線性代數(shù)課件
一、簡(jiǎn)介
線性代數(shù)是代數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，今天數(shù)學(xué)界一致認(rèn)它作為一門獨(dú)立學(xué)科誕生于上世紀(jì)30年代，因?yàn)槲{了系統(tǒng)的線性代數(shù)內(nèi)容的著作是在這一時(shí)期產(chǎn)生的，如Van的名著代數(shù)學(xué)第二卷就把線性代數(shù)作為其中的短短一章。
回顧線性代數(shù)的歷史基礎(chǔ)上，分析了關(guān)于線性代數(shù)的幾個(gè)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(gè)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(duì)象；第四分析了線性代數(shù)的結(jié)構(gòu)體系。
上世紀(jì)80年代以來，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，線性代數(shù)理論被廣泛應(yīng)用到科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)述線性代數(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(xué)的一個(gè)分支，今天數(shù)學(xué)界一致認(rèn)它作為一門獨(dú)立學(xué)科誕生于上世紀(jì)30年代，因?yàn)槲{了系統(tǒng)的線性代數(shù)內(nèi)容的著作是在這一時(shí)期產(chǎn)生的，如Van的名著代數(shù)學(xué)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(jí)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(jì)四五十年代Grassmann創(chuàng)立了用符號(hào)表述幾何概念的方法，給出了線性無關(guān)和基等概念，這標(biāo)準(zhǔn)著線性代數(shù)內(nèi)容近代化開始；19世紀(jì)末向量空間的抽象定義形成，并在20世紀(jì)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(dú)立學(xué)科，因此可以說線性代數(shù)是綜合了若干項(xiàng)獨(dú)立發(fā)展的數(shù)學(xué)成果而形成的。從上世紀(jì)六七十年代起線性代數(shù)進(jìn)入了大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)課程，在我國(guó)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(xiàng)式理論。
無論是高等代數(shù)或線性代數(shù)，這個(gè)課程有兩個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)特點(diǎn)是各部分內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，整個(gè)課程呈現(xiàn)出一種塊狀結(jié)構(gòu)，原因是線性代數(shù)學(xué)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(xiàng)式，線性空間，線性變換中的任何一個(gè)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(luò)。另一個(gè)特點(diǎn)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(qiáng)的抽象思維能力，即對(duì)形式概念的理解能力和形式邏輯的演繹能力，而這兩種能力要求幾乎超越了大多數(shù)學(xué)生在中學(xué)階段的能力儲(chǔ)備，而必須在學(xué)習(xí)這門課程的過程中重塑。主要是這兩個(gè)原因，線性代數(shù)被認(rèn)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(duì)線性代數(shù)課程的這兩個(gè)特點(diǎn)進(jìn)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(xué)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(rèn)為整個(gè)線性代數(shù)以矩陣?yán)碚摓楹诵模瑢⒕仃嚴(yán)碚撘暈楦鱾�(gè)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(shí)，矩陣?yán)碚撌侵匾ぞ摺＠缯痪仃嚭蛯?duì)稱矩陣主要應(yīng)用于歐氏空間和二次型方程問題中。可見，只要對(duì)矩陣知識(shí)有了全面系統(tǒng)的理解后，就能將各種問題都化解為矩陣?yán)碚撝械?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(diǎn)認(rèn)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(yīng)用到各個(gè)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(jìn)一步應(yīng)用，串聯(lián)起各部分內(nèi)容。這一理論較為系統(tǒng)、科學(xué)，常常被初學(xué)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(xué)習(xí)線性代數(shù)之前，學(xué)生要先掌握關(guān)系、集合、環(huán)、群、域等概念，形成對(duì)高等數(shù)學(xué)的研究對(duì)象、知識(shí)結(jié)構(gòu)、表達(dá)方式的初步認(rèn)識(shí)。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(xué)線性方程組求解知識(shí)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引出特征向量、特征值和二次型理論。整個(gè)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(gè)整體。
第四是以向量理論為核心。
對(duì)二維、三維直角坐標(biāo)系的研究是線性代數(shù)的起源。學(xué)生在中學(xué)時(shí)就已經(jīng)了解了關(guān)于平面向量的一些基本知識(shí)，因此，將向量作為整個(gè)線性代數(shù)知識(shí)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(xué)生的空間概念也能得以加強(qiáng)。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(jì)算工具，從宏觀講它們獨(dú)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(duì)稱雙線性函數(shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用。
