Giới Thiệu Đại Số Tuyến Tính và Ứng Dụng - DeFranza & Gagliardi

Đại số tuyến tính là gì? Khám phá các khái niệm cơ bản và ứng dụng quan trọng của đại số tuyến tính trong nhiều lĩnh vực khoa học, kỹ thuật.

Trường đại học

St. Lawrence University, SUNY Canton

Chuyên ngành

Linear Algebra

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Textbooks

2009

509
0
0

Phí lưu trữ

135 Point

Mục lục chi tiết

Preface

1. CHAPTER 1 Systems of Linear Equations and Matrices

1.1. Systems of Linear Equations

1.2. Matrices and Elementary Row Operations

1.3. Matrix Algebra

1.4. The Inverse of a Square Matrix

1.5. Matrix Equations

1.6. Determinants

1.7. Elementary Matrices and LU Factorization

1.8. Applications of Systems of Linear Equations

2. CHAPTER 2 Linear Combinations and Linear Independence

2.1. Vectors in ⺢n

2.2. Linear Combinations

2.3. Linear Independence

3. CHAPTER 3 Vector Spaces

3.1. Definition of a Vector Space

3.2. Subspaces

3.3. Basis and Dimension

3.4. Coordinates and Change of Basis

3.5. Application: Differential Equations

4. CHAPTER 4 Linear Transformations

4.1. Linear Transformations

4.2. The Null Space and Range

4.3. Isomorphisms

4.4. Matrix Representation of a Linear Transformation

4.5. Similarity

4.6. Application: Computer Graphics

5. CHAPTER 5 Eigenvalues and Eigenvectors

5.1. Eigenvalues and Eigenvectors

5.2. Diagonalization

5.3. Application: Systems of Linear Differential Equations

5.4. Application: Markov Chains

6. CHAPTER 6 Inner Product Spaces

6.1. The Dot Product on ⺢n

6.2. Inner Product Spaces

6.3. Orthonormal Bases

6.4. Orthogonal Complements

6.5. Application: Least Squares Approximation

6.6. Diagonalization of Symmetric Matrices

6.7. Application: Quadratic Forms

6.8. Application: Singular Value Decomposition

Appendix

Answers to Odd-Numbered Exercises

Index

Tóm tắt

I. Đại Số Tuyến Tính Tổng Quan Khái Niệm Lợi Ích 55 ký tự

Đại số tuyến tính là một nhánh quan trọng của toán học, tập trung vào nghiên cứu các vector, ma trận, không gian vector và các phép biến đổi tuyến tính. Nó cung cấp nền tảng lý thuyết và công cụ để giải quyết các bài toán liên quan đến hệ phương trình tuyến tính, biểu diễn và thao tác dữ liệu đa chiều, cũng như xây dựng các mô hình toán học cho nhiều lĩnh vực khác nhau. Đại số tuyến tính không chỉ là một môn học lý thuyết, mà còn là một công cụ mạnh mẽ được ứng dụng rộng rãi trong khoa học máy tính, kỹ thuật, kinh tế và nhiều lĩnh vực khác. Việc nắm vững các khái niệm và kỹ thuật của đại số tuyến tính là điều cần thiết để giải quyết các vấn đề phức tạp trong thế giới thực. Theo DeFranza và Gagliardi, hiểu lý thuyết trừu tượng là yếu tố then chốt để ứng dụng thành công đại số tuyến tính (DeFranza & Gagliardi, Introduction to Linear Algebra with Applications). Môn học này cung cấp sự cân bằng giữa tính toán, giải quyết vấn đề và trừu tượng, trang bị cho sinh viên những kỹ năng cần thiết để giải quyết các bài toán và hiểu sâu hơn về đại số tuyến tính và các ứng dụng đa dạng của nó.

1.1. Định nghĩa cơ bản về vector và ma trận

Trong đại số tuyến tính, vector thường được hiểu là một danh sách có thứ tự các số, ví dụ như (1, 2, 3). Vector có thể biểu diễn một điểm trong không gian, một hướng hoặc một lực. Ma trận là một mảng hình chữ nhật các số, được sắp xếp thành hàng và cột. Ma trận được sử dụng để biểu diễn các phép biến đổi tuyến tính, các hệ phương trình tuyến tính và nhiều đối tượng toán học khác. Một ma trận có m hàng và n cột được gọi là ma trận m x n. Các phần tử trong ma trận thường được ký hiệu bằng aij, trong đó i là số hàng và j là số cột. Ví dụ, a12 là phần tử nằm ở hàng 1 cột 2 của ma trận. Việc hiểu rõ các định nghĩa cơ bản này là bước đầu tiên để khám phá sức mạnh của đại số tuyến tính.

1.2. Giới thiệu không gian vector và tính chất tuyến tính

Không gian vector là một tập hợp các đối tượng (thường là các vector) cùng với hai phép toán: phép cộng vector và phép nhân một vector với một số vô hướng. Hai phép toán này phải thỏa mãn một số tiên đề nhất định để đảm bảo không gian vector có cấu trúc tuyến tính. Tính chất tuyến tính thể hiện sự bảo toàn của các phép toán cộng và nhân với một số vô hướng. Nghĩa là, nếu u và v là các vector trong không gian vector, và c là một số vô hướng, thì u + v và c*u cũng phải nằm trong không gian vector đó. Không gian vector cung cấp một khung trừu tượng để nghiên cứu các đối tượng toán học có cấu trúc tuyến tính.

1.3. Tầm quan trọng của đại số tuyến tính trong toán học ứng dụng

Đại số tuyến tính đóng vai trò trung tâm trong nhiều lĩnh vực của toán học ứng dụng, từ tối ưu hóamô hình hóa đến giải thuậtphân tích dữ liệu. Các công cụ và khái niệm của đại số tuyến tính cho phép chúng ta giải quyết các bài toán phức tạp một cách hiệu quả và chính xác. Ví dụ, trong học máy, đại số tuyến tính được sử dụng để biểu diễn dữ liệu, xây dựng các mô hình dự đoán và tối ưu hóa các giải thuật. Trong xử lý ảnh, đại số tuyến tính được sử dụng để biểu diễn ảnh, thực hiện các phép biến đổi và trích xuất các đặc trưng quan trọng. Sự linh hoạt và sức mạnh của đại số tuyến tính làm cho nó trở thành một công cụ không thể thiếu cho các nhà toán học, kỹ sư và nhà khoa học.

II. Thách Thức Khi Học Đại Số Tuyến Tính Cách Vượt Qua 59 ký tự

Mặc dù đại số tuyến tính là một công cụ mạnh mẽ, nhưng việc nắm vững nó có thể gặp nhiều thách thức. Khái niệm trừu tượng như không gian vector, ánh xạ tuyến tính, trị riêngvector riêng có thể khó hiểu đối với người mới bắt đầu. Hơn nữa, việc thực hiện các phép tính ma trận phức tạp bằng tay có thể tốn thời gian và dễ mắc lỗi. Để vượt qua những thách thức này, cần có một phương pháp học tập hiệu quả, kết hợp giữa lý thuyết và thực hành. Việc sử dụng các phần mềm như MATLAB hay Python NumPy có thể giúp đơn giản hóa các phép tính ma trận và tập trung vào việc hiểu bản chất của vấn đề. Quan trọng hơn, cần phải có một tư duy logic và khả năng trừu tượng hóa tốt để hiểu sâu sắc các khái niệm và ứng dụng của đại số tuyến tính.

2.1. Khó khăn trong việc nắm bắt các khái niệm trừu tượng

Một trong những khó khăn lớn nhất khi học đại số tuyến tính là việc làm quen với các khái niệm trừu tượng. Ví dụ, không gian vector là một khái niệm tổng quát, bao gồm nhiều loại đối tượng khác nhau, không chỉ là các vector trong không gian Euclide quen thuộc. Ánh xạ tuyến tính là một phép biến đổi giữa các không gian vector bảo toàn cấu trúc tuyến tính. Trị riêngvector riêng là những khái niệm quan trọng trong việc phân tích và hiểu các phép biến đổi tuyến tính. Để hiểu rõ những khái niệm này, cần phải có một tư duy trừu tượng và khả năng liên kết các khái niệm khác nhau.

2.2. Quản lý khối lượng lớn kiến thức và công thức

Đại số tuyến tính bao gồm một lượng lớn kiến thức và công thức, từ các phép toán ma trận cơ bản đến các định lý và tính chất phức tạp. Việc ghi nhớ và áp dụng đúng các công thức này có thể là một thách thức. Để giải quyết vấn đề này, cần phải có một phương pháp học tập có hệ thống, tập trung vào việc hiểu bản chất của các công thức và cách chúng được sử dụng trong các bài toán khác nhau. Việc luyện tập thường xuyên và giải nhiều bài tập cũng là một cách hiệu quả để củng cố kiến thức và làm quen với các công thức.

2.3. Áp dụng đại số tuyến tính vào các bài toán thực tế

Mặc dù đại số tuyến tính có nhiều ứng dụng thực tế, nhưng việc nhận ra và áp dụng các khái niệm và kỹ thuật của nó vào các bài toán cụ thể có thể là một thách thức. Để vượt qua thách thức này, cần phải có một kiến thức nền tảng vững chắc về đại số tuyến tính, cũng như khả năng phân tích và mô hình hóa các bài toán thực tế. Việc tìm hiểu các ví dụ và ứng dụng thực tế của đại số tuyến tính trong các lĩnh vực khác nhau cũng có thể giúp cải thiện khả năng áp dụng của nó.

III. Phương Pháp Giải Hệ Phương Trình Tuyến Tính Hiệu Quả 58 ký tự

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của đại số tuyến tính là giải hệ phương trình tuyến tính. Có nhiều phương pháp khác nhau để giải hệ phương trình tuyến tính, bao gồm phương pháp khử Gauss, phương pháp Gauss-Jordan và phương pháp sử dụng ma trận nghịch đảo. Phương pháp khử Gauss và Gauss-Jordan là các phương pháp biến đổi ma trận tương đương, sử dụng các phép biến đổi hàng để đưa ma trận về dạng bậc thang hoặc dạng bậc thang rút gọn. Phương pháp sử dụng ma trận nghịch đảo chỉ áp dụng được cho các hệ phương trìnhma trận hệ số khả nghịch. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào kích thước và đặc điểm của hệ phương trình.

3.1. Phương pháp khử Gauss và Gauss Jordan

Phương pháp khử Gauss là một giải thuật để giải hệ phương trình tuyến tính bằng cách biến đổi ma trận hệ số về dạng bậc thang. Phương pháp Gauss-Jordan là một biến thể của phương pháp khử Gauss, trong đó ma trận hệ số được biến đổi về dạng bậc thang rút gọn. Cả hai phương pháp đều sử dụng các phép biến đổi hàng sơ cấp để đơn giản hóa ma trận. Các phép biến đổi hàng sơ cấp bao gồm: đổi chỗ hai hàng, nhân một hàng với một số khác 0 và cộng một bội số của một hàng vào một hàng khác. Sau khi ma trận đã được đưa về dạng bậc thang (hoặc bậc thang rút gọn), ta có thể dễ dàng tìm ra nghiệm của hệ phương trình bằng phương pháp thế ngược.

3.2. Sử dụng ma trận nghịch đảo để giải hệ phương trình

Nếu ma trận hệ số A của hệ phương trình AX = B là khả nghịch (tức là tồn tại ma trận nghịch đảo A-1), thì nghiệm của hệ phương trình có thể được tìm bằng công thức X = A-1B. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ áp dụng được khi ma trận A là vuông và khả nghịch. Để tìm ma trận nghịch đảo A-1, ta có thể sử dụng phương pháp khử Gauss-Jordan hoặc các phương pháp khác.

3.3. So sánh hiệu quả giữa các phương pháp khác nhau

Phương pháp khử Gauss và Gauss-Jordan thường được ưu tiên hơn phương pháp sử dụng ma trận nghịch đảo vì chúng có thể được áp dụng cho cả các hệ phương trìnhma trận hệ số không vuông hoặc không khả nghịch. Hơn nữa, phương pháp khử Gauss và Gauss-Jordan thường hiệu quả hơn về mặt tính toán, đặc biệt đối với các ma trận lớn. Tuy nhiên, phương pháp sử dụng ma trận nghịch đảo có thể hữu ích trong một số trường hợp cụ thể, ví dụ như khi cần giải nhiều hệ phương trình với cùng một ma trận hệ số.

