本书于2015年入选“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材,是在上一版的基础上修订而成的,以本书为核心内容的教学成果“教育信息化背景下线性代数数字化课程建设的探索与实践”于2013年获得了湖北省教学成果一等奖,同时本书也是线性代数国家级精品课程和国家级精品资源共享课的主讲教材。本次修订将保留并强化第一版的应用特色、几何特色和数字化资源特色,将本教材打造成以“纸质教材+数字课程”为表现形式的精品新型态教材。在纸质教材修订方面,在保持第一版整体结构不变的情况下,对部分章节进行了调整,以适应数字课程建设的需求。为了加强内容体系结构中暗线(以线性方程组的研究为主线,以线性变换为暗线构建内容体系)的作用,增加了与线性变换相关的例题和习题,并修改了第一版中的错漏之处。在数字课程建设方面,录制了全部课程的教学视频,制作了配套的PPT教案,更新完善了线性代数测试系统(单机版)、线性代数实验系统(单机版)、线性代数学习模型等软件。
本书是科技部创新方法工作专项项目——“科学思维、科学方法在高等学校教学创新中的应用与实践”(项目编号:20091M010400)、高等学校大学数学教学研究与发展中心2010年第二批教改项目——“线性代数课程在知识、素养、能力等方面的具体要求以及在教材、教学过程和考核中的统筹设计与实践…‘十一五”国家课题“我国高校应用型人才培养模式研究”(项目编号:FIB070335)的研究成果之一,是结合我们多年教学实践、改革的经验和数字化教学资源建设的成果编写而成的。
本书第一版自2011年出版以来,受到了使用者的一致好评。2015年入选“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材,2013年以本教材为核心内容的教学成果“教育信息化背景下线性代数数字化课程建设的探索与实践”获得了湖北省教学成果一等奖,同时本教材也是线性代数国家精品课程和国家级精品资源共享课的主讲教材。
由于本书第一版在使用过程中发现了一些错漏,也收到了很多来自同行的修改建议,同时我国教材建设正从传统的单一纸质教材向与数字化资源结合的新形态教材转型,因此我们对第一版进行了修订。
本次修订保留并强化了第一版的“应用特色、几何特色和数字化资源特色”,将本教材打造成以“纸质教材+数字课程”为表现形式的精品新形态教材。
在纸质教材修订方面,在保持第一版内容整体结构不变的情况下,对部分章节进行了调整,以适应数字课程建设的需求。为了加强内容体系结构中暗线(以线性方程组的研究为主线,以线性变换为暗线构建内容体系)的作用,增加了与线性变换相关的例题和习题,修改了第一版中的几处错误。版式设计上改为双色印双栏排,边栏放资源标注及相关说明。
在数字课程建设方面,制作了PPT电子教案,更新完善了线性代数测试系统(单机版)、线性代数实验系统(单机版)、线性代数学习模型等软件。
内容处理
本书共有6章,除第0章外,其他每章在基本内容的基础上,增加了2~4个应用案例。第1章行列式,应用案例:求平行四边形的面积和平行六面体的体积;第2章矩阵及其运算,应用案例:平面图形变换、矩阵在计算机图形学中的应用和希尔密码;第3章线性方程组,应用案例:剑桥减肥食谱、电路网络、配平化学方程式和网络流;第4章向量组的线性相关性,应用案例:差分方程中的应用和马尔可夫链;第5章特征值、特征向量及二次型,应用案例:二次曲线的研究、二次曲面的研究和离散动力系统。
在内容的组织上,本书以线性方程组的研究为主线。第0章引出线性方程组需研究的问题,是整本书的主线;第1~4章均围绕线性方程组的研究而展开,第5章可以作为线性方程组的一个应用。对于重要的概念,我们都给出了相关的引例,所以本书非常适合于问题式教学。
