个人介绍
线性代数 席南华
课程介绍
线性代数是理工类学科的基础,被广泛地应用在数学、物理学及各种技术学科中,主要处理的是线性关系,即数学对象之间的关系是以一次形式来表达。
本课程通过讲解向量、向量空间、线性变换、线性方程组等内容,加之理论与实战相结合,带领同学们攻占线性代数的高峰,畅游数学奥秘的海洋。
教师团队

席南华 院士

单位:中国科学院

课程介绍

 

线性代数是理工类学科的基础,被广泛地应用在数学、物理学及各种技术学科中,主要处理的是线性关系,即数学对象之间的关系是以一次形式来表达。

本课程通过讲解向量、向量空间、线性变换、线性方程组等内容,加之理论与实战相结合,带领同学们攻占线性代数的高峰,畅游数学奥秘的海洋。

简谈代数

代数是研究数、数量、关系、结构与代数方程(组)的通用解法及其性质的数学分支。初等代数一般在中学时讲授,介绍代数的基本思想:研究当我们对数字作加法或乘法时会发生什么,以及了解变量的概念和如何建立多项式并找出它们的根。代数的研究对象不仅是数字,而是各种抽象化的结构。在其中我们只关心各种关系及其性质,而对于“数本身是什么”这样的问题并不关心。常见的代数结构类型有群、环、域、模、线性空间等。

代数的起源

如果我们对代数符号不是要求像现在这样简练,那么,代数学的产生可上溯到更早的年代。

西方人将公元前三世纪古希腊数学家丢番图看作是代数学的鼻祖,而真正创立代数的则是古阿拉伯帝国时期的伟大数学家默罕默德·伊本·穆萨(我国称为“花剌子密”,生卒约为公元780-850年)。而在中国,用文字来表达的代数问题出现的就更早了。

“代数”作为一个数学专有名词、代表一门数学分支在我国正式使用,最早是在1859年。那年,清代数学家李善兰和英国人韦列亚力共同翻译了英国人棣么甘所写的一本书,译本的名称就叫做《代数学》。当然,代数的内容和方法,我国古代早就产生了,比如《九章算术》中就有方程问题。

代数的起源可以追溯到古巴比伦的时代,当时的人们发展出了较之前更进步的算  术系统,使其能以代数的方法来做计算。经由此系统地被使用,他们能够列出含有未  知数的方程并求解,这些问题在今日一般是使用线性方程、二次方程和不定线性方程  等方法来解答的。相对地,这一时期大多数的埃及人及西元前1世纪大多数的印度、  希腊和中国等数学家则一般是以几何方法来解答此类问题的,如在兰德数学纸草书、绳法经、几何原本及九章算术等书中所描述的一般。希腊在几何上的工作,以几何原本为其经典,提供了一个将解特定问题解答的公式广义化成描述及解答代数方程之更一般的系统之架构。

代数(algebra)导源于阿拉伯语单字“al-jabr”,其出自 al-Kitāb al-muḫtaṣar fī ḥisāb al-ğabr wa-l-muqābala这本书的书名上,意指移项和合并同类项之计算的摘要,其为波斯回教数学家花拉子米于820年所著。Al-Jabr此词的意思为“重聚”。传统上,希腊数学家丢番图被认为是“代数之父”,的成果到今日都还有用途,且他更给出了一个解答二次方程的一详尽说明。而支持丢番图的人则主张在Al-Jabr里出现的代数比在Arithmetical里出现的更为基本,且Arithmetical是简字的而Al-Jabr却完全是文辞的。另一位波斯数学家欧玛尔·海亚姆发展出代数几何出,且找出了三次方程的一般几何解法。印度数学家摩诃吠罗和婆什迦罗与中国数学家朱世杰解出了许多三次、四次、五次及更高次多项式方程的解。

  代数更进一步发展的另一个关键事件在于三次及四次方程的一般代数解,其发展于16世纪中叶。行列式的概念发展于17世纪的日本数学家关孝和手中,并于十年后由莱布尼茨继续发展着,其目的是为了以矩阵来解出线性方程组的答案来。加布里尔·克拉默也在18世纪时在矩阵和行列式上做了一样的工作。抽象代数的发展始于19世纪,一开始专注在今日称为伽罗瓦理论及规矩数的问题上。