IV. Trị Riêng Vector Riêng Chéo Hóa Ma Trận Ứng Dụng 53 ký tự

Trị riêngvector riêng là những khái niệm quan trọng trong đại số tuyến tính, đặc biệt là trong việc phân tích và hiểu các phép biến đổi tuyến tính. Một vector riêng của một ma trận A là một vector không trị khác 0 mà khi nhân với A, chỉ thay đổi về độ dài, không thay đổi về hướng. Trị riêng tương ứng là hệ số tỷ lệ giữa vector riêngvector kết quả sau khi nhân với A. Chéo hóa ma trận là quá trình biến đổi một ma trận thành một ma trận đường chéo, sử dụng các vector riêng của ma trận đó. Việc chéo hóa ma trận giúp đơn giản hóa nhiều phép tính và ứng dụng, ví dụ như giải hệ phương trình vi phân tuyến tính và phân tích ổn định hệ thống.

4.1. Giải thích khái niệm trị riêng và vector riêng

Cho một ma trận vuông A, một vector v khác 0 được gọi là vector riêng của A nếu tồn tại một số vô hướng λ sao cho Av = λv. Số λ được gọi là trị riêng tương ứng với vector riêng v. Phương trình Av = λv có thể được viết lại thành (A - λI)v = 0, trong đó I là ma trận đơn vị. Để phương trình này có nghiệm khác 0, định thức của ma trận (A - λI) phải bằng 0. Phương trình det(A - λI) = 0 được gọi là phương trình đặc trưng của ma trận A, và nghiệm của phương trình này là các trị riêng của A.

4.2. Quy trình tìm trị riêng và vector riêng

Để tìm trị riêngvector riêng của một ma trận A, ta thực hiện các bước sau: (1) Tìm các trị riêng bằng cách giải phương trình đặc trưng det(A - λI) = 0. (2) Với mỗi trị riêng λ, tìm các vector riêng bằng cách giải hệ phương trình (A - λI)v = 0. Các nghiệm của hệ phương trình này là các vector riêng tương ứng với trị riêng λ.

4.3. Ứng dụng của chéo hóa ma trận trong các bài toán

Chéo hóa ma trận có nhiều ứng dụng quan trọng trong các bài toán khác nhau. Ví dụ, để giải hệ phương trình vi phân tuyến tính, ta có thể chéo hóa ma trận hệ số và sau đó giải các phương trình vi phân đơn giản hơn. Chéo hóa ma trận cũng được sử dụng để phân tích ổn định hệ thống, tính toán lũy thừa của ma trậntối ưu hóa các giải thuật.

V. Không Gian Vector Cơ Sở Chiều và Biến Đổi Tọa Độ 59 ký tự

Không gian vector là một khái niệm trừu tượng nhưng vô cùng quan trọng trong đại số tuyến tính. Một không gian vector được xác định bởi một tập hợp các đối tượng (thường là các vector) và hai phép toán: phép cộng vector và phép nhân một vector với một số vô hướng. Một cơ sở của không gian vector là một tập hợp các vector độc lập tuyến tính mà có thể biểu diễn mọi vector trong không gian vector đó. Chiều của không gian vector là số lượng các vector trong cơ sở. Việc thay đổi cơ sở dẫn đến việc thay đổi tọa độ của các vector, và các phép biến đổi tọa độ có thể được biểu diễn bằng các ma trận.

5.1. Định nghĩa và ví dụ về cơ sở và chiều của không gian vector

Một tập hợp các vector {v1, v2, ..., vn} được gọi là cơ sở của không gian vector V nếu (1) các vector v1, v2, ..., vn độc lập tuyến tính (tức là không có vector nào có thể được biểu diễn dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các vector còn lại) và (2) mọi vector trong V đều có thể được biểu diễn dưới dạng tổ hợp tuyến tính của v1, v2, ..., vn (tức là {v1, v2, ..., vn} sinh ra V). Chiều của không gian vector V là số lượng các vector trong cơ sở của V. Ví dụ, không gian Euclide ⺢n có cơ sở chuẩn là {e1, e2, ..., en}, trong đó ei là vector có thành phần thứ i bằng 1 và các thành phần còn lại bằng 0. Chiều của ⺢n là n.

