>
<i>là một cơ sở khác của V.</i>
Theo tính chất độc lập tuyến tính cực đại của cơ sở:
<i>S</i>1<i>là cơ sở, S</i>2 độc lập tuyến tính =<i>⇒ m ≤ n.</i>
<i>S</i>2<i>là cơ sở, S</i>1 độc lập tuyến tính =<i>⇒ n ≤ m.</i>
Số chiều của khơng gian vec-tơ
<i>Thật vậy, giả sử S phụ thuộc tuyến tính. Ta có thể bỏ đi một số vec-tơ trong S</i>
<i>để thu được tập hợp S</i>1<i>gồm k < n vec-tơ độc lập tuyến tính. Khi đó</i>
<i>span(S) = span(S</i>1<i>).</i>
<i>Như vậy V = span(S</i>1<i>), và do S</i>1<i>độc lập tuyến tính, nên S</i>1<i>cũng là cơ sở của V.</i>
Nội dung
1 Khái niệm không gian vec-tơ
Không gian vec-tơ phổ thông
Định nghĩa không gian vec-tơ tổng quát
Không gian vec-tơ con
2 Mô tả khơng gian vec-tơ
Tổ hợp tuyến tính và hệ sinh
Độc lập tuyến tính và phụ thuộc tuyến tính
Cơ sở và số chiều
Tọa độ vec-tơ và ma trận chuyển cơ sở
3 Không gian vec-tơ liên kết với ma trận
Không gian hàng, không gian cột, hạng của ma trận
Không gian hạt nhân, số khuyết
<i> .</i>
Ví dụ
Trong khơng gian vec-tơ<sub>R</sub>2 <sub>xét</sub>
<i>cơ sở chính tắc B′</i> =
{[
1
0
]
<i>,</i>
[
0
1
]}
,
<i>cơ sở B =</i>
{[
1
0
]
<i>,</i>
[
1
2
]}
,
<i>cơ sở chính tắc B′</i> =
{[
1
0
]
<i>,</i>
[
0
1
]}
,
<i>cơ sở B =</i>
{[
1
0
]
<i>,</i>
[
1
2
]}
,
<b>vec-tơ x =</b>
[
5
4
<i>ma trận chuyển cơ sở B</i>1 <i>sang cơ sở B</i>2 nếu
<b>u</b><i>j</i> <i>= c1j</i><b>v</b>1<i>+ . . . + cnj</i><b>v</b><i>n.</i>
Theo ngơn ngữ tích ma trận:
<b>(u</b>1<i><b>. . . u</b>n</i><b>) = (v</b>1<i><b>. . . v</b>n)C.</i>
<i>Ví dụ: C =</i>
1 0 12 1 0
3 2 1
là ma trận chuyển từ cơ sở chính tắc của
R3 <sub>sang cơ sở gồm 3 vec-tơ</sub>
12
3
<i> ,</i>
01
2 Mô tả khơng gian vec-tơ
Tổ hợp tuyến tính và hệ sinh
Độc lập tuyến tính và phụ thuộc tuyến tính
Cơ sở và số chiều
Tọa độ vec-tơ và ma trận chuyển cơ sở
3 Không gian vec-tơ liên kết với ma trận
Không gian hàng, không gian cột, hạng của ma trận
Không gian hạt nhân, số khuyết
Hạng của ma trận
<i>Cho A = (aij</i>)<i>m×n</i> là một ma trận.
