重新理解線性代數

2021-02-20 算法與數學之美

線性代數是高等代數的一大分支。我們知道一次方程叫做線性方程,討論線性方程及線性運算的代數就叫做線性代數。在線性代數中最重要的內容就是行列式和矩 陣。行列式和矩陣在十九世紀受到很大的注意 , 而且寫了成千篇關於這兩個課題的文章。向量的概念 , 從數學的觀點來看不過是有序三元數組的一個集合 , 然而它以力或速度作為直接的物理意義 , 並且數學上用它能立刻寫出 物理上所說的事情。向量用於梯度 , 散度 , 旋度就更有說服力。同樣 , 行列式和矩陣如導數一樣(雖然 dy/dx 在數學上不過是一個符號 , 表示包括△y/△x的極限的長式子 , 但導數本身是一個強有力的概念 , 能使我們直接而創造性地想像物理上發生的事情)。因此,雖然表面上看,行列式和矩陣不過是一種語言或速記,但它的大多數生動的概念能對新的思想領域提供鑰 匙。然而已經證明這兩個概念是數學物理上高度有用的工具。 

   線性代數學科和矩陣理論是伴隨著線性系統方程係數研究而引入和發展的。 行列式的概念最早是由十七世紀日本數學家關孝和提出來的,他在 1683 年寫了一部叫做《解伏題之法》的著作,意思是 「 解行列式問題的方法 」 ,書裡對行列式的概念和它的展開已經有了清楚的敘述。歐洲第一個提出行列式概念的是德國的數學家, 微積分學奠基人之一 萊布 尼 茲 ( Leibnitz , 1693 年) 。 1750 年 克萊姆( Cramer ) 在他的《線性代數分析導言》( Introduction d l'analyse des lignes courbes alge'briques )中 發表了求解線性系統方程的重要基本公式(既人們熟悉的 Cramer 克萊姆法則)。 1764 年 , Bezout 把確定行列式每一項的符號的手續系統化了。對給定了含 n 個未知量的 n 個齊次線性方程 , Bezout 證明了係數行列式等於零是這方程組有非零解的條件。 Vandermonde 是第一個對行列式理論進行系統的闡述 ( 即把行列 ' 式理論與線性方程組求解相分離 ) 的人。並且給出了一條法則,用二階子式和它們的餘子式來展開行列式。就對行列式本身進行研究這一點而言,他是這門理論的奠基人。 Laplace 在 1772 年的論文《對積分和世界體系的探討》中 , 證明了 Vandermonde 的一些規則 , 並推廣了他的展開行列式的方法 , 用 r 行中所含的子式和它們的餘子式的集合來展開行列式,這個方法現在仍然以他的名字命名。 德國數學家雅可比( Jacobi )也於 1841 年總結並提出了行列式的系統理論。另一個研究行列式的是法國最偉大的數學家 柯西 (Cauchy) ,他大大發展了行列式的理論,在行列式的記號中他把元素排成方陣並首次採用了雙重足標的新記法,與此同時發現兩行列式相乘的公式及改進並證明了 laplace 的展開定理。相對而言,最早利用矩陣概念的是 拉格朗日( Lagrange ) 在 1700 年後的雙線性型工作中體現的。拉格朗日期望了解多元函數的最大、最小值問題,其方法就是人們知道的拉格朗日迭代法。為了完成這些,他首先需要一階偏導數為 0 ,另外還要有二階偏導數矩陣的條件。這個條件就是今天所謂的正、負的定義。儘管拉格朗日沒有明確地提出利用矩陣。 

   高斯( Gauss ) 大約在 1800 年提出了高斯消元法並用它解決了天體計算和後來的地球表面測量計算中的最小二乘法問題。(這種涉及測量、求取地球形狀或當地精確位置的應用數學分支稱為測 地學。)雖然高斯由於這個技術成功地消去了線性方程的變量而出名,但早在幾世紀中國人的手稿中就出現了解釋如何運用「高斯」消去的方法求解帶有三個未知量 的三方程系統。在當時的幾年裡,高斯消去法一直被認為是測地學發展的一部分,而不是數學。而高斯 - 約當消去法則最初是出現在由 Wilhelm Jordan 撰寫的測地學手冊中。許多人把著名的數學家 Camille Jordan 誤認為是「高斯 - 約當」消去法中的約當。 

   矩陣代數的豐富發展,人們需要有合適的符號和合適的矩陣乘法定義。二者要在大約同一時間和同一地點相遇。 1848 年英格蘭的 J.J. Sylvester 首先提出了矩陣這個詞,它來源於拉丁語,代表一排數。 1855 年矩陣代數得到了 Arthur Cayley 的工作培育。 Cayley 研究了線性變換的組成並提出了矩陣乘法的定義,使得複合變換 ST 的係數矩陣變為矩陣 S 和矩陣 T 的乘積。他還進一步研究了那些包括矩陣逆在內的代數問題。著名的 Cayley- Hamilton 理論即斷言一個矩陣的平方就是它的特徵多項式的根,就是由 Cayley 在 1858 年在他的矩陣理論文集中提出的。利用單一的字母 A 來表示矩陣是對矩陣代數發展至關重要的。在發展的早期公式 det( AB ) = det( A )det( B ) 為矩陣代數和行列式間提供了一種聯繫。 數學家 Cauchy 首先給出了特徵方程的術語,並證明了階數超過 3 的矩陣有特徵值及任意階實對稱行列式都有實特徵值;給出了相似矩陣的概念,並證明了相似矩陣有相同的特徵值;研究了代換理論, 