5.2. Thay đổi cơ sở và biến đổi tọa độ

Khi thay đổi cơ sở của không gian vector, tọa độ của các vector cũng thay đổi theo. Giả sử ta có hai cơ sở B = {b1, b2, ..., bn} và B' = {b'1, b'2, ..., b'n} của không gian vector V. Khi đó, mọi vector v trong V có thể được biểu diễn dưới dạng v = c1b1 + c2b2 + ... + cnbn và v = c'1b'1 + c'2b'2 + ... + c'nb'n, trong đó c1, c2, ..., cn và c'1, c'2, ..., c'n là tọa độ của v trong cơ sở B và B', tương ứng. Ma trận chuyển cơ sở P từ B sang B' là ma trận mà cột thứ i của nó là tọa độ của bi trong cơ sở B'. Khi đó, mối quan hệ giữa tọa độ của v trong hai cơ sở là [v]B' = P[v]B.

5.3. Ứng dụng của không gian vector trong mô hình hóa

Không gian vector được sử dụng rộng rãi trong mô hình hóa các hệ thống và hiện tượng khác nhau. Ví dụ, trong vật lý, không gian vector được sử dụng để biểu diễn các trạng thái của hệ lượng tử. Trong kinh tế lượng, không gian vector được sử dụng để biểu diễn các biến kinh tế và các mối quan hệ giữa chúng. Trong xử lý tín hiệu, không gian vector được sử dụng để biểu diễn các tín hiệu và các phép biến đổi tín hiệu.

VI. Ứng Dụng Thiết Thực Của Đại Số Tuyến Tính Trong Đời Sống 59 ký tự

Đại số tuyến tính không chỉ là một môn học lý thuyết, mà còn là một công cụ mạnh mẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Từ học máykhai phá dữ liệu đến mật mã họckinh tế lượng, đại số tuyến tính đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề phức tạp và tạo ra những đột phá trong công nghệ và khoa học. Các giải thuật tối ưu hóa, các mô hình dự đoán và các phương pháp phân tích dữ liệu đều dựa trên nền tảng của đại số tuyến tính.

6.1. Đại số tuyến tính trong học máy và khai phá dữ liệu

Trong học máy, đại số tuyến tính được sử dụng để biểu diễn dữ liệu, xây dựng các mô hình dự đoán và tối ưu hóa các giải thuật. Các ma trận được sử dụng để biểu diễn các tập dữ liệu lớn, và các phép toán ma trận được sử dụng để thực hiện các phép biến đổi dữ liệu, trích xuất các đặc trưng quan trọng và giảm chiều dữ liệu. Các giải thuật như phân tích thành phần chính (PCA), phân tích giá trị suy biến (SVD) và hồi quy tuyến tính đều dựa trên nền tảng của đại số tuyến tính. Trong khai phá dữ liệu, đại số tuyến tính được sử dụng để tìm kiếm các mẫu và mối quan hệ trong dữ liệu lớn, xây dựng các mô hình phân cụm và phân loại.

6.2. Ứng dụng trong xử lý ảnh và đồ họa máy tính

Trong xử lý ảnh, đại số tuyến tính được sử dụng để biểu diễn ảnh, thực hiện các phép biến đổi ảnh, trích xuất các đặc trưng của ảnh và nén ảnh. Các ma trận được sử dụng để biểu diễn các pixel của ảnh, và các phép toán ma trận được sử dụng để thực hiện các phép biến đổi như xoay, co giãn, làm mờ và làm sắc nét ảnh. Trong đồ họa máy tính, đại số tuyến tính được sử dụng để biểu diễn các đối tượng 3D, thực hiện các phép biến đổi hình học và chiếu các đối tượng 3D lên màn hình 2D.

