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Topos Uranos

摘要

本课开启课程的第四单元,该单元讨论矩阵与代数结构。它介绍组成本单元的七节课以及贯穿其中的主线:线性方程组的系数表变成具有自身运算的对象,行列式判定系数矩阵为方阵的方程组何时有唯一解,逆矩阵一举求出这个解,矩阵被解读为平面变换,复数作为一族矩阵重新出现,而所有这些计算的共同之处凝结为代数意义上的群、环与域的概念。它回顾这些思想的历史背景,从《九章算术》到凯莱、伽罗瓦和诺特;准确地提出催生这些思想的两个问题,即线性方程组的求解与多项式方程的根式求解;并指出这些思想在哪里再次得到运用:在本课程中,特别是在作为课程结尾的空间解析几何中,在本站的其他课程中,以及在科学与技术中。

学习目标

  1. 描述本单元各课的顺序,并解释每一课对研究线性方程组、平面变换和代数结构的贡献。
  2. 把矩阵、行列式和群的概念放到其历史背景中,并说出每个概念当初所要解决的问题。
  3. 把一个含三个未知量的经典问题写成矩阵方程,并用消元法和行列式求解。
  4. 以二次方程为例,解释为什么对方程根的置换的研究导向了群的概念,并指出矩阵与代数结构的当代应用。

入门测评

在学习本单元之前,先测一测自己的起点是有益的。前九道题涉及七节内容课,其中两节核心课,即关于行列式的课与关于逆矩阵的课,各出两道题;第十道题是一道建模题,要求用矩阵乘法为一个实际情境建立数学表述;同样的技能会在最后的总结课中再次测量。最后三道题检查本单元默认已从课程 I 以及关于复数的极坐标形式的单元中掌握的内容。这份自测不计分数:它的作用是让人知道自己掌握了什么、该在哪里停下来细看。

入门测评

开始本单元之前,先测一测你的起点。这是一次简短的自我测评:不计分,结果只保存在你的浏览器中。

  1. 第 1 题设 A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix},B=(0121)B = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}。乘积 ABAB 是什么?

  2. 第 2 题考虑方程组 x+y+z=1x + y + z = 1、x+2y+3z=2x + 2y + 3z = 2 与 2x+3y+4z=k2x + 3y + 4z = k。kk 取哪些值时它相容?此时它有多少个解?

  3. 第 3 题计算行为 (2,1,1)\left( 2, 1, 1 \right)、(1,3,−1)\left( 1, 3, -1 \right) 与 (0,1,4)\left( 0, 1, 4 \right) 的矩阵的行列式。

  4. 第 4 题设 AA 是 33 阶矩阵,且 det⁡A=2\det A = 2。det⁡(3AT)\det\left( 3 A^{\mathsf{T}} \right) 等于多少?

  5. 第 5 题矩阵 A=(3512)A = \begin{pmatrix} 3 & 5 \\ 1 & 2 \end{pmatrix} 的逆矩阵是什么?

  6. 第 6 题设 AA、BB 与 CC 是同阶方阵,且 AA 与 BB 可逆。方程 AXB=CAXB = C 的解是什么?

  7. 第 7 题把每个向量绕原点按逆时针方向旋转四分之一周、然后关于横轴反射的平面变换,其矩阵是什么?

  8. 第 8 题设 M(z)M(z) 是乘以复数 zz 的矩阵。计算 det⁡M(3−4i)\det M(3 - 4i)。

  9. 第 9 题下列集合连同所给的运算,哪一个是群?

  10. 第 10 题某城市的市中心有 600600 千名居民,郊区有 400400 千名居民。每年,市中心百分之 1010 的居民迁往郊区,郊区百分之 2020 的居民迁往市中心;此外没有人迁入或迁出。若这些比例保持不变,两年后市中心将有多少千名居民?

  11. 第 11 题来自前面的单元用克拉默法则解方程组 2x+3y=72x + 3y = 7,x−y=1x - y = 1,并给出 xx 的值。

  12. 第 12 题来自前面的单元求 44 模 99 的逆元,即余数 xx(介于 00 与 88 之间),它满足 4x≡1(mod9)4x \equiv 1 \pmod{9}。

  13. 第 13 题来自前面的单元1+i31 + i\sqrt{3} 的极坐标形式是什么?