<i>Vec-tơ hàng thứ i của A là</i>
<b>r</b><i>i</i>=[<i>ai1</i> <i>ai2</i> <i>. . .</i> <i>ain</i>]<i>.</i>
<i>Vec-tơ cột thứ j của A là</i>
<b>c</b><i>j</i> =
[
<b>amj</b><i>= αm1d1j+ . . . + αmkdkj.</i>
<i>Đặt αi</i>=[<i>α1i</i> <i>. . . αmi</i>]t. Ta thu được dạng rút gọn của hệ phương trình trên:
<b>cj</b><i>= d1jα</i>1<i>+ . . . + dkjαk.</i>
<i>Như vậy, mỗi vec-tơ cột của A đều là tổ hợp tuyến tính của k vec-tơ α</i>1<i>, . . . , αk</i>. Do đó
<b>span(c</b>1<i><b>, . . . , c</b>n) = span(α</i>1<i>, . . . , αk),</i>
<b>và hệ quả là dim(span(c</b>1<i><b>, . . . , c</b>n)) = dim(span(α</i>1<i>, . . . , αk))≤ k,</i>
<i>tức là dim(không gian cột của A)≤ dim(không gian hàng của A).</i>
Một số tính chất khác
<i>rank(A) = rank(At</i><sub>).</sub>
<i>Chứng minh:</i>
<i>Vec-tơ hàng (cột) của A tương ứng với vec-tơ cột (hàng) của At</i><sub>.</sub>
<i>Nếu ma trận A tương đương theo dòng với ma trận B,</i>
<i>thì khơng gian hàng của B cũng là không gian hàng của A.</i>
<i>Chứng minh:</i>
Biến đổi sơ cấp theo hàng không làm thay đổi tương quan độc lập
tuyến tính / phụ thuộc tuyến tính giữa các vec-tơ hàng của ma trận.
<i>Áp dụng:</i>
<i>Chứng minh:</i>
Biến đổi sơ cấp theo hàng không làm thay đổi tương quan độc lập
tuyến tính / phụ thuộc tuyến tính giữa các vec-tơ hàng của ma trận.
<i>Áp dụng:</i>
<i>rank(A) = rank(B), với B là dạng bậc thang thu gọn của A.</i>
<i>Ví dụ:</i>
<i>A =</i>
1 23 6 <i>−2 1−5 4</i>
1 2 0 3
<i> → B =</i>
1 2 00 0 1 31
0 0 0 0
<i> .</i>
<i>N(A) =<b><sub>{x ∈ R</sub></b>n<b><sub>| Ax = 0}</sub></b></i>
<i>được gọi là không gian hạt nhân của A.</i>
<i>Số chiều của N(A) được gọi là số khuyết của A:</i>
<i>nullity(A) = dim(N(A)).</i>
<i>Tính chất: Nếu A là một ma trận cỡ m<sub>× n, thì</sub></i>
Chứng minh tính chất
<i>Giả sử rank(A) = r.</i>
Biến đổi sơ cấp theo hàng:
<i>A</i> <i>→ B =</i>
[
<i>Ir</i> <i>C</i>
0 0
]
<i>.</i>
Ta có
<i>Cho A<sub>∈ M</sub>m,n</i> <b>và b</b><i>∈ Rm<b>. Giả sử Ax = b có nghiệm.</b></i>
<i><b>Mọi nghiệm x của hệ phương trình Ax = b đều có thể biểu</b></i>
diễn dưới dạng
<b>x = x</b><i>p</i><b>+ x</b><i>h,</i>
trong đó
<b>x</b><i>p</i> là một nghiệm của hệ phương trình tuyến tính khơng thuần
<i><b>nhất Ax = b (nghiệm riêng),</b></i>
<b>x</b><i>h</i> là một nghiệm của hệ phương trình tuyến tính thuần nhất
Ví dụ
Giải hệ phương trình
<i>x</i>1 <i>− 2x</i>3<i>+ x</i>4= 5
<i>3x</i>1<i>+ x</i>2<i>− 5x</i>3 = 8
<i>x</i>1<i>+ 2x</i>2 <i>− 5x</i>4=<i>−9</i>
<i>Lời giải: Ma trận hệ số mở rộng của hệ phương trình là</i>
13 01 <i>−2<sub>−5</sub></i> 10 58
<i>x</i>3
<i>x</i>4
=
<i>2s− t + 5</i>
<i>−s + 3t − 7</i>
<i>s</i>
<i>t</i>
<i> = s</i>
2
<i>−1</i>
1
0