6.3. Các ứng dụng khác mật mã học kinh tế lượng vật lý

Đại số tuyến tính có nhiều ứng dụng khác trong các lĩnh vực khác nhau. Trong mật mã học, đại số tuyến tính được sử dụng để mã hóa và giải mã thông tin. Trong kinh tế lượng, đại số tuyến tính được sử dụng để xây dựng các mô hình kinh tế và phân tích dữ liệu kinh tế. Trong vật lý, đại số tuyến tính được sử dụng để biểu diễn các trạng thái của hệ vật lý, giải các phương trình vật lý và phân tích các hiện tượng vật lý.

28/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Linear Algebra DeFranza Linear Algebra Introduction to Linear Algebra with Applications by Jim DeFranza and Daniel Gagliardi provides the proper balance between computation, problem solving, and abstraction that will equip students with the necessary skills and problem solving strategies to allow for a greater understanding and appreciation of linear algebra and its numerous applications. Introduction to Linear Algebra with Applications provides students with the necessary tools for success: Linear Algebra Abstract theory is essential to understanding how linear algebra is applied. Each concept is fully developed presenting natural connections between topics giving students a working knowledge of the theory and techniques for each module covered. Applications have been carefully chosen to highlight the utility of linear algebra in order to see the relevancy of the subject matter in other areas of science as well as in mathematics.

Ranging from routine to more challenging, each exercise set extends the concepts or techniques by asking the student to construct complete arguments. End of chapter True/False MD DALIM 976667 7/29/08 CYAN MAG YELO BLACK questions help students connect concepts and facts presented in the chapter. Examples are designed to develop intuition and prepare students to think more conceptually about new topics as they are introduced. Students are introduced to the study of linear algebra in a sequential and thorough manner through an engaging writing style gaining a clear understanding of the theory essential for applying linear algebra to mathematics or other fields of science.

Summaries conclude each section with important facts and techniques providing students with easy access to the material needed to master the exercise sets.com/defranza ISBN 978-0-07-353235-6 MHID 0-07-353235-5 www.com Revised Pages www.com INTRODUCTION TO LINEAR ALGEBRA WITH APPLICATIONS Jim DeFranza St. Lawrence University Dan Gagliardi SUNY Canton First Pages www.com INTRODUCTION TO LINEAR ALGEBRA WITH APPLICATIONS Published by McGraw-Hill, a business unit of The McGraw-Hill Companies, Inc., 1221 Avenue of the Americas, New York, NY 10020. Copyright  2009 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved.

No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or by any means, or stored in a database or retrieval system, without the prior written consent of The McGraw-Hill Companies, Inc., including, but not limited to, in any network or other electronic storage or transmission, or broadcast for distance learning. Some ancillaries, including electronic and print components, may not be available to customers outside the United States. This book is printed on acid-free paper. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 DOC/DOC 0 9 8 ISBN 978–0–07–353235–6 MHID 0–07–353235–5 Editorial Director: Stewart K.

Mattson Senior Sponsoring Editor: Elizabeth Covello Director of Development: Kristine Tibbetts Developmental Editor: Michelle Driscoll Director of Marketing: Ryan Blankenship Marketing Coordinator: Sabina Navsariwala Project Manager: Joyce Watters Senior Production Supervisor: Sherry L. Kane Senior Media Project Manager: Tammy Juran Designer: Laurie B. Janssen Cover Designer: Ron Bissell (USE) Cover Image: Royalty-Free/CORBIS Senior Photo Research Coordinator: John C. Leland Supplement Producer: Melissa M.

Leick Compositor: Laserwords Private Limited Typeface: 10. Donnelly Crawfordsville, IN Library of Congress Cataloging-in-Publication Data DeFranza, James, 1950– Introduction to linear algebra / James DeFranza, Daniel Gagliardi. ISBN 978–0–07–353235–6—ISBN 0–07–353235–5 (hard copy : alk. Algebras, Linear—Textbooks.

Algebras, Linear—Problems, exercises, etc.com Revised Pages www.com To Regan, Sara, and David —JD To Robin, Zachary, Michael, and Eric —DG Revised Pages www.com Revised Confirming Pages www.com About the Authors Jim DeFranza was born in 1950 in Yonkers New York and grew up in Dobbs Ferry New York on the Hudson River. Jim DeFranza is Professor of Mathematics at St. Lawrence University in Canton New York where he has taught undergraduate mathematics for 25 years. Lawrence University is a small Liberal Arts College in upstate New York that prides itself in the close interaction that exists between students and faculty.

It is this many years of working closely with students that has shaped this text in Linear Algebra and the other texts he has written. He received his Ph. in Pure Mathematics from Kent State University in 1979. DeFranza has coauthored PRECALCULUS, Fourth Edition and two other texts in single variable and multivariable calculus.

DeFranza has also published a dozen research articles in the areas of Sequence Spaces and Classical Summability Theory. Jim is married and has two children David and Sara. Jim and his wife Regan live outside of Canton New York in a 150 year old farm house. Daniel Gagliardi is an Assistant Professor of Mathematics at SUNY Canton, in Canton New York.

Gagliardi began his career as a software engineer at IBM in East Fishkill New York writing programs to support semiconductor development and manufacturing. He received his Ph. in Pure Mathematics from North Carolina State University in 2003 under the supervision of Aloysius Helminck. Gagliardi’s principle area of research is in Symmetric Spaces.

In particular, his current work is concerned with developing algorithmic formulations to describe the fine structure (characters and Weyl groups) of local symmetric spaces. Gagliardi also does research in Graph Theory. His focus there is on the graphical realization of certain types of sequences. In addition to his work as a mathematician, Dr.

Gagliardi is an accomplished double bassist and has recently recorded a CD of jazz standards with Author/Pianist Bill Vitek. Gagliardi lives in northern New York in the picturesque Saint Lawrence River Valley with his wife Robin, and children Zachary, Michael, and Eric. v Revised Pages www.com Contents Preface ix CHAPTER 1 Systems of Linear Equations and Matrices 1 1.1 Systems of Linear Equations 2 Exercise Set 1.2 Matrices and Elementary Row Operations 14 Exercise Set 1.3 Matrix Algebra 26 Exercise Set 1.4 The Inverse of a Square Matrix 39 Exercise Set 1.5 Matrix Equations 48 Exercise Set 1.6 Determinants 54 Exercise Set 1.7 Elementary Matrices and LU Factorization 68 Exercise Set 1.8 Applications of Systems of Linear Equations 79 Exercise Set 1.8 84 Review Exercises 89 Chapter Test 90 CHAPTER 2 Linear Combinations and Linear Independence 93 2.1 Vectors in ⺢n 94 Exercise Set 2.2 Linear Combinations 101 Exercise Set 2.3 Linear Independence 111 Exercise Set 2.3 120 Review Exercises 123 Chapter Test 125 vi Revised Pages www.com Contents vii CHAPTER 3 Vector Spaces 127 3.1 Definition of a Vector Space 129 Exercise Set 3.2 Subspaces 140 Exercise Set 3.3 Basis and Dimension 156 Exercise Set 3.4 Coordinates and Change of Basis 173 Exercise Set 3.5 Application: Differential Equations 185 Exercise Set 3.5 193 Review Exercises 194 Chapter Test 195 CHAPTER 4 Linear Transformations 199 4.1 Linear Transformations 200 Exercise Set 4.2 The Null Space and Range 214 Exercise Set 4.3 Isomorphisms 226 Exercise Set 4.4 Matrix Representation of a Linear Transformation 235 Exercise Set 4.5 Similarity 249 Exercise Set 4.6 Application: Computer Graphics 255 Exercise Set 4.6 268 Review Exercises 270 Chapter Test 272 CHAPTER 5 Eigenvalues and Eigenvectors 275 5.1 Eigenvalues and Eigenvectors 276 Exercise Set 5.2 Diagonalization 287 Exercise Set 5.3 Application: Systems of Linear Differential Equations 300 Exercise Set 5.3 309 Revised Pages www.com viii Contents 5.4 Application: Markov Chains 310 Exercise Set 5.4 315 Review Exercises 316 Chapter Test 318 CHAPTER 6 Inner Product Spaces 321 6.1 The Dot Product on ⺢n 323 Exercise Set 6.2 Inner Product Spaces 333 Exercise Set 6.3 Orthonormal Bases 342 Exercise Set 6.4 Orthogonal Complements 355 Exercise Set 6.5 Application: Least Squares Approximation 366 Exercise Set 6.6 Diagonalization of Symmetric Matrices 377 Exercise Set 6.7 Application: Quadratic Forms 385 Exercise Set 6.8 Application: Singular Value Decomposition 392 Exercise Set 6.8 403 Review Exercises 404 Chapter Test 406 Appendix 409 Answers to Odd-Numbered Exercises 440 Index 479 Revised Pages www.com Preface Introduction to Linear Algebra with Applications is an introductory text targeted to second-year or advanced first-year undergraduate students. The organization of this text is motivated by what our experience tells us are the essential concepts that students should master in a one-semester undergraduate linear algebra course.

