线性代数中的线性相关或无关到底是什么意思?秩又是什么东西?秩相同意味着什么?

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匿名用户1024   2021-5-14 17:52   12640   5
线性相关、秩、特征向量、特征值这些名称在几何中、实际的事例或者实际生活中有什么意义?
还有为什么要叫线性代数?“线性”有什么具体含义吗?
不要用抽象的概念解释,教科书上的概念够多了,希望能讲一些具象的易于想象的甚至是感性的解释
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5 个回复

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2#
有关回应  16级独孤 | 2021-5-14 17:52:45
顺着@KIRA答主的回答发一下脑洞



线性相关就是:

线性无关就是:



















3#
有关回应  16级独孤 | 2021-5-14 17:52:46
我建议题主看一下北京大学丘维声教授讲授的《高等代数》视频,里面对很多概念说的很通俗易懂。其中一个很有意思,比如你在一个公司里任职,如果你的工作能被其他人所替代,那么替代你的人和你的关系就是线性相关的,反过来,如果你的工作无人可以替代,那你们这一些不可替代的人就是线性无关的。那么秩的概念也就是你们这一组无可替代的人的人数。我们在工作岗位都是喜欢寻找那些不可替代的精英,在数学上也是一样的。而精英可以不断变动,但是完成一件工作需要的精英人数是固定的,这也就是秩的意义。
4#
有关回应  16级独孤 | 2021-5-14 17:52:47
1,线性无关和线性相关其实非常直观,举个例子:红R,绿G,蓝B是色彩的三原色,这三种颜色可以混合出其他所有颜色。假设这三个值都可以取0-255之间的整数值。比如纯红(255,0,0),纯绿(0,255,0),纯蓝(0,0,255),紫色(255,0,255),全白(255,255,255),全黑(0,0,0),等等。
现在三种颜色e1=(1,0,0),e2=(0,1,0),e3=(0,0,1)可以组合成其他任何颜色,比如某一颜色a=(24,0,127)=24*e1+0*e2+127*e3(可由这三种颜色线性表出),所以a和e1,e2,e3是线性相关的。但是e1,e2与e3这三个之间不能由其余两个线性表出(比如e2与e3组合出来的第一个分量永远是0,不能变为1),所以e1,e2,e3是线性无关的。
2,顺便提一下基底basis的概念:(1)基底向量线性无关,(2)基底向量可以生成整个向量空间。
举例来说整个向量空间为上述的所有颜色值集合。我要研究这个颜色空间,不会把所有颜色值列出来,而是选择最【基础】的那几个比如e1,e2,e3,因为其他所有的颜色都可以由这三个颜色合成出来(即basis定义的第二个要求,基底向量个数不能【太少】,太少了就生成不了整个颜色空间)。另外不会把e1,e2,e3,a都选为基底向量,因为a是多余的,e1,e2,e3就可以摆平了,不需要你(即basis定义的第一个要求,基底向量线性无关,基底向量不能【太多】,太多了就人浮于事)
------是的,基底向量就是这么作,不能太多,也不能太少!
更新---------------------------------------------------------
3,没仔细看题,没回答全,补充一下秩的形象理解之一:
大家在中学有没有过这样的经历,让你解一个N元一次方程组,比如:
x + 3y + 4z = 2;
2x + y + z = 1;
一般来说两个方程三个未知数,有无穷多个解,但曾经天才的我,就把这两个方程相加,得到第三个方程:3x + 4y + 5z = 3,这下不是有三个方程三个未知数了吗,可以开心的开始解了,结果当然是打脸了。如果理解了秩和线性相关的概念,就知道为啥了。因为人造的那个方程的系数(3,4,5)是前两个系数(1,3,4)与(2,1,1)的线性组合,也就是增加前后系数矩阵的秩都是2【秩的定义就是最大线性无关行(列)的个数】,有效的约束是2,最后增加的那个方程是来摸!鱼!的!
5#
有关回应  16级独孤 | 2021-5-14 17:52:48
谢邀。
线性相关/无关是个很直观的概念。三点共线就是线性相关,三线共点也是线性相关。线性相关就是向量之间存在某种相互限制关系,使得他们张成的空间不能达到最大维数。线性无关就是一种“自由状态”,所有的向量都处于“一般位置”,有多少个向量,就张成多少维的空间。线性代数里面,对线性变换f:V \to W而言,像空间的维数(秩)=V的维数-零度(核空间的维数),就是说,理想的自由状态下的维数(V的维数,在解线性方程的时候就是变量的个数),减去约束条件的个数(也就是秩,在解线性方程的时候就是线性无关的方程组的数量),就等于核空间的维数(也就是加上约束条件后的向量组的维数)。有一个以上约束条件,你写出来的V里面那组向量就是线性相关的;没有任何约束条件,就是线性无关的。很朴素的道理。

(写完觉得核空间和像空间的关系好像写反了。。不过anyway他们本来也是在某种意义上对偶的。。)
6#
有关回应  16级独孤 | 2021-5-14 17:52:49
以线性代数中的向量组形式来解释。
一个m×n的矩阵,可以看做n个m维列向量组成。
若这一组n个向量中,有多余向量,即某一个或几个向量,可以由其他向量表示出来,即可说,这一组向量线性相关。
如(1,1) (1,0) (0,1)三个向量,
显然(1,1)=(1,0)+(0,1),立即得,三个向量线性相关(即有多余向量)。
若这一组n个向量中,没有多余向量,即任选一个向量,都不能由其他向量表示出来,即可说,这一组向量线性无关。
如a(1,3,0,0), b(0,8,4,0), c(7,0,0,3)三个向量,无论如何尝试都不能写出a=xb+yc(x,y为任意实数)的形式,立即得,三个向量线性无关(即没有多余向量,所有向量全独立)。
一个m×n矩阵,即n个m维列向量组成的矩阵,如何表达其独立向量的个数呢?因为其他多余向量,可以由这些独立向量表示出来,所以这个数很重要。
这个数就是秩。
秩,表示一组n个m维向量中,独立向量的个数。
如(1,1) (1,0) (0,1)三个向量,你可以在这三个向量中任选两个,第三个向量必然可以由前两个表示出来,所以独立向量最多为2,所以秩等于2。

如a(1,3,0,0), b(0,8,4,0), c(7,0,0,3)三个向量,刚刚已经说过,三个向量,线性无关,即,所有向量全是独立向量,立即推,秩等于3。

至于最后一个,同型矩阵秩相同可以推得,两矩阵等价,但是在向量组中,似乎没什么用。
评论答疑补:一个向量组是否线性相关,确实跟数域的选择有关。比如我们在学习线性无关的时候,我们经常用的一个式子,x1a1+x2a2=0,若a1,a2线性无关,则当且仅当x1=x2=0,这是很常用的。那我们不妨设想一种情况,x1,x2是属于实数域,a1=1,a2=i(根号-1),我们发现显然要式等式成立,当且仅当x1=x2=0,即在实数域内,"1"和“i”是线性无关的。但若x1,x2属于复数域,我们惊奇的发现x1,x2可以取很多值,如x1=-i,x2=1,显然不是当且仅当x1=x2=0,也就是说在复数域内,"1"和“i”是线性相关的。也就是说,数域的选择,会影响的到矩阵的相关性,高深的说法就是,数域的选择,会影响线性空间的维数。
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