Gilbert Strang教授的《线性代数》(Introduction to Linear Algebra)第六版上市,有同学对比图灵出版的《斯特朗线性代数(第四版)》(Linear Algebra and Its Applications)的不同,从内容角度来说,两本书差异并不大,《线性代数导论》的篇幅更长,尤其是在线性方程组、矩阵、欧氏空间等基础主题上花费了更多笔墨;《斯特朗线性代数》所包含的知识点略多一些,如若尔当标准形、有限元理论等高等主题(其中有限元理论是Strang本人的学术专长,这在线性代数教材中是绝无仅有的)。
其他在读者对象、内容覆盖、习题和解答上,差异并不大。
而读者比较感兴趣的B站上累计有五百多万播放的MIT线性代数视频的配套教材到底是哪一本,也有粉丝给出了解答。
因此,如果你想配套视频课程学习线性代数的话,图灵出版的这本《斯特朗线性代数(第4版)》会更合适一些。
来源 | 《斯特朗线性代数》
作者:[美] 吉尔伯特·斯特朗
译者:陈学勇,刘伟安
01
美丽的线性代数
本教材的前三版受到了广大读者的欢迎,很多人通过阅读本教材学习线性代数知识,甚至用它来教学.正因为如此,如何对本教材进行再次修订,对我来说就变成了一个特别的挑战.但无论怎么修订,本书的宗旨不会改变——帮助线性代数教学跟上这门学科不断发展的步伐.
增加一些新的问题是修订教材的一种有效可行的方法,在这些年的教学中我出了数百道新的考试题(尤其是随着在线测验的兴起).我相信你会赞同增加新问题这一选择.这些问题包含了对线性代数的理解和计算——这也是学习这门美丽学科的两种互补方法.
我个人认为人们对线性代数知识的需求要比对微积分的需求多得多.当然艾萨克·牛顿很可能不会同意这个观点!这是因为他不在21世纪教数学(也许他不是一位伟大的老师,但我们不可质疑他对科学的巨大贡献).在牛顿时代,物理定律可以用微分方程进行很好的表达,所以当时对微积分的需求更明显.但在21 世纪,科学、工程和管理等学科的发展,使得线性代数已经替代微积分占据了数学的中心位置.
我再多说一点,目前许多大学还没有真正认识到线性代数的重要性.在处理曲线和曲面问题时,总是选择线性化.用曲线的切线代替曲线,用平面拟合曲面,这样问题就变成了线性问题.但当变量继续增多,有十个变量,或者一千个变量,而不是两个变量时,线性代数的作用就显现出来了.
你可能会认为我用“美丽”一词来形容一门数学基础课程是夸大其词,其实一点也不,线性代数配得上这个修饰语.本课程从指向不同方向的两个向量v和w开始,关键的一步是取它们的线性组合.我们利用数乘得到3v和4w,然后相加得到特定的线性组合3v+4w.这个新向量与v和w共面.取遍所有可能的线性组合,相当于填满了由v和w确定的整个平面.如果在平面上画出向量v和w,它们的所有可能的线性组合cv+dw会填满这一平面,但不会跑出这个平面.
在线性方程的语言中,当向量b与v和w共面时,我可以精确地求解实数c和d,使得cv+dw=b.
02
矩阵
接下来,我将把三维向量的线性组合引入线性代数中.如果向量为v=(1,2,3)和w=(1,3,4),则以这两个向量为列构成矩阵:
这些列向量的线性组合cv+dw可以用上述矩阵与向量(c,d)的乘积来表示:
这些线性组合可以张成一个向量空间,我们称之为矩阵的列空间.(由这两个列向量张成的空间是一个空间平面.)为了判断向量b=(2,5,7)是否在这个平面内,我们需要核对三个分量,即求解三个方程:
方程组的求解留给各位读者.因为方程组有解,所以向量b=(2,5,7)确实在由向量v和w确定的平面内.如果将向量b的第三个分量7换成其他任何数,则对应的方程组无解,即向量b不再是向量v和w的线性组合,进而可知此时向量b不在由向量v和w确定的平面内.
本书的前两章是关于线性方程组Ax=b的讨论,其中矩阵A有m行n列.线性代数稳步向m维空间中的n个向量推进,我们仍然需要在列空间中讨论列向量的线性组合,仍需要通过m个方程来求解向量b(每行对应一个方程).这些方程可能有解,也可能没有解,但它们总有一个最小二乘解.
列和行的相互作用是线性代数的核心.这并没有想象的那么容易,但也不太难,以下是其四个核心概念.
列空间(列的所有线性组合).
行空间(行的所有线性组合).
秩[列(或行)向量组的最大线性无关组中列(或行)向量的个数].
消元法(求矩阵秩的有效方法).
我就说到这里,你可以开始课程的学习了.
03
课程结构
对于方阵A,有两个基本问题Ax=b和Ax=λx.当A的列向量线性无关时,第一个问题Ax=b有解.第二个问题Ax=λx是寻找线性无关的特征向量.这门课程的一个重要部分是理解“无关”的含义.
我相信大多数人是从例子开始学习的.你可以看到
这是因为该矩阵的第一列加上第二列等于第三列.线性代数中的一个美妙定理告诉我们,该矩阵的这三行也不是无关的.第三行在由第一行和第二行确定的平面内.第三行可以表示为第一行和第二行的某种线性组合.你可能会很快确定这个线性组合(但是我没有).最终,我不得不使用消元法来发现,正确的线性组合是用2倍的第二行减去第一行.
消元法是通过产生大量零元素来理解矩阵的一种简单自然的方式.因此,课程从消元法讲起,但不要停留太久!你必须从行的线性组合来到行的无关性,再到“行空间的维数”.这是一个关键目标,要看到整个向量空间:行空间、列空间和零空间.
进一步的目标是理解矩阵的作用.当矩阵A乘以x时,会产生新的向量Ax.整个向量空间移动了,即它被A“变换”了.特殊的变换来自特定的矩阵,这些矩阵是线性代数的基础:对角矩阵、正交矩阵、三角形矩阵、对称矩阵.
这些矩阵的特征值也很特别.我认为2×2矩阵是展示特征值λ所能提供的信息的绝佳示例.5.1节和5.2节值得仔细阅读,看看Ax=λx是如何发挥作用的.这个小矩阵的例子提供了深刻的见解.
总的来说,线性代数的美妙之处可以从许多不同的角度看到,如下所示.
可视化.向量的线性组合.向量空间.向量的旋转、反射以及投影.垂直向量.四个基本子空间.
抽象.向量的无关性.向量空间的基和维数.线性变换.奇异值分解和最佳基.
计算.消元法产生零元素.格拉姆–施密特方法求解正交向量.用特征值求解微分和差分方程.
应用.当Ax=b包含很多方程时的最小二乘解.用差分方程近似微分方程.马尔可夫概率矩阵(谷歌的基础!).作为主轴的正交特征向量(还有很多……)
与本书相关的网页可能会对大家的学习有所帮助,在这里我们收到了很多带有建议和鼓励的反馈信息,我希望你能充分利用这些资源.你可以直接访问麻省理工学院线性代数课程18.06的网站,该网站会持续更新,以适用于每个学期开设的课程.线性代数课程也可以在麻省理工学院的开放课程网站上找到,其中课程18.06因为包含讲座视频(当然,你完全可以不看……)而变得特别.以下是在网页上可获取的部分内容.
讲座安排、当前的作业和考试及其解答.
课程目标和概念性问题.
交互式Java 演示(现在包括特征值的音频).
线性代数教学代码和MATLAB 问题.
完整课程的视频(在真实的教室中授课).
本书的重点是理解——我试图解释而不是推导.这是一本关于真正数学的书,而不是无尽的练习.
04
为什么这本书与众不同?
独特的理念
Strang教授反对传统教学“从定义到定理”的僵化模式,而是主张“从直观到抽象”的自然过程,以具体问题为出发点,以自然理解为核心,以实际应用为落脚点,引导读者“自己发现”数学概念。因此,他从不急于抛出抽象定义和推导,转而采用一种近乎“讲故事”的形式,用口语化的叙事风格、略带风趣的方式解释复杂的数学思想。
值得一提的是,Strang教授尤其注重几何直觉的培养。他在讲解每个知识点时几乎都会给出几何解释,这种“代数与几何密切相关”的理念,帮助读者在脑海中构建清晰的空间图像,避免沦为“计算机器”。
Strang标志性的“四个子空间图”
丰富的应用
本书具有鲜明的理工科导向,从应用数学的角度展现了线性代数的实用价值,主要围绕数值计算、最优化和线性规划等专题进行介绍,还引入了Strang本人的学术专长“有限元理论”,这在同类教科书(包括他自己的)中是绝无仅有的。
此外,Strang的涉猎面非常广泛,他从国际象棋、扑克游戏、棒球、囚徒困境等生动有趣的示例中敏锐地发现了线性代数的存在。在他的笔下,线性代数是亲切的、充满乐趣的,数学成为了解读世间万象的语言。
人性化的编排
为了将行列式对理解线性代数的影响降到最低,Strang选择从学生已经非常熟悉的线性方程组切入来介绍矩阵。这种讲法避免了国内教材常常从学生不熟悉的行列式出发的通病,让入门变得更简单、更顺畅。
此外,本书在编排上的另一大特点是,提早引入线性变换这一教学难点,并不拘一格地将其融入到各个主题中:先随着矩阵一起,介绍相对容易接受的伸缩、旋转、反射、投影,而把更一般的线性变换(特别是相似变换)放到后面。这符合“从特殊到一般”“从易到难”的原则和认知规律。
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《斯特朗线性代数》
作者:[美] 吉尔伯特·斯特朗(Gilbert Strang)
译者:陈学勇,刘伟安
高等数学教育界泰斗 斯特朗,曾任麻省理工学院数学系教授,影响全球百万学生的线性代数传奇大师,本书是麻省理工、哈佛、斯坦福等顶级名校教材;
教科书中的一股清流:流畅的叙事式写作风格,直观的自然理解取代晦涩的数学推导,避免对定义、定理、证明的枯燥罗列;通俗易懂,非常适合自学。
教学资源完备、丰富。他在麻省理工学院OpenCourseWare网站上开设的线性代数课程已获得上百万次观看,被认为是数学教学的典范。
几乎所有现代科学都离不开线性代数,本书正是为物理学、工程学、经济学等领域的人群而设计,从应用数学的角度介绍线性代数在现实问题中的应用。
以下为本书目录: