線性代數(shù)課件

1、線性代數(shù)課件一、簡介線性代數(shù)是代數(shù)學的一個分支，今天數(shù)學界一致認它作為一門獨立學科誕生于上世紀30年代，因為吸納了系統(tǒng)的線性代數(shù)內(nèi)容的著作是在這一時期產(chǎn)生的，如Van的名著代數(shù)學第二卷就把線性代數(shù)作為其中的短短一章?；仡櫨€性代數(shù)的歷史基礎(chǔ)上，分析了關(guān)于線性代數(shù)的幾個核心問題：第一介紹了幾種關(guān)于線性代數(shù)基本結(jié)構(gòu)問題的看法；第二介紹了關(guān)于線性代數(shù)的兩個基本問題，即“線性”和“線性問題”；第三介紹了線性代數(shù)的研究對象；第四分析了線性代數(shù)的結(jié)構(gòu)體系。上世紀80年代以來，隨著計算機應用的普及，線性代數(shù)理論被廣泛應用到科學、技術(shù)和經(jīng)濟領(lǐng)域，因此線性代數(shù)也成為高等院校理工科各專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，文章簡述線性

2、代數(shù)的相關(guān)核心核心問題。二、線性代數(shù)的歷史線性代數(shù)是代數(shù)學的一個分支，今天數(shù)學界一致認它作為一門獨立學科誕生于上世紀30年代，因為吸納了系統(tǒng)的線性代數(shù)內(nèi)容的著作是在這一時期產(chǎn)生的，如Van的名著代數(shù)學第二卷就把線性代數(shù)作為其中的短短一章。但是線性代數(shù)的一些初級內(nèi)容如行列式、矩陣和線性方程組的研究可以追溯到二百多年前；19世紀四五十年代Grassmann創(chuàng)立了用符號表述幾何概念的方法，給出了線性無關(guān)和基等概念，這標準著線性代數(shù)內(nèi)容近代化開始；19世紀末向量空間的抽象定義形成，并在20世紀初被廣泛用于泛函分析研究，從而使線性代數(shù)成為以空間理論為終結(jié)的獨立學科，因此可以說線性代數(shù)是綜合了若干項獨立發(fā)

3、展的數(shù)學成果而形成的。從上世紀六七十年代起線性代數(shù)進入了大學數(shù)學專業(yè)課程，在我國這門課程稱為高等代數(shù)，它以線性代數(shù)為主體并納入了一章多項式理論。無論是高等代數(shù)或線性代數(shù)，這個課程有兩個特點：一個特點是各部分內(nèi)容相對獨立，整個課程呈現(xiàn)出一種塊狀結(jié)構(gòu)，原因是線性代數(shù)學科的形成過程本身就沒有一條明確的主線。我們幾乎可以找到從線性方程組，行列式，向量，矩陣，多項式，線性空間，線性變換中的任何一個分塊開始展開的教材，其展開過程主要取決于作者串聯(lián)這些分塊的形式邏輯的脈絡。另一個特點是內(nèi)容抽象，要真正掌握線性代數(shù)的原理與方法必須具備較強的抽象思維能力，即對形式概念的理解能力和形式邏輯的演繹能力，而這兩種能力

4、要求幾乎超越了大多數(shù)學生在中學階段的能力儲備，而必須在學習這門課程的過程中重塑。主要是這兩個原因，線性代數(shù)被認為是一門非常難掌握的課程，而克服這一困難的關(guān)鍵就是針對線性代數(shù)課程的這兩個特點進行有效的課程改革。三、關(guān)于線性代數(shù)基本結(jié)構(gòu)問題的看法線性代數(shù)基本結(jié)構(gòu)問題，學者們歷來有許多不同的看法，較為常見的是以下幾種：第一種是以矩陣為中心。這一看法認為整個線性代數(shù)以矩陣理論為核心，將矩陣理論視為各個內(nèi)容聯(lián)系的紐帶。在求線性方程組、判定方程組的解以及研究線性空間問題時，矩陣理論是重要工具。例如正交矩陣和對稱矩陣主要應用于歐氏空間和二次型方程問題中?？梢姡灰獙仃囍R有了全面系統(tǒng)的理解后，就能將各種問

5、題都化解為矩陣理論中的一部分，引申為矩陣問題。第二種是以線性方程組為中心。這一關(guān)觀點認為線性方程組是線性代數(shù)研究的基本問題。具體操作過程中，將線性方程組的理論和方法應用到各個章節(jié)，由此引出矩陣、行列式、向量等理論，最后列出方程組、求解，然后進一步應用，串聯(lián)起各部分內(nèi)容。這一理論較為系統(tǒng)、科學，常常被初學者采納。第三是一種線性代數(shù)體系，以線性變換和線性空間為核心。在學習線性代數(shù)之前，學生要先掌握關(guān)系、集合、環(huán)、群、域等概念，形成對高等數(shù)學的研究對象、知識結(jié)構(gòu)、表達方式的初步認識。線性代數(shù)體系依次安排了線性空間、內(nèi)積空間、線性變化、矩陣概念和性質(zhì)等章節(jié)。掌握線性變換基礎(chǔ)后，再教學線性方程組求解知識

