Линейная алгебра - это ветвь математики, касающаяся линейных условий, таких как:
линейные карты, например:
и их представления в векторных пространств и через матрицы.
Линейная алгебра занимает центральное место почти во всех областях математики. Например, линейная алгебра является фундаментальной в современных представлениях геометрии, в том числе для определения основных объектов, таких как линии, плоскости и вращения. Кроме того, функциональный анализ, раздел математического анализа, можно рассматривать как в основном применение линейной алгебры к пространствам функций.
Линейная алгебра также используется в большинстве наук и областей инженерное дело, поскольку оно позволяет модели многие природные методы и эффективно проводить вычисления с такими моделями. Для нелинейных систем, которые нельзя моделировать с помощью линейной алгебры, он часто используется для работы с приближениями первого порядка, тот факт, что дифференциал функция многих точек в точке - это линейная карта, которая наилучшим образом аппроксимирует функцию вблизи этой точки.
Теперь называется процедура решения линейных уравнений Метод исключения Гаусса встречается в древнем китайском математическом тексте Глава восьмая: Прямоугольные массивы из Девять глав по математике. Его использование проиллюстрировано в восемнадцати задачах.
Системы линейных соотношений возникли в Европе с введением в 1637 году Рене Декарта координат в геометрия. Фактически, в этой новой геометрии, теперь называемой декартовой геометрии, прямые и плоскости представлены линейными уравнениями, и вычисление их пересечений сводится к решению системы линейных уравнений.
Были использованы систематические методы решения линейных систем определители, впервые рассмотренный Лейбницем в 1693 году. В 1750 году Габриэль Крамер использовал их для дающих явные решения линейных систем, теперь называемые правилом Крамера. Позже Гаусс далее описал метод исключения, который используется был указан как прогресс в геодезии.
. В 1844 году Герман Грассманн опубликовал свою «Теорию расширения», которая включает фундаментальные новые темы того, что сегодня называется линейной алгеброй. В 1848 году Джеймс Джозеф Сильвестр ввел термин «матрица», который на латыни означает «матка».
Линейная алгебра выросла с идеями, отмеченными в комплексной плоскости. Например, два числа w и z в ℂ имеют разность w - z, а отрезки линии и имеют одинаковую длину и направление. Сегменты равноценны. Четырехмерная система ℍ из кватернионов была начата в 1843 году. Термин вектор введен как v = x i + y j + z k, представляющий точку в визу. Разность кватернионов p - q также дает отрезок, равный Другие системы гиперкомплексных чисел использовали также идею линейного пространства с базисом .
Артур Кэли представила матричное умножение и обратную матрицу в 1856 году, что сделало возможной общую линейную группу . Механизм представления группы стал доступ для описания сложных и гиперкомплексных чисел. Важно отметить, что Кэли использовала одну букву для обозначения матрицы, таким образом рассматривая матрицу как совокупный объект. Он также осознал связь между матрицами и детерминантами и написал: «Можно было бы сказать многое об этой теории матриц, которая, как мне кажется, должна предшествовать теории детерминантов».
Бенджамин Пирс опубликовал свою Линейная ассоциативная алгебра (1872 г.) и его сын Чарльз Сандерс Пирс позже расширили работу.
Телеграф потребовал пояснительной системы, публикация <441 в 1873 г.>Трактат об электричестве и магнетизме установил теорию поля сил и потребовал дифференциальной геометрии для выражения. Линейная алгебра - это плоская дифференциальная геометрия, служащая в касательных пространствах к разнообразиям. Электромагнитные симметрии пространства-времени выражаются преобразования Ленца, и часть истории линейной алгебры - это история преобразований Лоренца.
Было введено первое современное и более точное определение определения пространства автор Пеано в 1888 году; к 1900 г. возникла теория линейных преобразований конечных векторных пространств. Линейная алгебра представила свою современную форму первой половины двадцатого века, когда многие идеи и методы предыдущих веков были обобщены в виде абстрактной алгебры. Развитие компьютеров к активизации исследований эффективных алгоритмов исключения Гаусса и разложения матриц, а линейная алгебра стала важным инструментом моделирования и симуляций.
