SYSTEMATIC MATHEMATICS

线性代数

本课分成八个按内容确定长度的单元,各单元分别有 4、5、4、6、5、6、8、5 章,共 43 个可见知识章节。如果几个方程共同描述同一组未知量,它们到底有一个解、没有解,还是有很多解?怎样在做很多页运算之前判断?课程先求解小型方程组,把每个方程看成一条限制条件。行和列是这些条件的紧凑记录;向量表示组合与方向;矩阵表示线性规则。接着离开“坐标箭头”这一种例子,把多项式与函数也看成向量;区分向量与对偶测量;定义条件界中使用的每一种范数;再用正交补连接四个基本子空间。随后学习向量与线性映射的换基、行列式、正交几何、QR 最小二乘、实与复特征对、Cayley–Hamilton 递推、复内积、酉与 Hermitian 映射、正定二次型、Cholesky、SVD、伪逆与低秩近似。每个符号都说明它表示什么对象或运算,每次计算都翻译回普通语言;模型综合项目在所有所需工具之后作为最后一章。

本课程之前: 已完成代数与函数。几何知识有助于理解,但不是必需;不要求微积分或编程基础。

COURSE FACTSLevel, chapters, units, prerequisite, and outcome
第 1 章

线性方程描述平直约束

目标: 为什么把一个方程加倍不会增加新信息?

线性方程只用标量乘法与加法组合未知量,因此解集是直线、平面、超平面,或空集/退化情形。

先从定义开始:关于 x₁,…,xₙ 的线性方程形如 a₁x₁+⋯+aₙxₙ=b,其中 aᵢ 与 b 是固定标量。 本节要论证:二元两方程的公共解只能是一个、没有或无穷多个,不存在第四种情形。

本节具体例题是:分类 x+y=5 与 2x+2y=10 的交集。 把结果与这个失败边界比较:方程 0x+0y=1 不是直线,而是无解的矛盾式。

二元两方程的公共解只能是一个、没有或无穷多个,不存在第四种情形。

每个非退化方程在坐标平面中定义一条直线。

两条不同且不平行的直线相交一次;不同平行线不相交;重合直线共享所有点。

退化方程化为恒真式或矛盾式,分别落入无穷解或无解情形。

分类 x+y=5 与 2x+2y=10 的交集。

  1. 把第二式除以 2,得到 x+y=5。
  2. 观察到两式施加同一约束。
  3. 令 y=t,则 x=5−t,其中 t 可取任意实数。

结果: 无穷多个解:(x,y)=(5−t,t)。