本書以線性方程組為主線、以矩陣和向量為工具,闡述線性代數(shù)的基本概念、基本理論和方法,使全書內(nèi)容聯(lián)系緊密,具有較強(qiáng)的邏輯性.全書共分5章,分別介紹線性方程組、矩陣代數(shù)、向量代數(shù)、特征值和特征向量以及二次型. 對(duì)每章的學(xué)習(xí)內(nèi)容簡(jiǎn)述其起源和作用.
由于線性代數(shù)概念多、結(jié)論多,內(nèi)容較抽象,本書盡量從簡(jiǎn)單實(shí)例入手,力求通俗易懂、由淺入深,對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容提供較多的典型例題,以幫助學(xué)生更好地理解、掌握和運(yùn)用線性代數(shù)的知識(shí). 每章有精選習(xí)題,有些選自歷年的研究生入學(xué)考試題目,書后有習(xí)題答案. 專業(yè)術(shù)語均有對(duì)應(yīng)的英文. 本書簡(jiǎn)單介紹了使用MATLAB求解線性代數(shù)問題的一些常見命令,希望能引起大家的學(xué)習(xí)興趣,較早進(jìn)入MATLAB世界.
本書適合于普通高等院校非數(shù)學(xué)專業(yè)各類理工科本科生特別是計(jì)算機(jī)各專業(yè)、電子信息及有關(guān)各專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)、經(jīng)濟(jì)和管理學(xué)科等專業(yè)學(xué)生作為教學(xué)用書.
本書有配套的《線性代數(shù)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答》輔助用書,同時(shí)由清華大學(xué)出版社出版,本書電子教案可在清華大學(xué)出版社網(wǎng)站下載.
什么是代數(shù)?代數(shù)(algebra)最早就是求解方程或方程組,在清代傳入我國(guó),當(dāng)時(shí)將Algebra翻譯成“阿爾熱巴拉”,直到1859年才翻譯成“代數(shù)”.根據(jù)現(xiàn)代數(shù)學(xué)的觀點(diǎn),代數(shù)就是在所考慮的對(duì)象之間規(guī)定一些運(yùn)算后得到的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu).
什么是線性代數(shù)?線性代數(shù)(linear algebra)涉及的運(yùn)算主要是稱為加減和數(shù)乘的線性運(yùn)算,這些線性運(yùn)算須滿足一定的性質(zhì)進(jìn)而構(gòu)成線性空間.線性代數(shù)需要解決的第一個(gè)問題就是求解來源于實(shí)際應(yīng)用問題的線性方程組.
線性代數(shù)的研究對(duì)象是什么?線性代數(shù)的研究對(duì)象是線性空間,包括其上的線性變換.它與高等代數(shù)、近世代數(shù)的研究對(duì)象略有所不同.
從廣義的角度看,線性代數(shù)研究線性科學(xué)中的“線性問題”.直觀地講,對(duì)所考慮的變量來講,和式中各項(xiàng)次數(shù)最高為一次的問題就是線性問題.即使是大量出現(xiàn)的非線性問題有時(shí)也可以轉(zhuǎn)換成線性問題進(jìn)行處理,如在一定條件下,曲線可用直線近似,曲面可用平面近似,函數(shù)增量可用函數(shù)的微分近似.
矩陣和向量是重要的代數(shù)工具.線性問題的討論往往涉及矩陣和向量,它們是重要的代數(shù)工具.在一定的意義上,它們以及其上的一些運(yùn)算本身就構(gòu)成線性空間.因此,線性代數(shù)的主要內(nèi)容分別是線性方程組、向量空間、矩陣代數(shù),以及與線性變換密切相關(guān)的方陣的特征值和二次型這種線性空間之間特殊的雙線性函數(shù)等.
線性代數(shù)的特點(diǎn)是什么?內(nèi)容較抽象、概念和定理較多,前后聯(lián)系緊密,環(huán)環(huán)相扣,相互滲透.
