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矩阵是线性代数的基本内容和重要工具作为代数对象(代数
四川民族学院数学系
《高等代数》电子教案
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第五章 矩阵
综述
矩阵是线性代数的基本内容和重要工具.作为代数对象(代数系)首要是弄清它的运算性质,因而作为本章的主要内容是给出了矩阵的加、乘、数乘、转置等运算,进而讨论了其有关性质,介绍了一类特殊矩阵——可逆矩阵及矩阵处理中的技巧——分块矩阵.本章内容的重要作用将在线性代数的后续内容及实际工作或其它学科中看到,突出的体现是抽象的代数对象(如线性空间、线性变换、对称变换、正交变换、二次型等)可用矩阵表示,从而可通过矩阵的研究达到研究其的目的.这一作用和思想方法要引起重视和注意.
作为本章内容须注意几点:一是理解矩阵的运算的定义和性质,对照数的运算的异同弄清.二是特殊方阵的引入及其作用,特别是其中初等矩阵的概念和作用——语言表述的内容和结论可用式子的形式表示;还要弄清求逆矩阵的方法的由来.三是分块矩阵的技巧原则.
5.1 矩阵的运算
一 教学思考
1.矩阵的概念是1850年首先由西尔威斯特(syluester)提出来的,1858年卡莱(cagley)建立了矩阵运算规则,从此矩阵逐渐成为数学的一个重要分支.在代数学中,对于代数系其所具有的运算及运算性质是重要的.
2.本节首先给出了矩阵的加、数乘、乘、转置等运算,同时讨论了其适合的算律;其中应使学生了解:(1)矩阵的运算特别是乘法运算为什么那么定义,单纯死板的抽象定义不好接受,要从实际问题引入(如从三组变量的相互表示).(2)矩阵的有关运算的形式与实质以及前提条件.(3)矩阵既然是不同于普通数的新“量”,所以其运算性质有许多与数相似和不同的地方,如乘法不满足交换律、消去律等,其中应指明其不成立的情况和原因.
3.矩阵相等的概念、零矩阵、单位矩阵及其类似于数0、1的性质要引起注意;难点是矩阵乘法的定义及结合律的证明应分析清楚.
二 内容要求
内容:矩阵的加、数乘、乘法、转置的定义及性质;难点是矩阵乘法的定义及有关性质的证明.
要求:掌握上述有关定义的前提条件、形式、实质及其与通常数的有关运算的联系与区别.
三 教学过程
1.概念 本节在数域上讨论矩阵.
(1)矩阵:由上个数作成的一个具有行列的数表
叫做一个行列矩阵.记为,或.
(2)几种特殊矩阵
A)零矩阵:元素全为零的矩阵;记为.
Note:零矩阵只是给出了元素的特征(全为0),由于行、列数的不同有不同形式的零矩阵.
B)负矩阵:设,则称为的负矩阵;记为.
Note:负矩阵是相对于一个给定的矩阵而言的.
C)方阵:行列数相同的矩阵.n行n列矩阵叫n阶矩阵.
D)单位矩阵:主对角线上元素全为1,其余元素全为0的方阵.
Note:1)单位阵是一类特殊方阵.
2)定义给出了元素特征,由于阶数不同有不同形式的单位阵.n阶单位矩阵记为.
(3)矩阵的相等:设A、B是数域F上两个矩阵,若1)A、B具有相同的行数和列数;2)对应位置上的元素相等.则称A与B相等.记为A=B.
2.矩阵的运算及性质
1)加法:
定义:设,;与的和为矩阵;记为,即=.
例1 加法的例子(略);2、矩阵方程(体现“待定元素法”)(略).
性质 设,则
(1)=; (2);
(3); (4).
2)数量乘法
定义 设,与的数乘为,记为.
性质 设;
1); 2);
3). (易证)
3)乘法
A)定义 设,;与的乘积为,其中;记为.
B)性质 (注意下列式子有意义的条件)
(1); (2);
(3);
(4).
C)方阵的方幂:
定义 设,定义,称为的次方幂;规定.
性质 显然.
D)矩阵多项式 设,称为的多项式,记为.
E)矩阵方程 (线性方程组的矩阵表示)
设线性方程组 (1),其系数矩阵为,
4)转置
定义 设,把的行变为列、列变为行所得的行列矩阵称为矩阵的转置(矩阵),记为.(可写出具体形式)
性质 (1); (2);
(3); (4).
定义补 ;若,称为一个对称方阵;若,称为一个反对称方阵.
5.2可逆矩阵 矩阵乘积的行列式
一 教学思考
1.可逆矩阵是一类特殊的方阵,相似于数的乘法中一个数有倒数(逆元),且有相似的作用(将除法转化为乘法).本节是在给定了定义、性质的基础上,进而讨论了可逆的判定及逆矩阵的求法,最后讨论了乘积矩阵的行列式及秩与两因子的行列式及秩的关系.内容多,方法具体,思想突出.
2.在可逆矩阵的引入中可先由简单的矩阵方程入手,分析一般不能类于普通的代数方程那样两边同除以,因矩阵没有所谓的除法运算.那么能否在某种条件下引入新的概念避开除法,为此引入可逆矩阵的概念.在定义中一定要帮助分析清楚“可逆矩阵”与“
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