См. Также Детерминант § История и Гауссово исключение § История.
До 19 века линейная алгебра была представлена через линейных системных уравнений и матриц. В современной математике представление в векторных пространствах обычно предпочтительнее, поскольку оно более синтетическое, более общее (не ограничивая конечным случаем) и концептуально проще, хотя и более абстрактно.
Векторное пространство над полем F (часто поле вещественных чисел ) - это набор V, снабженный двумя двоичными операциями, удовлетворяющие следующим аксиомам . Элементы V называются мысми, а элементы F называются скалярами. Первая операция, сложение векторов, берет любые два вектора v и w и выводит третий вектор v + w. Вторая операция, скалярное умножение, берет любой скаляр и любой вектор v и выводит новый вектор ср. Аксиомы, которым должно удовлетворить сложное и скалярное умножение, следующие. (В приведенном ниже списке u, v и w - произвольные элементы V, а a и b - произвольные скаляры в поле F.)
Аксиома | Смысл |
Ассоциативность сложения | u + (v + w) = (u + v) + w |
Коммутативность сложения | u + v = v + u |
Идентификационный элемент сложения | В V существует элемент 0, называемый нулевым вектором (или просто нулем), такой, что v + 0 = v для всех v в V. |
Обратные элементы сложения | Для каждого v в V существует элемент −v в V, называемый аддитивным обратным к v, такой, что v + (−v) = 0 |
Дистрибутивность скалярного умножения относительно сложения векторов | a (u + v) = au + av |
Дистрибутивность скалярного умножения относительно сложения полей | (a + b) v = av + bv |
Совместимость скалярного умножения с умножением | a (bv) = (ab) v |
Идентификационный элемент скалярного умножения | 1v = v, где 1 обозначает множитель Акти вная идентичность F. |
Первые четыре аксиомы означают, что V абелевой группой при добавлении.
Элемент систематического пространства может иметь различную природу; например, это может быть последовательность , функция , многочлен или матрица . Линейная алгебра имеет те свойства таких объектов, которые общими для всех векторных пространств.
Линейные карты - это отображение между векторными пространствами, которые сохраняют соответствие пространства. Для двух векторных пространств V и W над полем F линейная карта (также называемая в некотором контексте линейным преобразованием или линейным отображением) - это карта
, который разработан со сложением и скалярным умножением, то есть
для любых векторов u, v в V и скаляра a в F.
Отсюда следует, что для любых векторов u, v в V и скаляров a, b в F,
Когда V = W являются одним и тем же векторным пространством, линейная карта также известен как линейный оператор на V.
A биективное пространство линейное отображение между двумя векторами (то есть, каждый вектор из второго пространства связан ровно с одним из первого) является изоморфизмом . Два изоморфных векторных пространств по существу одинаковы с точки зрения линейной алгебры в том смысле, что их нельзя различить с помощью свойств пространства. Существенным вопросом линейной алгебры является проверка того, является ли линейная карта изоморфизмом или нет, и, если это не изоморфизм, нахождение ее диапазона (или изображения) и набора элементов, которые предоставляются в нулевой вектор, называемый ядром карты. Все эти могут быть решены с помощью вопросов исключения Гаусса или некоторого варианта этого алгоритма.
Изучение тех подмножеств векторных пространств, которые являются сами по себе Пространство индуцированных операций является фундаментальным, как и для многих математических структурных структур. Эти подмножества называются линейными подпространствами. Точнее, линейное подпространство пространства V над полем F - это подмножество W поля V, что u + v и au находятся в W для каждого u, v в W и каждого a в F., чтобы предположмевать, что W является векторным пространством.)
Например, для линейной карты , изображение T (V) V и инверсное изображение of 0 (называемое ядром или нулевым пространством ), являются линейными подпространствами W и V соответственно.
Другим способом важных векторов формирования подпространства рассмотрение линейных комбинаций набора S набора сумм
где v 1, v 2,..., v k находятся в S, и a 1, a 2,..., a k в F образуют линейное подпространство, называемое span пространства S. Промежуток S также является пересечением всех подпространств S. Другими словами, это (наименьшее для отношения линейного подпространства, содержащее S.
Набор векторов является линейно независимым, если ни один из них не находится в промежутке между другими. Эквивалентно, набор S векторов является линейно независимым, единственный способ выразить нулевой вектор как линейную комбинацию элементов S состоит в том, чтобы взять ноль для каждого коэффициента
Набор векторов, охватывающий круговое пространство, называется охватывающим набором или генерирующим набором. Если остовное множество S является линейно зависимым (которое не является линейно независимым), то некоторый элемент находится в промежутке между другими элементами S, и остается таким же, если удалить w из S. удалить элементы S до линейно независимого остовного множества. Такой линейно независимый набор, который охватывает пространство V, называется базисом V. Важность базисов заключается в том, что существуют вместе минимальные порождающие множества и максимальные независимые множества. Точнее, если S - линейно независимое множество, а T - такое остовное множество, что , тогда существует базис B такой, что
Любые два основания пространства V имеют одинаковую мощность, которая называется размерностью V; это теорема о размерности для векторных пространств. Более того, два векторных пространства над одним и тем же полем F изоморфны тогда и только тогда, когда они имеют одинаковую размерность.
Если любой базис V (и, следовательно, каждый базис) имеет конечное число элементов, V - новое новое пространство. Если U является подпространством V, то dim U ≤ dim V. В случае, когда V конечно, из равенства размерностей следует U = V.
Если U 1 и U 2 являются подпространствами в V, то
где обозначает интервал
Матрицы позволяют явно манипулировать конечными векторными пространствами и линейными картами. Таким образом, их теория является частью линейной алгебры.
Пусть V - новое новое пространство над полем F, и (v 1, v 2,..., v m) базисом V (таким образом, m - размерность V). По определению основы, карта
- это биекция из набор последовательностей из m элементов F на V. Это является изоморфизмом векторных пространств, если снабжен своей стандартной структурой пространства, где сложное и скалярное умножение выполняются покомпонентно.
Этот изоморфизм позволяет представить его инверсным изображением при этом изоморфизме, то есть вектором координат или матрицей столбцов
W - другое конечное пространство (возможно то же самое), с базис линейное отображение f из W в V хорошо определяет его значения на базисных элементах, то есть Таким образом, f хорошо представлен списком соответствующих матриц столбцов. То есть, если
для j = 1,..., n, тогда f представляется матрицей
с m строками и n столбцами.
Умножение матриц таким образом, что произведение двух матриц является матрицей композиция соответствующих линейных карт, а матрицы и матрицы столбца матрица столбцов, представляющая результат применения представленной линейной карты к представленному вектору. Отсюда следует, что теория конечных векторных пространств и теория матриц - это два разных языка для выражения одних и тех же понятий.
Две матрицы, кодирующие одно и то же линейное преобразование в разных базах, называются подобными. Можно доказать, что две матрицы подобны тогда и только тогда, когда одну можно преобразовать в другую с помощью элементов различных со строками и столбцами операций. Для матриц, представляющих линейную карту из W в V, операции со строками соответствуют изменению основ в W. Каждая матрица подобна единичной матрице , возможно, с границами нулевыми строками и нулевыми строками столбцами. В терминах векторных пространств это означает, что для любого линейного представления из W в V существуют такие базы, что часть базиса W отображается биективно на часть базиса V, а остальные базисные элементы W, если таковые имеются, в ноль. Исключение Гаусса - это базовый алгоритм для поиска этих элементарных операций и доказательства этих результатов.
Конечный набор линейных соотношений в конечном наборе чис, например, или называется системой линейных уравнений или линейной системой .
Системы линейных уравнений образуют фундаментальная часть линейной алгебры. Исторически линейная алгебра и теория матриц были разработаны для решения таких систем. В современном представлении линейной алгебры через векторные пространства и матрицы многие проблемы могут быть интерпретированы в терминах линейных систем.
Например, пусть
(S) |
- линейная система.
Такой системе можно сопоставить ее матрицу
и его правый вектор-член
Пусть T - линейное преобразование, связанное с матрицей M. Решение системы (S) - это вектор
такой, что
, который является элементом прообраза слова T.
Пусть (S') будет ассоциированная однородная система, в которой правые части уравнений обнуляются: