线性代数几何背景及应用

线性代数几何背景及应用第一页，共四十八页，编辑于2023年，星期三一、方程及方程组的几何意义二元一次方程在几何上表示的是一根直线，则两个二元一次方程组在几何上则表示两根直线的位置关系：

相交====〉有惟一解平行====〉无解重合====〉无穷多解

例1

求解下列三个线性方程组

（a）

（b）（c）第二页，共四十八页，编辑于2023年，星期三用ezplot(s1),holdon,ezplot(s2),命令可以解出结果如下图其中s1和s2分别为方程的字符串表达式第三页，共四十八页，编辑于2023年，星期三

若有三个二元一次方程或更多个数的二元一次方程，代数上称之为“超定方程”，一般是不相容的和无解的，几何中平面上三根或更多根直线很难交于一点。

例2求解方程组用图解法解例2

第四页，共四十八页，编辑于2023年，星期三

三元一次方程在几何上表示平面，从而两个三元一次方程构成的方程组表示两个平面的交线，三个三元一次方程构成的方程组两两联立求交线，得到两个二元一次方程，对于求得两根交线在xoy面上的投影。求得两根交线的交点即为方程组的解。若三个平面不重合且没有交线或交点，则表示该方程组无解。如下例。

第五页，共四十八页，编辑于2023年，星期三例3求解下列线性方程组，并画出三维图形来表示解的情况。（1）；（2）；（3）；（4）第六页，共四十八页，编辑于2023年，星期三利用MATLAB的M文件编辑器绘图可得：

图3三元非齐次线性方程组解的几何意义第七页，共四十八页，编辑于2023年，星期三

从图3中可以看出：方程组（1）的解为三个平面的交点，故该方程组有唯一解；方程组（2）的三个平面刚好相交于同一条直线，这个齐次线性方程组有无穷多解，即解空间是一维的。方程组（3）的三个平面没有共同的交点。即方程组无解。方程组（4）也无解。

第八页，共四十八页，编辑于2023年，星期三

推广之后，更多元的线性代数方程组，则表示更高维空间内的方程组，虽然很难想象直观的几何图形，但关于方程的基本概念是一脉相承的，涉及到计算就是从几何概念过渡到代数概念。如：阶数、维数等概念。第九页，共四十八页，编辑于2023年，星期三二、行列式的几何意义二维已知向量由向量和所构成的平行四边形的面积为行列式的绝对值第十页，共四十八页，编辑于2023年，星期三三维已知三个向量

由这三个向量所构成的平行六面体的体积即为

三阶行列式的绝对值

如图

第十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期三三、平面上线性变换的几何意义例3

已知向量，

矩阵，，，

，。请分析经过线性变换后，向量与原向量的几何关系。第十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期三绘制图形如下图所示：

图4线性变换的几何意义第十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期三

从图4中可以看出：矩阵对进行线性变换的结果为向量的竖直轴对称向量；矩阵对进行线性变换的结果为向量的水平轴对称向量；矩阵对进行线性变换的结果为把向量的横坐标乘以0.5，把的纵坐标乘以2得到的向量；矩阵对进行线性变换的结果为把向量按顺时针方向旋转所得到的向量。第十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期三

例4：设x为二维平面上第一象限中的一个单位方块，其四个顶点的数据可写成把不同的A矩阵作用于此组数据，可以得到多种多样的结果yi=Ai*x。用程序ag911进行变换计算，并画出x及yi图形：

x[0,1,1,0;0,0,1,1]; subplot(2,3,1),

fill([x(1,:),0],[x(2,:),0],'r') A1[1,0;0,1],y1A1*x subplot(2,3,2),

fill([y1(1,:),0],[y1(2,:),0],'g')第十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期三绘制几何图形可得：第十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期三

使用MATLAB时，行列式用Di=det(Ai)求得，特征值和特征向量则用[pi,lamdai]=eig(Ai)计算，算得的结果如下：第十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期三关于笔算与机算的结合

①矩阵的赋值和其加、减、乘、除（求逆）命令；②矩阵化为最简行阶梯型的计算命令；[U0,ip]=rref(A)③多元线性方程组MATLAB求解的几种方法；x=inv(A)*b,U=rref(A)④行列式的几种计算机求解方法；D=det(A),[L,U]=lu(A);D=prod(diag(U))⑤n个m维向量组的相关性及其秩的计算方法和命令;r=rank(A),U=rref(A)⑥求线性方程组的基础解系及方程解的MATLAB命令；xb=null(A)⑦矩阵的特征方程、特征根和特征向量的计算命令；f=poly(A);[P,D]=eig(A)⑧化二次型为标准型的MATLAB命令；yTDy=xTAx;其中y=P-1x,第十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期三解高阶线性方程组的方法解右列方程组AX=b可有多种方法,如(1)X=A\b(2)化为行最简型A=[3,-4,2,2,-1;0,-6,0,-3,-3;4,-3,4,3,-2;1,2,1,0,-5;-2,6,-2,1,3]b=[2;-3;2;-2;1];X=inv(A)*b,pauseC=[A,b],[Uc,ip]=rref(C)第十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期三应用一：线性方程组与矩阵1.1插值多项式例1给定t-y平面上的三个点(1,2),(2,3)和(3,6)，求过这三点的二次多项式函数：解：本题归结为求a,b,c三个系数，使它们满足下列各方程第二十页，共四十八页，编辑于2023年，星期三

这是典型的三元线性方程组，用Matlab时，键入：>>B=[1,1,1,2;1,2,4,3;1,3,9,6];x=rref(B)得到x=1003010-2 0011第二十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期三

x矩阵的最后一列即为a，b，c的值，则待求二次多项式为：例2下表给出函数上4个点的值，试求三次插值多项式 ，并求的近似值。ti0123f(ti)30-16第二十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期三解：令三次多项式函数过表中已知的4点，可以得到四元线性方程组：应该用计算机求解，键入：>>A=[1,0,0,0;1,1,1,1;1,2,4,8;1,3,9,27],b=[3;0;-1;6],s=rref([A,b])第二十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期三得到x=100030100-20010-200011得到，三次多项函数为,故近似等于第二十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期三1.2平板稳态温度的计算

在钢板热传导的研究中，常常用节点温度来描述钢板温度的分布。例3

假设图1中钢板已经达到稳态温度分布，上下、左右四个边界的温度值如图所示，而表示钢板内部四个节点的温度。若忽略垂直于该截面方向的热交换，那么内部某节点的温度值可以近似地等于与它相邻四个节点温度的算术平均值，如。请计算该钢板的温度分布。第二十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期三图1平板的温度分布解：根据已知条件可以得到以下线性方程组：化简为标准的矩阵形式如下：第二十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期三

在MATLAB命令窗口输入：

A=[4,-1,-1,0;-1,4,0,-1;-1,0,4,-1;0,-1,-1,4];b=[30;50;60;80];U=rref([A,b])第二十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期三结果为：U=1.000000021.250001.00000026.2500001.0000028.75000001.000033.7500得到方程组的解为：℃，℃，℃，℃。在例3中，把钢板内部分成了2×2个节点，本例把钢板内部分为5×5个节点，如图2所示。求钢板的稳态温度分布，并绘制温度分布图形。第二十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期三

钢板的温度分布如图3所示。其中x、y坐标分别表示钢板横、纵方向的节点数，高度表示节点的温度值，该三维图形形象地反映了钢板的温度分布。图3钢板的温度分布第二十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期三

1.3交通流量的分析例4某城市有两组单行道，构成了一个包含四个节点A,B,C,D的十字路口，如图2所示。汽车进出十字路口的流量（每小时的车流数）标于图上。现要求计算每两个节点之间路段上的交通流量。（假设，针对每个节点，进入和离开的车数相等）图2单行道4节点交通流图第三十页，共四十八页，编辑于2023年，星期三解：根据已知条件可以得到，四个节点的流通方程为节点A：节点B：节点C：节点D：将以上方程组进行整理，得第三十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期三Matlab程序ea110为