四、線性和線性問題
“線性”這個(gè)數(shù)學(xué)名詞在中學(xué)數(shù)學(xué)課程中，學(xué)生從未接觸過。而這一課程是大學(xué)數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)課程，學(xué)生剛進(jìn)入大學(xué)，對(duì)這一詞匯的具體內(nèi)容知之甚少。所以在學(xué)習(xí)之前，學(xué)生必須對(duì)什么是“線性”有所了解，在“線性代數(shù)”這一課程中有對(duì)于“線性”概念的明確介紹。這是學(xué)習(xí)線性代數(shù)要解決的第一個(gè)基本問題，即什么是“線性”。
從整個(gè)數(shù)學(xué)全局來看線性代數(shù)，可將涉及到的數(shù)學(xué)問題分為兩類：即線性問題和非線性問題。其中，對(duì)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(xué)問題時(shí)，首先應(yīng)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，如果不是線性問題，應(yīng)考慮如何將其轉(zhuǎn)化為線性問題。這是學(xué)習(xí)線性代數(shù)要解決的第二個(gè)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(xué)目的還有很長(zhǎng)一段距離。如今的高校教育，一味灌輸給學(xué)生行列式、向量、矩陣、線性變換等空洞的數(shù)學(xué)定理，指導(dǎo)學(xué)生用這些理論來思考線性代數(shù)的基本結(jié)構(gòu)、具體應(yīng)用等問題。教師在教學(xué)線性代數(shù)問題時(shí)更是一味強(qiáng)調(diào)理論的選擇與應(yīng)用，卻忽視了學(xué)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(duì)象
稍微觀察一下我們可以發(fā)現(xiàn)，中學(xué)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(jìn)一步抽象化。初等代數(shù)研究的多是具體的問題，運(yùn)用加減乘除的運(yùn)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(yīng)該發(fā)生變化。涉及到新概念的數(shù)學(xué)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(yùn)算規(guī)則；集合是具有某種屬性的事物的總和；矩陣?yán)碚搫t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(jìn)行改變。如初等代數(shù)中的基本運(yùn)算法則性代數(shù)中經(jīng)常會(huì)失效，線性代數(shù)的研究對(duì)象是向量運(yùn)算、矩陣運(yùn)算和線性變換，解決問題時(shí)，需要采用一種特殊的運(yùn)算方法。
綜上所述，線性代數(shù)的學(xué)習(xí)中應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)兩個(gè)方面的能力：
一個(gè)是知識(shí)掌握的能力的培養(yǎng)。介紹知識(shí)時(shí)應(yīng)堅(jiān)持從易到難、循序漸進(jìn)。先掌握好中學(xué)的運(yùn)算法則，再慢慢學(xué)習(xí)向量、矩陣知識(shí)，之后學(xué)習(xí)線性變換，最后綜合學(xué)習(xí)線性運(yùn)算。學(xué)生經(jīng)過中學(xué)階段的學(xué)習(xí)，完全掌握了加法和乘法這兩種基礎(chǔ)運(yùn)算法則，簡(jiǎn)單了解了向量運(yùn)算。矩陣知識(shí)相對(duì)于前者更加抽象，因此應(yīng)放在之后學(xué)習(xí)。線性變換則是線性代數(shù)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)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(shí)學(xué)習(xí)，而映射知識(shí)在中學(xué)數(shù)學(xué)和微積分教學(xué)中都有詳細(xì)的介紹，在此基礎(chǔ)上學(xué)生更容易理解線性變換及運(yùn)算的相關(guān)知識(shí)，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(gè)是思維能力的培養(yǎng)。在學(xué)習(xí)中，注意引導(dǎo)學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，并在學(xué)習(xí)中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，這是最有效的思維方式和學(xué)習(xí)方法。前文提到了學(xué)習(xí)線性代數(shù)必須先了解的兩個(gè)基本問題：什么是“線性”、什么是“線性問題”。這兩個(gè)基本問題應(yīng)該始終貫穿性代數(shù)的學(xué)習(xí)過程中。無論在什么階段的學(xué)習(xí)，都要注重理論知識(shí)和實(shí)際問題的有效結(jié)合。學(xué)生在掌握了一定的理論知識(shí)后，可嘗試去解決相關(guān)的實(shí)際問題。在這一過程中，學(xué)生會(huì)加深對(duì)理論知識(shí)的理解，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)自身知識(shí)儲(chǔ)備的不足之處。若單單追求知識(shí)的應(yīng)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(xué)習(xí)線性代數(shù)時(shí)，要培養(yǎng)好兩方面的能力，使之相輔相成、相互促進(jìn)。
結(jié)語：
20世紀(jì)后50年計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展，推動(dòng)了大規(guī)模工程和經(jīng)濟(jì)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(xué)工具，無所不在的線性代數(shù)問題，等待著各層次的工程技術(shù)人員快速精確地去解決相關(guān)線性代數(shù)問題。因此絕大對(duì)工科學(xué)生而言，數(shù)學(xué)課應(yīng)該使他們有宏觀的使用數(shù)學(xué)的思想，要使工程師了解工程中可能遇到的各種數(shù)學(xué)問題的類別，并且知道應(yīng)該用什么樣的數(shù)學(xué)理論和軟件工具來解決，這是一種高水平的抽象。而了解線性代數(shù)的核心問題，無疑對(duì)線性代數(shù)課程的學(xué)習(xí)有重要的價(jià)值。
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