数学-线性代数：线性代数

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线性代数是数学的一个分支，它的研究对象是向量，向量空间（或称线性空间），线性变换和有限维的线性方程组。向量空间是现代数学的一个重要课题；因而，线性代数被广泛地应用于抽象代数和泛函分析中；通过解析几何，线性代数得以被具体表示。线性代数的理论已被泛化为算子理论。由于科学研究中的非线性模型通常可以被近似为线性模型，使得线性代数被广泛地应用于自然科学和社会科学中。

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中文名：线性代数

外文名：linear algebra

主要问题：线性关系问题

研究对象：向量、矩阵、行列式

应    用：抽象代数、泛函分析

学    科：数学

目录

1. 1 定义与历史
2. ▪ 概念
3. ▪ 历史

1. 2 学术地位
2. 3 基本介绍
3. 4 重要定理

1. 5 其他数学分支

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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

九章算术

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。

凯莱

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。

 

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。

如果进入科研领域，你就会发现，只要不是线性的东西，我们基本都不会！线性是人类少数可以研究得非常透彻的数学基础性框架。学好线性代数，你就掌握了绝大多数可解问题的钥匙。有了这把钥匙，再加上相应的知识补充，你就可以求解相应的问题。可以说，不学线性代数，你就漏过了95%的人类智慧！ 非线性的问题极为困难，我们并没有足够多的通用的性质和定理用于求解具体问题。如果能够把非线性的问题化为线性的，这是我们一定要走的方向！

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。

 

基本介绍

线性（linear） 指量与量之间按比例、成直线的关系， 在数学上可以理解为一阶导数为常数的函数。

非线性（non-linear）则指 不按比例、不成直线的关系，一阶导数不为常数。

线性代数起源于对 二维和 三维 直角坐标系的研究。在这里，一个 向量是一个有方向的 线段，由长度和方向同时表示。这样向量可以用来表示 物理量，比如力，也可以和 标量做加法和 乘法。这就是 实数向量空间的第一个例子。

向量

现代线性代数已经扩展到研究任意或无限 维空间。一个维数为  n 的向量空间叫做 n 维空间。在二维和 三维空间中大多数有用的结论可以扩展到这些 高维空间。尽管许多人不容易想象 n 维空间中的 向量，这样的向量（即 n 元组）用来表示数据非常有效。由于作为  n 元组，向量是 n 个元素的“有序”列表，大多数人可以在这种框架中有效地概括和操纵数据。比如，在经济学中可以使用 8 维向量来表示 8 个国家的国民生产总值（GNP）。当所有国家的顺序排定之后，比如（中国、美国、英国、法国、德国、西班牙、印度、澳大利亚），可以使用向量（v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,v8）显示这些国家某一年各自的 GNP。这里，每个国家的 GNP 都在各自的位置上。

作为证明定理而使用的纯 抽象概念，向量空间（ 线性空间）属于抽象代数的一部分，而且已经非常好地融入了这个领域。一些显著的例子有：不可逆线性映射或矩阵的群，向量空间的线性映射的环。线性代数也在 数学分析中扮演重要角色，特别在  向量分析中描述高阶导数，研究 张量积和可交换映射等领域。

向量空间是在域上定义的，比如 实数域或 复数域。线性算子将线性空间的元素映射到另一个线性空间（也可以是同一个线性空间），保持向量空间上 加法和标量乘法的一致性。所有这种变换组成的 集合本身也是一个向量空间。如果一个线性空间的基是确定的，所有线性变换都可以表示为一个数表，称为矩阵。对矩阵性质和矩阵算法的深入研究（包括 行列式和 特征向量）也被认为是线性代数的一部分。

我们可以简单地说数学中的线性问题——-那些表现出线性的问题——是最容易被解决的。比如 微分学研究很多函数线性近似的问题。在实践中与非线性问题的差异是很重要的。

线性代数方法是指使用线性观点看待问题，并用线性代数的语言描述它、解决它（必要时可使用矩阵运算）的方法。这是数学与 工程学中最主要的应用之一。  

 

重要定理

· 每一个线性空间都有一个基。

·对一个  n 行  n 列的非 零矩阵  A，如果存在一个矩阵  B 使  AB =  BA = E（ E是单位矩阵），则  A 为 非奇异矩阵（或称 可逆矩阵）， B为 A的逆阵。

·矩阵非奇异（可逆） 当且仅当它的行列式不为零。

·矩阵非奇异当且仅当它代表的线性变换是个 自同构。

·矩阵半 正定当且仅当它的每个 特征值大于或等于零。

·矩阵正定当且仅当它的每个 特征值都大于零。

·解线性方程组的 克拉默法则。

·判断线性方程组有无非零实根的 增广矩阵和 系数矩阵的关系。

 

其他数学分支

线性代数是一个成功的理论，其方法已经被应用于数学的其他分支。

• 模论就是将线性代数中的标量的域用环替代进行研究。
• 多线性代数将映射的“多变量”问题线性化为每个不同变量的问题，从而产生了 张量的概念。
• 在算子的光谱理论中，通过使用数学分析，可以控制无限维矩阵。

所有这些领域都有非常大的技术难点。

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