>>A=[1,-1,0,0;0,1,-1,0;0,0,1,-1;-1,0,0,1]>>b=[160;-40;210;-330]>>U0=rref([A,b])

可以得出其最简行阶梯形矩阵

由于U0的最后一行为全零，也就是说，四个方程中实际上只有三个独立方程，所以该方程组为欠定方程，存在无穷多组解。第三十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期三若以

为自由变量，方程组的解可以表示为：

如果有一些车围绕十字路的矩形区反时针绕行，流量。都会增加，但并不影响出入十字路的流量。这就是方程组有无穷多解的原因。第三十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期三人口迁徙问题例5假设一个城市的总人口数是固定不变，但人口的分布情况变化如下：每年都有5％的市区居民搬到郊区；而有15％的郊区居民搬到市区。若开始有700000人口居住在市区，300000人口居住在郊区。请利用分析：（1）10年后市区和郊区的人口各是多少？（2）30年后、50年后市区和郊区的人口各是多少？（3）分析（2）中数据相似的原因。第三十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期三解：这个问题可以用矩阵乘法来描述。令人口变量其中为市区人口所占比例，为郊区人口所占比例。在n+1年的人口分布状态为：用矩阵乘法可写成：

第三十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期三开始市区和郊区的人口数为

可以得到n年后市区和郊区的人口分布：因此10年后的人口可用程序计算如下：A=[0.95,0.15;0.05,0.85];X0=[700000;300000];X10=A^10*X0程序运行的结果为：市区和郊区人口数约为：744630和255370。第三十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期三无限增加时间n，市区和郊区人口之比将趋向一组常数0.25/0.75。为了弄清为什么它趋向于一个稳态值，可以将A对角化。令，其中Λ为对角矩阵，则有对角矩阵的幂次可以化为元素的幂次

所以，它就很容易计算。

第三十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期三程序la24%分析n年后城市人口分布A=[0.95,0.15;0.05,0.85];X0=[700000;300000];[P,lamda]=eig(A);symsn%定义符号变量nXn=P*lamda.^n*inv(P)*X0%.^n对矩阵lamda中所有元素进行幂运算计算结果为：随n增大后一项(4/5)^n趋近于零。第三十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期三多项式插值与拟合例6下表给出了平面坐标系中五个点的坐标。（1）请过这五个点作一个四次多项式函数，并求x=5时的函数值。用MATLAB绘制多项式函数曲线、通过已知点及插值点。（2）请根据这五个点，拟合一个二次多项式函数，并用MATLAB绘制多项式函数曲线及已知的五个点。x01234y-270210-75第三十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期三解：（1）根据已知条件，把五个点的坐标值分别代入四次多项式函数，可以得到如下线性方程组：其中矩阵：第四十页，共四十八页，编辑于2023年，星期三系数矩阵A的行列式为范德蒙(Vandermonde)行列式，且五个坐标点的横坐标各不相同，则该行列式不等于零，所以方程组有唯一解。写出程序：x=[0;1;2;3;4];%输入已知点坐标y=[-27;0;21;0;-75];%构造范德蒙矩阵，也可用内置的vander函数A=[x.^0,x.^1,x.^2,x.^3,x.^4];a=A\y;%得到适定方程组的唯一解a，运行程序，得到a(1)=-27,a(2)=12,a(3)=26,a(4)=-12,a(5)=1第四十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期三多项式拟合要解一个超定方程把五个点的坐标值分别代入二次多项式函数，可以得到如下线性方程组：其中，第四十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期三该方程组有三个未知数，但有五个方程，进一步分析可以得到该方程组无解，即不存在一个二次多项式曲线刚好能过已知的五个点。MATLAB软件提供了一个利用最小二乘法解决超定方程组解的方法。求系数的公式也是a=A\y，以找到一条二次曲线来近似地描述已知5点的变化情况。对比插值和拟合的曲线如下图第四十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期三刚体的平面运动例7用平面坐标系中的一个闭合图形来描述刚体，用一个矩阵X来表示它。X的一列表示刚体一个顶点的坐标。为了使图形闭合，X的最后一列和第一列相同；为了实现刚体的平移运算，给矩阵X添加元素值都为1