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XuetangX

矩阵论

Wuhan University of Technology via XuetangX

Overview

如果追根溯源,矩阵论的问题最早可以追溯到4000年前古巴比伦人记录在泥板上的二元一次方程组问题。但是数学在很长的时间内发展缓慢,直到文艺复兴之后符号数学的兴起,数学的发展日新月异。而矩阵论的概念和理论最终与19世纪中叶在凯莱(Cayley)和西尔维斯特(Sylvester)等一批数学家的手中得以成型。如果用一句话概括矩阵论的特色,我愿意引用数学大师拉普拉斯(Laplace)的评述:“这就是结构好的语言的好处,它的简化的记号往往是深奥理论的源泉”。如果用一句话总结矩阵论的意义,我愿意引用物理学家塔特(Tate)的赞美:“凯莱正在为未来的一代物理学家锻造武器”。其实,岂止于此,矩阵的理论和方法业已成为现代科技领域必不可少的工具,诸如数值分析、优化理论、微分方程、概率统计、控制论、力学、电子学、网络等学科领域均与矩阵理论密切关系,甚至在经济管理、金融、保险、社会科学等领域,矩阵理论和方法也有用武之地。

矩阵论是我校各工程专业硕士的一门必修公共课程。课程的目的和任务是让研究生掌握矩阵论的基本知识和思想方法,了解关于矩阵理论的一些最新成果,通过使用矩阵来解决数学和工程等领域的实际问题,加强研究生逻辑思维能力和运用数学工具解决实际问题的能力,并提高研究生的数学素养。

1.  课程的主要内容

本课程在内容题材上选取力求达到如下标准:

a)  重要:能够系统全面地反映矩阵论的基本理论;

b)  优雅:能够体现矩阵论作为符号数学语言的精巧;

c)  实用:能够体现矩阵论在科学与工程计算、控制论、信号处理、计算机科学、经济学等领域的应用;

d)  有趣:在数学史中追溯矩阵论概念的根源让知识的获得更具有趣味性,也能让研究生从中领悟到更多历史上大科学家思考问题的方式。

为此,选取如下内容:

(1) 线性空间与线性变换:该内容在相对论、计算机图形学等有着重要应用;

(2) 内积空间:该内容在高维几何、工程应用中应用良多;

(3) 矩阵的标准形:该内容在控制论、信号处理、经济数学等有着诸多应用;

(4) 矩阵分解:该内容在科学计算、控制论等领域应用广泛;

(5) 向量范数与矩阵范数:该内容属更高级别数学的基础,在数值计算、系统论等领域都有应用;

(6) 矩阵分析及其应用:该内容是动力系统的基础,在经济学等领域也有重要的应用。

2. 课程的特点

该在线课程的特点主要体现如下:

(1) 注重理论知识的系统性:注重各知识模块之间的内在逻辑联系;

(2) 注重数学理论的实用性:理论联系实际,在注重理论知识讲解的同时,注重讲解相关知识的应用背景。

(3) 注重知识的拓展性:力求启发性介绍概念和结论,以数学史实为依据,注重实际问题的提出以诱导概念的产生,注重问题的解决以诱导结论的获得;

(4) 注重教学方法的多样性:运用多种恰当的教学方法,综合利用课堂讲授、讨论、习题课等方法,特别强调问题式、启发式、参与式、渗透式教学,鼓励研究生参与到教学过程中;

(5) 注重教学过程的教学相长:通过MOOC、电子邮箱、QQ、微信等网络工具,突出学生的参与性;

(6) 注重课程评价体系的规范化:采取多样的考核方式,把作业、平时表现、考试成绩综合起来考虑。总评成绩按以下比例分配:

a. 单元测验和平时作业:占30%。2次单元测试,每章1次平时作业。

b. 课程考试:占70%。期末将进行课程考试,题型包括:计算题4答题,共90分,证明题1题,共10分。满分100分。

3. 课程学习指南

(1) 在线课程学习:研究生通过观看教学视频,完成在线测试和平时作业,查阅相关资料,编写Matlab程序。

(2) 答疑助学: 本课程将通过MOOC教学平台、QQ、微信等网络工具在线答疑。

(3) 单元测试: 单元测试将公布在MOOC教学平台上

(4)   考试: 考试题目应全面,符合大纲要求,同时要做到体现重点,题量适度,难度适中,题量和难度的梯度应按照教学的三个不同层次安排。




Syllabus

  • 第1章 线性空间与线性变换
    • 线性空间的概念
    • 线性空间的基与维数
    • 子空间
    • 线性变换的概念
    • *线性空间的同构
    • 补充
  • 第2章 内积与欧氏空间
    • 内积与欧氏空间
    • 标准正交基
    • 正交补与最小二乘法
    • 正交变换
    • *欧氏空间的同构
    • *酉空间、正规变换简介
    • 补充
  • 第3章 矩阵的标准形
    • Jordan标准形
    • λ-矩阵与Smith标准形
    • Cayley-Hamilton定理
    • 最小多项式
    • 补充
  • 第4章 矩阵分解
    • LU分解
    • QR分解
    • 满秩分解
    • 奇异值分解
    • 广义逆矩阵
    • 补充
    • 补充
  • 第5章 向量范数与矩阵范数
    • 向量范数
    • 矩阵范数
    • 范数的应用
    • 补充
  • 第6章 矩阵分析及其应用
    • 矩阵序列与矩阵函数
    • 矩阵函数及其计算
    • 矩阵函数的微积分及其应用
    • 补充

Taught by

Zhang Liang, Zhao Weirui, Liu Yang, and Wang Tianyi

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