線性代數學習的核心——從雞兔同籠到線性方程組

2021-01-11 海文考研

雞兔同籠問題流傳了一些很有意思的解法,讓我們暫且遠離考研,品味一下小學數學的趣味:雞兔同籠,頭20,腿50,問雞兔各幾?

假設雞兔訓練有素,吹哨則抬腿,那麼一聲哨響,20條腿抬起,又一聲哨響,20條腿抬起,只有2隻腳的可憐的雞們,已經一屁股坐地上、兩腳朝天了,地上還剩餘的10條腿,全是兔子的,故5隻兔子,另有15隻雞。

比起這個萌系的方法,孫子算經就比較殘忍了,屠夫刷刷25刀,把每隻雞和兔子的腿都砍掉了一半,獨腳雞和雙腿兔當然還是20個頭,腿卻只有25個了,獨腳雞一個腦袋一條腿,一樣多,每隻雙腿兔卻是2條腿1個兔頭,腿比頭多1,那麼自然有5隻兔子。

其他方法,不一一列舉了。

筆者曾在網上見過一些段子,往往鼓吹這類巧解、妙解,甚至加上一些「目瞪口呆的老師」「大驚失色的博士」作為陪襯,其實,這些巧妙的流程,都是方程組加減消元罷了,配上一套更容易被小學生理解的流程。

我們可以用二元一次方程組解解看:設雞x只,兔y只,則有,再回頭審視,吹哨抬腳法,無外乎是用第二個方程,減去第一個方程,再減去第一個方程,化簡為,算出5隻兔子;殘忍的砍腳法,其實就是第二個方程除以2,得到,然後第二個方程減去第一個,算出。看到了嗎?各類巧妙解法,其實都是解方程組消元過程的等價描述。

追求精緻而不求普適,其實是與數學思維背道而馳的,數學是高度抽象的,小時候思維能力不足時,也無妨在巧妙解法中體會數學之趣,但也要在普適解法中領略數學之美、之深刻,這才是奧數教育的真諦,沉迷於前者而否認後者,是走了邪路。

回到考研數學,當你需要面對研究生入學考試這個級別的篩選時,核心思維就是沿著剛才的路,再向前邁一步:進一步的抽象化,進一步尋找等價描述。這是線性代數的核心思維。比如,既然方程組加減消元時只有係數改變,省略未知數符號xy可不可以?當然可以。寫成,則就是小學時「殘忍的砍腳法」的化簡流程,也是中學時的加減消元法,如果你已經複習線性代數,就會認出這是對增廣矩陣做初等行變換。線性代數的發端,本就是源自解方程組。

方程組既有代數形式,也有矩陣形式,還有向量形式。我們繼續找等價描述,這個方程組還可以看成,如何用二維列向量線性表示向量,不信我們假設個和就是,列成式子不就是,即,這又是一種等價描述。

不同角度的描述有什麼意義嗎?隨著大家的深入複習,你會發現,有些角度,某些命題是顯而易見的,但換個角度卻晦澀不清,比如,矩陣

及其轉置矩陣的秩相等,並且與的秩,

的秩都相等,如果大家用第二章矩陣的秩的原始定義去思考,毫無頭緒,但如果利用線性方程組的角度,則是非常簡單的;再比如兩個同型矩陣的秩滿足關係式,換到向量角度,就是個一目了然的結論。

線性代數知識結構異常緊密,考研中的線性代數試題,邏輯推導鏈條往往不長,與非常考較思維深度的高等數學不同,它更注重思維角度,找準突破口,這就需要考生全面深刻的理解線性代數的各個概念、性質、定理,尤其是他們之間的關係和等價表述,建立完整、清晰的知識體系。線性代數,一處不通,處處不通,第一輪複習時,對新手異常不友好,但堅持努力,百脈具通那一刻,會發現,原來線代如小溪般清澈見底。

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