The centerpiece of our philosophy regarding the presentation of the material is that each topic should be fully developed before the reader moves onto the next. In addition, there should be a natural connection between topics. We take great care to meet both of these objec- tives. This allows us to stay on task so that each topic can be covered with the depth required before progression to the next logical one.

As a result, the reader is prepared for each new unit, and there is no need to repeat a concept in a subsequent chapter when it is utilized. Linear algebra is taken early in an undergraduate curriculum and yet offers the opportunity to introduce the importance of abstraction, not only in mathematics, but in many other areas where linear algebra is used. Our approach is to take advantage of this opportunity by presenting abstract vector spaces as early as possible. Throughout the text, we are mindful of the difficulties that students at this level have with abstraction and introduce new concepts first through examples which gently illustrate the idea.

To motivate the definition of an abstract vector space, and the subtle concept of linear independence, we use addition and scalar multiplication of vectors in Euclidean space. We have strived to create a balance among computation, problem solving, and abstraction. This approach equips students with the necessary skills and problem- solving strategies in an abstract setting that allows for a greater understanding and appreciation for the numerous applications of the subject. Linear systems, matrix algebra, and determinants: We have given a stream- lined, but complete, discussion of solving linear systems, matrix algebra, determi- nants, and their connection in Chap.

Computational techniques are introduced, and a number of theorems are proved. In this way, students can hone their problem-solving skills while beginning to develop a conceptual sense of the fun- damental ideas of linear algebra. Determinants are no longer central in linear algebra, and we believe that in a course at this level, only a few lectures should be devoted to the topic. For this reason we have presented all the essentials on determinants, including their connection to linear systems and matrix inverses, in Chap.

This choice also enables us to use determinants as a theoretical tool throughout the text whenever the need arises. ix Revised Pages www. Vectors: Vectors are introduced in Chap. 1, providing students with a familiar structure to work with as they start to explore the properties which are used later to characterize abstract vector spaces.

Linear independence: We have found that many students have difficulties with linear combinations and the concept of linear independence. These ideas are fun- damental to linear algebra and are essential to almost every topic after linear systems. When students fail to grasp them, the full benefits of the course cannot be realized. In Introduction to Linear Algebra with Applications we have devoted Chap.

2 to a careful exposition of linear combinations and linear independence in the context of Euclidean space. This serves several purposes. First, by placing these concepts in a separate chapter their importance in linear algebra is high- lighted. Second, an instructor using the text can give exclusive focus to these ideas before applying them to other problems and situations.

Third, many of the impor- tant ramifications of linear combinations and linear independence are considered in the familiar territory of Euclidean spaces. Euclidean spaces ⺢n : The Euclidean spaces and their algebraic properties are introduced in Chap. 2 and are used as a model for the abstract vectors spaces of Chap. We have found that this approach works well for students with limited exposure to abstraction at this level.

Geometric representations: Whenever possible, we include figures with geomet- ric representations and interpretations to illuminate the ideas being presented. New concepts: New concepts are almost always introduced first through concrete examples. Formal definitions and theorems are then given to describe the situation in general. Additional examples are also provided to further develop the new idea and to explore it in greater depth.

True/false chapter tests: Each chapter ends with a true/false Chapter Test with approximately 40 questions.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