线性代数的定义与历史

概念

线性代数是代数学的一个分支,主要处理线性关系问题。线性关系意即数学对象之间的关系是以一次形式来表达的。例如,在解析几何里,平面上直线的方程是二元一次方程;空间平面的方程是三元一次方程,而空间直线视为两个平面相交,由两个三元一次方程所组成的方程组来表示。含有n个未知量的一次方程称为线性方程。关于变量是一次的函数称为线性函数。线性关系问题简称线性问题。解线性方程组的问题是最简单的线性问题。

所谓“线性”,指的就是如下的数学关系:   。其中,f叫线性算子或线性映射。所谓“代数”,指的就是用符号代替元素和运算,也就是说:我们不关心上面的x,y是实数还是函数,也不关心f是多项式还是微分,我们统一把他们都抽象成一个记号,或是一类矩阵。合在一起,线性代数研究的就是:满足线性关系   的线性算子f都有哪几类,以及他们分别都有什么性质。

历史

线性代数作为一个独立的分支在20世纪才形成,然而它的历史却非常久远。“鸡兔同笼”问题实际上就是一个简单的线性方程组求解的问题。最古老的线性问题是线性方程组的解法,在中国古代的数学著作《九章算术·方程》章中,已经作了比较完整的叙述,其中所述方法实质上相当于现代的对方程组的增广矩阵的行施行初等变换,消去未知量的方法。

由于费马和笛卡儿的工作,现代意义的线性代数基本上出现于十七世纪。直到十八世纪末,线性代数的领域还只限于平面与空间。十九世纪上半叶才完成了到n维线性空间的过渡。

随着研究线性方程组和变量的线性变换问题的深入,行列式和矩阵在18~19世纪期间先后产生,为处理线性问题提供了有力的工具,从而推动了线性代数的发展。向量概念的引入,形成了向量空间的概念。凡是线性问题都可以用向量空间的观点加以讨论。因此,向量空间及其线性变换,以及与此相联系的矩阵理论,构成了线性代数的中心内容。

矩阵论始于凯莱,在十九世纪下半叶,因若当的工作而达到了它的顶点。1888年,皮亚诺以公理的方式定义了有限维或无限维线性空间。托普利茨将线性代数的主要定理推广到任意体(domain)上的最一般的向量空间中。线性映射的概念在大多数情况下能够摆脱矩阵计算而不依赖于基的选择。不用交换体而用未必交换之体或环作为算子之定义域,这就引向模(module)的概念,这一概念很显著地推广了线性空间的理论和重新整理了十九世纪所研究过的情况。

“代数”这个词在中文中出现较晚,在清代时才传入中国,当时被人们译成“阿尔热巴拉”,直到1859年,清代著名的数学家、翻译家李善兰才将它翻译成为“代数学”,之后一直沿用。

线性代数的学术地位

线性代数在数学、物理学和技术学科中有各种重要应用,因而它在各种代数分支中占居首要地位。在计算机广泛应用的今天,计算机图形学、计算机辅助设计、密码学、虚拟现实等技术无不以线性代数为其理论和算法基础的一部分。线性代数所体现的几何观念与代数方法之间的联系,从具体概念抽象出来的公理化方法以及严谨的逻辑推证、巧妙的归纳综合等,对于强化人们的数学训练,增益科学智能是非常有用的。随着科学的发展,我们不仅要研究单个变量之间的关系,还要进一步研究多个变量之间的关系,各种实际问题在大多数情况下可以线性化,而由于计算机的发展,线性化了的问题又可以被计算出来,线性代数正是解决这些问题的有力工具。线性代数的计算方法也是计算数学里一个很重要的内容。

线性代数的含义随数学的发展而不断扩大。线性代数的理论和方法已经渗透到数学的许多分支,同时也是理论物理和理论化学所不可缺少的代数基础知识。

“以直代曲”是人们处理很多数学问题时一个很自然的思想。很多实际问题的处理,最后往往归结为线性问题,它比较容易处理。因此,线性代数在工程技术和国民经济的许多领域都有着广泛的应用,是一门基本的和重要的学科。

事实上,微积分“以直代曲”的思想就是将整体非线性化为局部线性的一个经典的例子,尽管高等数学在定义微分时并没有用到一点线性代数的内容。许多非线性问题的处理――譬如流形、微分几何等,最后往往转化为线性问题。包括科学研究中,非线性模型通常也可以被近似为线性模型。随着研究对象的复杂化与抽象化,对非线性问题线性化,以及对线性问题的求解,就难免涉及到线性代数的术语和方法了。从这个意义上,线性代数可以被认为是许多近、现代数学分支的共同基础。

参考资料













课程评价

课程章节
提示框
提示框
确定要报名此课程吗?
确定取消