工程数学：线性代数

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1、工程数学：I、线性代数LinearAlgebra深圳大学化学与环境工程学院2015年9月线性代数是数学的一个分支其研究对象是：向量，向量空间（或称线性空间），线性变换和有限维的线性方程组。向量空间是现代数学的一个重要课题；因而，线性代数被广泛地应用于抽象代数和泛函分析中；通过解析几何，线性代数得以被具体表示。线性代数的理论已被泛化为算子理论。由于科学研究中的非线性模型通常可以被近似为线性模型，使得线性代数被广泛地应用于自然科学和社会科学中。什么叫线性线性代数主要处理线性关系问题。线性关系意即数学对象之间的关系是以一次形式来表达的。线性（linear）指量

2、与量之间按比例、成直线的关系，在数学上可以理解为一阶导数为常数的函数。非线性（non-linear）则指不按比例、不成直线的关系，一阶导数不为常数。例如，在解析几何里，平面上直线的方程是二元一次方程；空间平面的方程是三元一次方程，而空间直线视为两个平面相交，由两个三元一次方程所组成的方程组来表示。含有n个未知量的一次方程称为线性方程。关于变量是一次的函数称为线性函数。线性关系问题简称线性问题。可以简单地说数学中的线性问题是最容易被解决的。解线性方程组的问题是最简单的线性问题。18～19世纪期间先后产生行列式和矩阵，为处理线性问题提供了有力的工具，从而推动了

3、线性代数的发展。向量概念的引入，形成了向量空间的概念。凡是线性问题都可以用向量空间的观点加以讨论。因此：向量空间及其线性变换，以及与此相联系的矩阵理论，构成了线性代数的中心内容。十九世纪下半叶，因若当的工作而达到了它的顶点。1888年，皮亚诺以公理的方式定义了有限维或无限维线性空间。托普利茨将线性代数的主要定理推广到任意体（domain）上的最一般的向量空间中。线性映射的概念在大多数情况下能够摆脱矩阵计算而不依赖于基的选择。不用交换体而用未必交换之体或环作为算子之定义域，这就引向模（module）的概念，这一概念很显著地推广了线性空间的理论和重新整理了十九

4、世纪所研究过的情况。矩阵论始于凯莱“代数”这个词代数学的西文名称algebra来源于9世纪阿拉伯数学家花拉子米的重要著作的名称。该著作名为“ilmal-jabrwa'1muqabalah”，原意是“还原与对消的科学”。这本书传到欧洲后，简译为algebra。清初传入中国两卷无作者的代数学书，被译为《阿尔热巴拉新法》，后改译为《代数学》（李善兰译，1853）。线性代数的学术地位线性代数在数学、物理学和技术学科中有各种重要应用，因而它在各种代数分支中占居首要地位。线性代数所体现的几何观念与代数方法之间的联系，从具体概念抽象出来的公理化方法以及严谨的逻辑推证、巧

5、妙的归纳综合等，对于强化人们的数学训练，增益科学智能是非常有用的。随着科学的发展，我们不仅要研究单个变量之间的关系，还要进一步研究多个变量之间的关系，各种实际问题在大多数情况下可以线性化，而由于计算机的发展，线性化了的问题又可以计算出来，线性代数正是解决这些问题的有力工具。“以直代曲”是人们处理很多数学问题时一个很自然的思想。很多实际问题的处理，最后往往归结为线性问题，它比较容易处理。因此，线性代数在工程技术和国民经济的许多领域都有着广泛的应用，是一门基本的和重要的学科。线性代数的计算方法是计算数学里一个很重要的内容。线性代数起源于对二维和三维直角坐标系的

6、研究。在这里，一个向量是一个有方向的线段，由长度和方向同时表示。这样向量可以用来表示物理量，比如力，也可以和标量做加法和乘法。这就是实数向量空间的第一个例子。现代线性代数已经扩展到研究任意或无限维空间。一个维数为n的向量空间叫做n维空间。在二维和三维空间中大多数有用的结论可以扩展到这些高维空间。比如，在经济学中可以使用8维向量来表示8个国家的国民生产总值（GNP）。当所有国家的顺序排定之后，比如（中国、美国、英国、法国、德国、西班牙、印度、澳大利亚），可以使用向量（v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,v8）显示这些国家某一年各自的GNP。这里，每个国

7、家的GNP都在各自的位置上。向量空间是在域上定义的，比如实数域或复数域。线性算子将线性空间的元素映射到另一个线性空间（也可以是同一个线性空间），保持向量空间上加法和标量乘法的一致性。所有这种变换组成的集合本身也是一个向量空间。如果一个线性空间的基是确定的，所有线性变换都可以表示为一个数表，称为矩阵。矩阵不是线性代数最重要的课题，是次重要的。线性代数研究的东西，可以统一地说成是线性空间。研究向量——向量的全体是一个线性空间。研究线性映射——线性映射的全体是一个线性空间。用8A(八个公理)定义线性空间：要素：数域K，集合V不是空集，两个映射+:VxV->V和*

8、:KxV->V公理：exists0inVforalla,b,cin