   數學家試圖研究向量代數,但在任意維數中並沒有兩個向量乘積的自然定義。第一個涉及一個不可交換向量積(既 v x w 不等於 w x v )的向量代數是由 Hermann Grassmann 在他的《線性擴張論》( Die lineale Ausdehnungslehre ) 一 書中提出的。 (1844) 。他的觀點還被引入一個列矩陣和一個行矩陣的乘積中,結果就是現在稱之為秩數為 1 的矩陣,或簡單矩陣。在 19 世紀末美國數學物理學家 Willard Gibbs 發表了關於《向量分析基礎》 ( Elements of Vector Analysis ) 的著名論述。其後物理學家 P. A. M. Dirac 提出了行向量和列向量的乘積為標量。我們習慣的列矩陣和向量都是在 20 世紀由物理學家給出的。 

   矩陣的發展是與線性變換密切相連的。到 19 世紀它還僅佔線性變換理論形成中有限的空間。現代向量空間的定義是由 Peano 於 1888 年提出的。二次世界大戰後隨著現代數字計算機的發展,矩陣又有了新的含義,特別是在矩陣的數值分析等方面。 由於計算機的飛速發展和廣泛應用,許多實際問題可以通過離散化的數值計算得到定量的解決。於是作為處理離散問題的線性代數,成為從事科學研究和工程設計的 科技人員必備的數學基礎。

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  • 如何學好線性代數?
    不過話說回來,即使哈爾莫斯的線性代數啟蒙老師是數學大師諾伊曼,哈爾莫斯未必當下就能真正明白線性代數在講什麼。我說的真正明白不是指考試拿高分,而是有一天你在洗澡時豁然開悟,奔出浴室光著身子在馬路上邊跑邊叫:「啊哈!我明白了!」老實講,我不認為有哪個老師或那本教科書可以讓學生「第一次學線代就上手」。真正全面性的理解線性代數需要時間,需要勤奮練習與堅持思考。
  • 線性代數重要,選對教材更重要:同濟版《線性代數》引發激烈爭議
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  • 線性代數重要,選對教材更重要:同濟版《線性代數》引發激烈爭議
    好多算法都用到線性代數的知識,就比如現在非常熱門的深度學習,它的底層實現方式用到好多線性代數方面的知識。如果底層基礎打不好,不明白其中的原理,算法實現方式真的很難理解,更不可能去創新了。好的教材才能起到事半功倍的效果。
  • 線性代數很重要,選對教材更重要:同濟版《線性代數》引發激烈爭議
    如果底層基礎打不好,不明白其中的原理,算法實現方式真的很難理解,更不可能去創新了。好的教材才能起到事半功倍的效果。目前這本教材已更新了好幾版,每次更新的內容看起來也是無關緊要,如果有下次版本更新,還是希望制定教材的老師們聽取一下廣大學生的建議。一直以來,同濟版《線性代數》都是一本頗有爭議的教材,它在知乎上的風評基本都是這個畫風:
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    有同學對我講現在複習線性代數遇到了瓶頸,在歷年的複習過程中,有許多同學完全找不到複習的感覺,線性代數這門學科的學習方法和高等數學完全不一樣,也就是說你學習線性代數首先你得換學習思想,它完全是一套全新的學習思想,所以很多學生剛剛入門的時候覺得線性代數不好學,雖然是一本很薄的書,評論區有很多人說自己聽我的課恍然大悟了,開竅了,我很高興。
  • 學好線性代數,我推薦這本書
    Jacobson)的抽象代數著作),然而只是在我後來用哈爾莫斯的《有限維向量空間》重新學了一遍線性代數以後,我才敢說我對線性代數有了一點底氣。我希望我說這話時,你不要認為我是在吹牛,我甚至希望這話能得到專業人士的認可,因為我在博士論文中的部分工作,就是用阿廷、馮•諾依曼、哈爾莫斯那一派的幾何觀念和方法,完善了華羅庚先生1947年的一項純代數的矩陣工作。
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  • 線性代數複習建議及相關講解
    剛開始進行考研複習的考生中有不少人開始進行線性代數的複習了,有很多同學告訴我複習線性代數時遇到了很大的困難,在歷年的複習過程中,有許多同學完全找不到複習的感覺,線性代數這門學科的學習方法和高等數學完全不一樣,也就是說你學習線性代數首先你得換學習思想,它完全是一套全新的學習思想,所以很多學生剛剛入門的時候覺得線性代數不好學,我想告訴大家線性代數不是先做題
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  • 線性代數入門——矩陣乘法的定義及其意義
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  • 學好線性代數,我推薦這本書|展卷
    Jacobson)的抽象代數著作),然而只是在我後來用哈爾莫斯的《有限維向量空間》重新學了一遍線性代數以後,我才敢說我對線性代數有了一點底氣。我希望我說這話時,你不要認為我是在吹牛,我甚至希望這話能得到專業人士的認可,因為我在博士論文中的部分工作,就是用阿廷、馮·諾依曼、哈爾莫斯那一派的幾何觀念和方法,完善了華羅庚先生1947年的一項純代數的矩陣工作。