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数学论文6000字:线性代数

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2016-01-11

线性代数基本结构问题,学者们历来有许多不同的看法,较为常见的是以下几种:

第一种是以矩阵为中心。这一看法认为整个线性代数以矩阵理论为核心,将矩阵理论视为各个内容联系的纽带。在求线性方程组、判定方程组的解以及研究线性空间问题时,矩阵理论是重要工具。例如正交矩阵和对称矩阵主要应用于欧氏空间和二次型方程问题中。可见,只要对矩阵知识有了全面系统的理解后,就能将各种问题都化解为矩阵理论中的一部分,引申为矩阵问题。

第二种是以线性方程组为中心。这一关观点认为线性方程组是线性代数研究的基本问题。具体操作过程中,将线性方程组的理论和方法应用到各个章节,由此引出矩阵、行列式、向量等理论,最后列出方程组、求解,然后进一步应用,串联起各部分内容。这一理论较为系统、科学,常常被初学者采纳。

第三是一种线性代数体系,以线性变换和线性空间为核心,在学习线性代数之前,学生要先掌握关系、集合、环、群、域等概念,形成对高等数学的研究对象、知识结构、表达方式的初步认识。线性代数体系依次安排了线性空间、内积空间、线性变化、矩阵概念和性质等章节。掌握线性变换基础后,再教学线性方程组求解知识,在此基础上,进一步引出特征向量、特征值和二次型理论。整个体系以线性代数为核心,内容介绍、理论讲解及方法系统化为一个整体。

第四是以向量理论为核心。对二维、三维直角坐标系的研究是线性代数的起源。学生在中学时就已经了解了关于平面向量的一些基本知识,因此,将向量作为整个线性代数知识的核心,有利于使各部分内容的联系更加密切、理论体系更加完整完善,学生的空间概念也能得以加强。矩阵、行列式、线性方程组一般为研究维向量空间所必须的表示工具、向量的线性相关性的判别工具)和未知向量的计算工具,从宏观讲它们独立于体系之外,从微观讲它们也是维向量空间的一些具体内容。而二次型仅仅是对称双线性函数的一个简单应用。

三、线性和线性问题

“线性”这个数学名词在中学数学课程中,学生从未接触过。而这一课程是大学数学的基础课程,学生刚进入大学,对这一词汇的具体内容知之甚少。所以在学习之前,学生必须对什么是“线性”有所了解,在“线性代数”这一课程中有对于“线性”概念的明确介绍。这是学习线性代数要解决的第一个基本问题,即什么是“线性”。

从整个数学全局来看线性代数,可将涉及到的数学问题分为两类:即线性问题和非线性问题。其中,对于线性问题的研究,历来有最完善的理论和最多的研究成果;并且,许多非线性问题往往也可以转化为线性问题解答。所以解决具体的数学问题时,首先应判断该问题是否属于线性问题,如果是线性问题该采用怎样的解决方法,如果不是线性问题,应考虑如何将其转化为线性问题。这是学习线性代数要解决的第二个基本问题:什么是“线性问题”,如何处理“线性问题”?

了解了什么是“线性”、什么是“线性问题”后,离完成线性代数的教学目的还有很长一段距离。如今的高校教育,一味灌输给学生行列式、向量、矩阵、线性变换等空洞的数学定理,指导学生用这些理论来思考线性代数的基本结构、具体应用等问题。教师在教学线性代数问题时更是一味强调理论的选择与应用,却忽视了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力的培养。

四、线性代数的研究对象

稍微观察一下我们可以发现,中学的初等代数就是线性代数的前身,只是在其基础上的进一步抽象化。初等代数研究的多是具体的问题,运用加减乘除的运算方法即可解决问题;线性代数中则引入了许多新的概念,如向量、向量空间、集合、空间、矩阵等等,问题展现的形式发生了变化,要想解决问题,我们的思维方式也应该发生变化。涉及到新概念的数学问题往往都很抽象,如向量指的是既有数值又有具体方向的量;向量空间是许多量组成的集合,这一集合中的元素全都符合特定的运算规则;集合是具有某种属性的事物的总和;矩阵理论则是一种更加抽象化的理论,因此我们的研究方法和思维方式都要随之进行改变。如初等代数中的基本运算法则在线性代数中经常会失效,线性代数的研究对象是向量运算、矩阵运算和线性变换,解决问题时,需要采用一种特殊的运算方法。

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