為何要學(xué)習(xí)線性代數(shù)?線性代數(shù)是一種數(shù)學(xué)建模方法,科研工作者必須掌握,雖然其有關(guān)內(nèi)容具有一定的抽象性.前面已經(jīng)提到,線性化是重要的數(shù)學(xué)方法,在高等數(shù)學(xué)特別是優(yōu)化問題的討論中會(huì)用到.在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言特別是MATLAB中,矩陣是最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).在微積分(高等數(shù)學(xué))、微分方程、離散數(shù)學(xué)、算法分析與設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)圖形圖像處理及數(shù)字信號(hào)處理等課程中,矩陣、向量、線性變換是經(jīng)常要用的知識(shí).隨著計(jì)算機(jī)的普及,線性代數(shù)在理論和實(shí)際應(yīng)用中的重要性更加突出,這使得諸如計(jì)算機(jī)專業(yè)、電子信息專業(yè)、自動(dòng)控制專業(yè)以及經(jīng)濟(jì)管理專業(yè)等對(duì)線性代數(shù)的內(nèi)容從深度和廣度方面都提出了更高的要求.
學(xué)習(xí)線性代數(shù)要達(dá)到的目的.通過線性代數(shù)的學(xué)習(xí),一方面可以進(jìn)一步培養(yǎng)抽象思維能力和嚴(yán)密的邏輯推理能力,為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),另一方面為立志報(bào)考研究生的同學(xué)提供必要的線性代數(shù)理論知識(shí)、解題技巧和方法.
本書適用對(duì)象.本書是根據(jù)作者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)編寫的,同時(shí)也參考了國(guó)內(nèi)外的線性代數(shù)教材.所選內(nèi)容適合于普通高等院校非數(shù)學(xué)專業(yè)各類理工科本科學(xué)生,特別是計(jì)算機(jī)各專業(yè)、電子信息及相關(guān)各專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)、經(jīng)濟(jì)和管理學(xué)科等專業(yè)本科學(xué)生作為教學(xué)用書,也可作為理工科考研學(xué)生和有關(guān)工作者的參考書.
本書主要內(nèi)容.全書共分5章,分別介紹線性方程組、矩陣代數(shù)、向量代數(shù)、特征值與特征向量和二次型.全書以線性方程組為主線、以矩陣和向量為工具闡述線性代數(shù)的基本概念、基本理論和方法,使全書內(nèi)容聯(lián)系緊密,具有較強(qiáng)的邏輯性.由于線性代數(shù)概念多、結(jié)論多,內(nèi)容較抽象,本書盡量從簡(jiǎn)單實(shí)例入手,力求通俗易懂、由淺入深,對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容提供較多的典型例題,以幫助學(xué)生更好地理解、掌握和運(yùn)用線性代數(shù)的知識(shí).每章都有精選習(xí)題,有些選自歷年的研究生入學(xué)考試線性代數(shù)題目,書后有習(xí)題答案.
MATLAB程序設(shè)計(jì)語言.計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究和發(fā)展,給線性代數(shù)內(nèi)容注入了新的活力,出現(xiàn)了各種各樣的數(shù)學(xué)軟件,如MATLAB、Mathematic等.本書介紹了使用MATLAB求解線性代數(shù)問題的一些常見命令,希望能引起大家的學(xué)習(xí)興趣,較早進(jìn)入MATLAB世界.因?yàn)镸ATLAB強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算功能、卓越的數(shù)據(jù)可視化能力和適用于各行各業(yè)的不同的工具箱(Toolbox),使得MATLAB成為多學(xué)科多種工作平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)語言,在歐美的幾乎所有高校中,MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制理論、數(shù)字信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的基本教學(xué)工具,是攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生和博士生必須掌握的基本技能.
本書講授約需54課時(shí),根據(jù)教學(xué)課時(shí)數(shù)以及學(xué)生具體情況,對(duì)于第2章、第3章和第5章內(nèi)容,特別是個(gè)別難度較大的例題,進(jìn)行適當(dāng)刪減,可作為?茖W(xué)生、網(wǎng)絡(luò)學(xué)院學(xué)生、成教學(xué)生的教材.在學(xué)習(xí)過程中,若能結(jié)合與本書配套的教學(xué)輔助用書《線性代數(shù)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答》進(jìn)行學(xué)習(xí),則能起到舉一反三、加深對(duì)課本內(nèi)容理解的作用.
由于編者水平有限,缺點(diǎn)和疏漏在所難免,肯請(qǐng)大家不吝指正,萬分感激.
編者
2008年5月
第1章線性方程組
1.1線性方程組與矩陣的有關(guān)概念
1.1.1線性方程組的有關(guān)概念
1.1.2矩陣的有關(guān)概念
1.2線性方程組解的存在性
1.2.1線性方程組的解
1.2.2線性方程組的同解變換與矩陣的初等行變換
1.2.3高斯消元法、行階梯形矩陣與矩陣的秩
1.3線性方程組的高斯求解方法
1.3.1將增廣矩陣化為行階梯形矩陣
1.3.2將行階梯形矩陣化為行最簡(jiǎn)形矩陣
習(xí)題1
第2章矩陣代數(shù)
2.1矩陣的線性運(yùn)算
2.1.1矩陣的加法運(yùn)算
2.1.2矩陣的數(shù)乘運(yùn)算
2.2矩陣的乘法運(yùn)算
2.2.1矩陣的乘法運(yùn)算的定義和性質(zhì)
2.2.2方陣的冪運(yùn)算
2.3方陣的行列式
2.3.1n階行列式的定義
2.3.2行列式的性質(zhì)
2.3.3行列式的計(jì)算
2.4求解線性方程組的Cramer法則
2.5矩陣的分塊技巧
2.5.1分塊矩陣的定義
2.5.2分塊矩陣的運(yùn)算
2.6逆矩陣
2.6.1逆矩陣的定義及性質(zhì)
2.6.2求逆矩陣的伴隨矩陣法
2.6.3求逆矩陣的高斯消元法
習(xí)題2
第3章向量空間
3.1向量及其線性運(yùn)算
3.1.1向量的概念
3.1.2向量的線性運(yùn)算
3.2向量組的線性相關(guān)性
3.2.1向量組的概念
3.2.2向量組的線性組合
3.2.3向量組的線性相關(guān)與線性無關(guān)
3.3向量組的極大無關(guān)組
3.3.1兩個(gè)向量組等價(jià)
3.3.2向量組的極大無關(guān)組
3.4向量空間
3.4.1向量空間的定義
3.4.2向量空間的基與坐標(biāo)
3.4.3過渡矩陣及坐標(biāo)變換公式
3.5線性方程組的結(jié)構(gòu)解
3.5.1齊次線性方程組的結(jié)構(gòu)解
3.5.2非齊次線性方程組的結(jié)構(gòu)解
3.6線性空間與線性變換
3.6.1線性空間
3.6.2線性變換
習(xí)題3
第4章特征值與特征向量
4.1特征值與特征向量的概念與計(jì)算
4.1.1特征值與特征向量的概念
4.1.2特征值與特征向量的計(jì)算
4.2特征值與特征向量的性質(zhì)
4.3相似矩陣與方陣的對(duì)角化
4.3.1相似矩陣
4.3.2方陣的對(duì)角化
習(xí)題4
第5章二次型
5.1二次型的有關(guān)概念
5.1.1二次型的定義和矩陣
5.1.2合同矩陣
5.1.3二次型的標(biāo)準(zhǔn)形
5.2用配方法求二次型的標(biāo)準(zhǔn)形
5.3歐氏空間
5.3.1向量的內(nèi)積
5.3.2歐氏空間的定義
5.3.3正交矩陣
5.4實(shí)對(duì)稱矩陣的對(duì)角化與二次型的標(biāo)準(zhǔn)形
5.4.1實(shí)對(duì)稱矩陣的對(duì)角化
5.4.2正交變換與二次型的標(biāo)準(zhǔn)形
5.5正定二次型與正定矩陣
5.5.1正定二次型
5.5.2正定矩陣
習(xí)題5
附錄A中英文名詞索引
附錄B習(xí)題答案
參考文獻(xiàn)