本书共分为6讲,可以按以下三大版块进行学习:
- 行列式 (基础版块)
- 矩阵 (基础版块)
- 向量组 (主题版块)
- 方程组 (主题版块)
- 特征值 (应用版块)
- 二次型 (应用版块)
对象(元素):向量#
- 定义:拼在一起的有序数组,如 [−1,1]。
- 维数:向量中数的个数,如 [−1,1] 是 2 维向量。
- 意义:数据可以表达信息。
线性运算#
- 加法:a+b
- 数乘:ka
点积运算#
多行乘多列#
如 [a1b1a2b2][c1c2d1d2]=[a11a21a12a22],
其中,a11=a1c1+a2c2,a12=a1d1+a2d2,a21=b1c1+b2c2,a22=b1d1+b2d2,
aij=(第i行,第j列).练习:计算如下式子。
- [10][01]= 0
- [01][10]= 0
- [1−2−14][1−2]= [3−2]
- [12][01−10]= [2−1]
- [100−1][1011]= [101−1]
- [1011][0120−10]= [1120−10]
线性变换#
Aa=β理解为:把 A 作用在 a 上,输出一个 β。矩阵 × 向量 = 向量。A 对应法则就是 f() ,a 自变量就是 x ,β 输出就是 y 。
1.对称变换#
a. 关于 x 轴对称
变换矩阵: [100−1]
b. 关于 y 轴对称
变换矩阵: [−1001]
c. 关于原点对称
变换矩阵: [−100−1]
d. 关于 y=x 对称
变换矩阵: [0110]
e. 关于 y=−x 对称
变换矩阵: [0−1−10]
2.伸缩变换#
a. 拉伸变换(横向放大2倍)
变换矩阵: [2001]
b. 拉伸变换(纵向放大2倍)
变换矩阵: [1002]
c. 压缩变换(横向缩小2倍)
变换矩阵: [1/2001]
d. 压缩变换(纵向缩小2倍)
变换矩阵: [1001/2]
3.剪切变换#
a. 剪切变换(上边左移)
变换矩阵: [1011]
b. 剪切变换(右边下移)
变换矩阵: [1−101]
4.旋转变换(逆时针绕原点45度)#
变换矩阵: [2222−2222]
方程组求解#
前提 A 矩阵可逆
线性代数主要是运用了线性变换这样一个对应法则来作运算。事实上,线性变换相当于高等数学中的对应法则,即函数 f,对应到线性代数里就是矩阵 A。
例如,对于一个方程组
{x1+2x2=34x1+7x2=10中学阶段的解法为高斯消元法,大学阶段的解法为线性变换法。
线性变换法中,把 x1+2x2、4x1+7x2 写为向量点积形式 1⋅x1+2⋅x2、4⋅x1+7⋅x2,则方程改写为:
[1427][x1x2]=[310]Ax=β等式两端同时左边乘“A−1”,得 A−1Ax=A−1β,即 x=A−1β。
记 E1=1,E2=[1001]
计算可知,[1427][−742−1]=[−742−1][1427]=[1001],即 AA−1=E2。
此时 A−1=[−742−1] 。于是在下式两端同时乘以 A−1,有
[−742−1][1427][x1x2]=[−742−1][310]于是 [x1x2]=[−12],即方程 {x1+2x2=34x1+7x2=10 的解为 x1=−1,x2=2。
用 A−1 求解方程组可称为“逆矩阵解法”。
当方程组未知数和方程个数越来越多时,高斯消元法将越来越难以求解。而逆矩阵解法则越来越体现其优越性。在现代科技中,“大型”方程组的求解越来越普遍且实用。学习线性代数,可以为学好现代科技打下良好的基础。