6、，在此基礎(chǔ)上，進一步引出特征向量、特征值和二次型理論。整個體系以線性代數(shù)為核心，內(nèi)容介紹、理論講解及方法系統(tǒng)化為一個整體。第四是以向量理論為核心。對二維、三維直角坐標系的研究是線性代數(shù)的起源。學生在中學時就已經(jīng)了解了關(guān)于平面向量的一些基本知識，因此，將向量作為整個線性代數(shù)知識的核心，有利于使各部分內(nèi)容的聯(lián)系更加密切、理論體系更加完整完善，學生的空間概念也能得以加強。矩陣、行列式、線性方程組一般為研究維向量空間所必須的表示工具、向量的線性相關(guān)性的判別工具）和未知向量的計算工具，從宏觀講它們獨立于體系之外，從微觀講它們也是維向量空間的一些具體內(nèi)容。而二次型僅僅是對稱雙線性函數(shù)的一個簡單應用。四、線

7、性和線性問題“線性”這個數(shù)學名詞在中學數(shù)學課程中，學生從未接觸過。而這一課程是大學數(shù)學的基礎(chǔ)課程，學生剛進入大學，對這一詞匯的具體內(nèi)容知之甚少。所以在學習之前，學生必須對什么是“線性”有所了解，在“線性代數(shù)”這一課程中有對于“線性”概念的明確介紹。這是學習線性代數(shù)要解決的第一個基本問題，即什么是“線性”。從整個數(shù)學全局來看線性代數(shù)，可將涉及到的數(shù)學問題分為兩類：即線性問題和非線性問題。其中，對于線性問題的研究，歷來有最完善的理論和最多的研究成果；并且，許多非線性問題往往也可以轉(zhuǎn)化為線性問題解答。所以解決具體的數(shù)學問題時，首先應判斷該問題是否屬于線性問題，如果是線性問題該采用怎樣的解決方法，如果

8、不是線性問題，應考慮如何將其轉(zhuǎn)化為線性問題。這是學習線性代數(shù)要解決的第二個基本問題：什么是“線性問題”，如何處理“線性問題”？了解了什么是“線性”、什么是“線性問題”后，離完成線性代數(shù)的教學目的還有很長一段距離。如今的高校教育，一味灌輸給學生行列式、向量、矩陣、線性變換等空洞的數(shù)學定理，指導學生用這些理論來思考線性代數(shù)的基本結(jié)構(gòu)、具體應用等問題。教師在教學線性代數(shù)問題時更是一味強調(diào)理論的選擇與應用，卻忽視了學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力的培養(yǎng)。五、線性代數(shù)的研究對象稍微觀察一下我們可以發(fā)現(xiàn)，中學的初等代數(shù)就是線性代數(shù)的前身，只是在其基礎(chǔ)上的進一步抽象化。初等代數(shù)研究的多是具體的問題，運

9、用加減乘除的運算方法即可解決問題；線性代數(shù)中則引入了許多新的概念，如向量、向量空間、集合、空間、矩陣等等，問題展現(xiàn)的形式發(fā)生了變化，要想解決問題，我們的思維方式也應該發(fā)生變化。涉及到新概念的數(shù)學問題往往都很抽象，如向量指的是既有數(shù)值又有具體方向的量；向量空間是許多量組成的集合，這一集合中的元素全都符合特定的運算規(guī)則；集合是具有某種屬性的事物的總和；矩陣理論則是一種更加抽象化的理論，因此我們的研究方法和思維方式都要隨之進行改變。如初等代數(shù)中的基本運算法則性代數(shù)中經(jīng)常會失效，線性代數(shù)的研究對象是向量運算、矩陣運算和線性變換，解決問題時，需要采用一種特殊的運算方法。綜上所述，線性代數(shù)的學習中應重點培

10、養(yǎng)兩個方面的能力：一個是知識掌握的能力的培養(yǎng)。介紹知識時應堅持從易到難、循序漸進。先掌握好中學的運算法則，再慢慢學習向量、矩陣知識，之后學習線性變換，最后綜合學習線性運算。學生經(jīng)過中學階段的學習，完全掌握了加法和乘法這兩種基礎(chǔ)運算法則，簡單了解了向量運算。矩陣知識相對于前者更加抽象，因此應放在之后學習。線性變換則是線性代數(shù)教學中的重點和難點所在，也是最容易被忽視的地方。由于線性變換可結(jié)合映射知識學習，而映射知識在中學數(shù)學和微積分教學中都有詳細的介紹，在此基礎(chǔ)上學生更容易理解線性變換及運算的相關(guān)知識，更容易解決矩陣特征值問題、線性方程組問題及二次型問題等。另外一個是思維能力的培養(yǎng)。在學習中，注意

11、引導學生帶著問題學習，并在學習中進一步發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，這是最有效的思維方式和學習方法。前文提到了學習線性代數(shù)必須先了解的兩個基本問題：什么是“線性”、什么是“線性問題”。這兩個基本問題應該始終貫穿性代數(shù)的學習過程中。無論在什么階段的學習，都要注重理論知識和實際問題的有效結(jié)合。學生在掌握了一定的理論知識后，可嘗試去解決相關(guān)的實際問題。在這一過程中，學生會加深對理論知識的理解，并進一步發(fā)現(xiàn)自身知識儲備的不足之處。若單單追求知識的應用，而不加深自己的理論素養(yǎng)，最終也無法具備良好的思維能力。所以，在學習線性代數(shù)時，要培養(yǎng)好兩方面的能力，使之相輔相成、相互促進。結(jié)語：20世紀后50年計算技術(shù)的高速發(fā)展，推動了大規(guī)模工程和經(jīng)濟系統(tǒng)問題的解決，使人們看到，線性代數(shù)和相關(guān)的矩陣模型是如微積分那樣的數(shù)學工具