線性代數抽象麼?其實矩陣並不陌生,完全可以從中學知識「遷移」

2021-01-11 究盡數學

上次寫過一篇如何學習「微積分」,把握住關鍵的概念,基本的思想和方法——極限。可參考要想學好微積分,吃透「極限」概念是必要條件

這次寫一下高等代數或者線性代數應該怎麼理解「矩陣」等抽象的概念。

線性代數主要有兩個重要的概念,行列式和矩陣,且兩個概念有些相似性;行列式本質上是一種運算,而矩陣是一個數組,可以被看成有多個行或列向量組成。有些教材從線性方程組入手,介紹消元法,n維向量空間,線性相關性以及矩陣,然後是矩陣的秩、線性方程組解的判定定理,解的結構。學完這部分內容,基本上可以認為線性方程組的問題似乎是完全解決了的。尤其要注意的是向量空間和矩陣是新概念,解線性方程組作為矩陣的一個具體應用引入是非常合適和自然的,要適應這一新的工具。而消元法就是高斯消元法,這在初中的時候就已經有過接觸了。

數學的學習是個認知結構建構的過程,而對於陌生的n維向量空間和矩陣兩個概念,對很多人來說有點陌生,甚至感覺很抽象,要把這兩個概念納入認知結構,首先考慮一下有沒有學過什麼知識是和它們相關的呢?其實是有的,可以聯想到向量,以及高中學過的解析幾何,做一下類比。

平面向量基本定理:如果兩個向量a,b不共線,那麼向量p與向量a,b共面的充要條件是:存在唯一實數對(x,y)使得p=xa+yb。空間向量基本定理:若存在三個不共面的向量a,b,c,那麼對空間任一向量p,存在唯一一組實數(x,y,z)使得p=xa+yb+zc。

在平面中,一個直角坐標系的兩個坐標軸就不共線,分別與兩個坐標軸平行的單位向量i,j當然也不共線,那麼在該直角坐標系下的任何向量p都可唯一的寫成p=xi+yj。同時,該平面內的所有向量,就組成了一個2維的向量空間,而其中不共線的兩個向量就是一個極大線性無關組,可以把這兩個不共線的向量寫成矩陣的形式(每行一個向量),那麼該矩陣的秩就是2。

平面內任何的向量都可以由兩個不共線向量線性表示,也即可以由一個2維矩陣乘以一個列向量來表示,而解方程組的問題正是尋找這個表示;而如果只是取一個非零向量a,那麼與其不共線(垂直)的向量b就不能由a表示,只能表示與其平行的向量;比如矩陣A=[a;a],此時秩為1,那麼Ax=b,當b不平行a,無解;當平行時,有一系列的解。2×2矩陣對應平面向量空間,即2維向量空間。

當給平面直角坐標系再加一個坐標軸時,向量編成三維數組,由空間向量基本定理可知3維向量空間的最大線性無關組的個數是3,對應的矩陣的秩也是3。而這種推廣到n維向量空間也是同樣成立的。3×3對應空間向量空間,即3維向量空間。

於是可以理解矩陣與向量空間的關係了,向量空間抽象成矩陣後,就可以研究矩陣啦!3種初等變換,在向量空間中,分別對應放大縮小,旋轉,平移,這在平面或3維空間中較為直觀。例如:平面中的任何一個向量a可以經過放縮、平移、旋轉,得到平面內的任何向量b,而放縮、平移、旋轉對應三種初等矩陣變換,三種變換「複合」之後得到一個矩陣A,於是Aa=b。

然後引入線性空間的概念,維數、基、坐標、子空間、以及子空間的和與直和,最後指明同維線性空間同構。維數就是向量空間最大線性無關向量組中向量的個數n,基就是n個線性無關的向量,坐標就是使用基線性表示一個向量的係數……,而線性空間同構正是指明了線性空間的公理化,只要符合那線性空間的那8條,研究的對象就具有了線性空間的共性,於是討論它們的思路統一為:基——坐標——維數——同構。再在線性空間的基礎上,通過用公理化的方法定義內積,就進一步引入歐氏空間。

兩個n維線性空間之間可以互相轉換,於是引入線性變換,而變換隻需考慮兩個空間的基之間的變換即可,這種變換對應的是一個n維的矩陣,而這種線性變換本身又構成一個空間。

以平面和立體空間直角坐標係為具體實例,來理解線性代數,是非常準確的切入點,這樣理解才能理解透徹,熟練掌握!

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