在难易程度的处理上,本书适当降低了理论深度,部分定理的证明没有在教材中给出,而是放在学习网站上。例题的配置也以基本概念和基本方法为主,适当减少了证明题的数量,应用题的数量则有所增加。
第0章 线性方程组的研究
第1章 行列式
1.1 二阶与三阶行列式
1.1.1 二阶行列式
1.1.2 三阶行列式
1.2 n阶行列式
1.2.1 排列及其逆序数
1.2.2 n阶行列式的定义
1.3 行列式的性质
1.4 克拉默法则
1.5 应用举例
1.5.1 用二阶行列式求平行四边形的面积
1.5.2 用三阶行列式求平行六面体的体积
习题一
实验练习一
第2章 矩阵及其运算
2.1 矩阵的定义
2.1.1 引例
2.1.2 定义
2.2 矩阵的运算
2.2.1 矩阵的线性运算
2.2.2 矩阵的乘法运算
2.2.3 转置
2.2.4 方阵的行列式
2.3 逆矩阵
2.3.1 引例
2.3.2 定义
2.3.3 方阵可逆的条件
2.4 分块矩阵
2.4.1 定义
2.4.2 分块矩阵的运算
2.4.3 常用的三种分块法
2.5 应用举例
2.5.1 平面图形变换
2.5.2 矩阵在计算机图形学中的应用——齐次坐标
2.5.3 希尔密码
习题二
实验练习二
第3章 线性方程组
3.1 消元法
3.1.1 引例
3.1.2 消元法的一般形式
3.2 矩阵的初等变换
3.2.1 定义
3.2.2 初等变换的性质
3.3 矩阵的秩
3.3.1 引例
3.3.2 秩的定义
3.3.3 秩的性质
3.4 初等矩阵
3.4.1 初等矩阵的引入
3.4.2 定义
3.4.3 初等矩阵的性质
3.4.4 求逆矩阵的初等行变换法
3.4.5 初等矩阵决定的线性变换
3.5 线性方程组的解
3.5.1 线性方程组有解的条件
3.5.2 线性方程组的解法
3.6 应用举例
3.6.1 剑桥减肥食谱问题
3.6.2 电路网络问题
3.6.3 配平化学方程式问题
3.6.4 网络流问题
习题三
实验练习三
第4章 向量组的线性相关性
4.1 向量组等价
4.1.1 向量的定义及运算
4.1.2 向量组及其线性组合
4.1.3 向量组等价
4.2 向量组的线性相关性
4.2.1 定义
4.2.2 向量组线性相关性的判别定理
4.3 向量组的秩
4.3.1 引例
4.3.2 定义
4.3.3 向量组的秩与矩阵的秩的关系
4.3.4 向量组的极大无关组的求法
4.4 线性方程组解的结构
4.4.1 齐次线性方程组解的结构
4.4.2 非齐次线性方程组解的结构
4.5 向量空间
4.5.1 向量空间的定义
4.5.2 向量空间的基和维数
4.5.3 向量在基下的坐标
4.6 应用举例
4.6.1 在差分方程中的应用
4.6.2 马尔可夫链
习题四
实验练习四
第5章 特征值、特征向量及二次型
5.1 向量的内积、长度及正交性
5.1.1 内积的定义与性质
5.1.2 施密特(Schmidt)正交化过程
5.1.3 正交矩阵
5.2 特征值与特征向量
5.2.1 定义
5.2.2 特征值与特征向量的计算
5.2.3 特征值与特征向量的性质
5.2.4 复特征值
5.3 相似矩阵
5.3.1 相似矩阵的概念与性质
5.3.2 矩阵可对角化的条件
5.4 实对称矩阵的对角化
5.4.1 实对称矩阵的特征值与特征向量
5.4.2 实对称矩阵对角化的步骤
5.5 二次型及其标准形
5.5.1 二次型的概念
5.5.2 矩阵的合同关系
5.5.3 化二次型为标准形
5.6 正定二次型
5.7 应用举例
5.7.1 二次曲线的研究
5.7.2 二次曲面的研究
5.7.3 离散动力系统
习题五
实验练习五
习题答案