高等代数知识结构及高等反应工程试题

高等代数知识结构行列式的计算一、高等代数知识结构图行列式的计算高等代数线性代数工具线性方程组中心课题线性典范型研究范围线性空间行列式矩阵线性方程组向量相关性行列式的性质矩阵的秩矩阵的运算与逆 矩阵的初等变换线性方程组的解法及判别定理线性方程组解的结构极大线性无关组线性相关和线性无关二次型线性流形线性函数若尔当典范性化为标准型（配方法，线性方程组法，正交法）对角化正定性，合同单线性函数对称双线性函数J矩阵II-C定理矩阵的可对角化线性空间欧式空间酉空间线性空间的性质与同构，子空间的判定线性变换坐标变换与基变换特征值与特征向量可对角化及不变子空间欧式空间的性质正交化与正交补的求法正交变换与正交矩阵酉空间的性质复数域上的正交变换高等代数线性代数工具线性方程组中心课题线性典范型研究范围线性空间行列式矩阵线性方程组向量相关性行列式的性质矩阵的秩矩阵的运算与逆 矩阵的初等变换线性方程组的解法及判别定理线性方程组解的结构极大线性无关组线性相关和线性无关二次型线性流形线性函数若尔当典范性化为标准型（配方法，线性方程组法，正交法）对角化正定性，合同单线性函数对称双线性函数J矩阵II-C定理矩阵的可对角化线性空间欧式空间酉空间线性空间的性质与同构，子空间的判定线性变换坐标变换与基变换特征值与特征向量可对角化及不变子空间欧式空间的性质正交化与正交补的求法正交变换与正交矩阵酉空间的性质复数域上的正交变换多项式理论整除理论因式分解理论多项式根的理论多元多项式/对称多项式最大公因式定理互素与同于因式分解唯一性重因式复数域实数域有理数域求法判定（爱绅斯坦因）根的判别式韦达定理多项式理论整除理论因式分解理论多项式根的理论多元多项式/对称多项式最大公因式定理互素与同于因式分解唯一性重因式复数域实数域有理数域求法判定（爱绅斯坦因）根的判别式韦达定理二、高等代数知识结构内容（一）线性代数：工具：线性方程组1.行列式：1行列式的计算设有个数，排成行列的数表，即n阶行列式．这个行列式等于所有取自不同行不同列的n个元素的乘积⑴的代数和，这里是的一个排列,每一项⑴都按下列规则带有符号：当是偶排列时,⑴带正号；当是奇排列时,⑴带负号．即=，这里表示对所有级排列求和.a.行列式的性质：性质1.行列互换，行列式不变。性质2.一行的公因子可以提出来（或以一数乘行列式的一行就相当于用这个数乘此行列式。性质3.如果某一行是两组数的和，那么这个行列式就等于两个行列式的和，而这两个行列式除这一行以外与原行列式的对应行一样。性质4.如果行列式中两行相同，那么行列式为零。（两行相同就是说两行对应元素都相同)2.矩阵：a.矩阵的秩：矩阵A中非零行的个数叫做矩阵的秩。b.矩阵的运算定义同型矩阵：指两个矩阵对应的行数相等、对应的列数相等的矩阵．矩阵相等：设,,若,称.线性运算：,加法：数乘：负矩阵：减法：矩阵的乘法定义：设,其中元素的列数=的行数。的行数=的行数；的列数=的列数．与的先后次序不能改变．(5)矩阵的初等变换矩阵的等价变换形式主要有如下几种：1）矩阵的i行（列）与j行（列）的位置互换；2）用一个非零常数k乘矩阵的第i行（列）的每个元；3）将矩阵的第j行（列）的所有元得k倍加到第i行（列）的对应元上去。3.线性方程组一般线性方程组.这里所指的一般线性方程组形式为式中代表未知量，称为方程组的系数，称为常数项.线性方程组称为齐次线性方程组，如果常数项全为零，即.令，,，则可用矩阵乘法表示为，a.线性方程组的解法1)消元法在初等代数里，我们已经学过用代入消元法和加减消元法解简单的二元、三元线性方程组.实际上，这个方法比用行列式解方程组更具有普遍性.但对于那些高元的线性方程组来说，消元法是比较繁琐的，不易使用.2)应用克莱姆法则对于未知个数与方程个数相等的情形，我们有定理1如果含有个方程的元线性方程组的系数矩阵的行列式，那么线性方程组有唯一解：其中是把矩阵中第列换成线性方程组的常数项所成的矩阵的行列式，即此外，还可以叙述为，如果含有个未知数、个方程的线性方程组的系数矩阵的行列式，则线性方程组一定有解，且解是唯一的.广义逆矩阵法设.如果存在，使得，则称为矩阵的一个{1}-广义逆矩阵，记作.矩阵的{1}-逆总是存在的，但一般不是惟一的[12]，矩阵的{1}-逆的全体记为.若，为的一个{1}-广义逆矩阵，则对为任意的矩阵，矩阵的一个{1}-广义逆矩阵为,同时还可以表示为.广义逆矩阵的计算：设，且有和阶置换矩阵使得则对任意的，矩阵是的一个{1}-广义逆矩阵.若存在使得则矩阵的{1}-逆的全体设，则有惟一{1}逆的充分必要条件是，且，即可逆.这个惟一的{1}逆就是.4.向量相关性a.判断向量组线性相关的方法1)线性相关2)的对应分量成比例线性相关3)含有零向量的向量组是线性相关的4)向量组线性相关该组中至少有一个向量可由其余的向量线性表出5)部分相关则整体相关6)设向量组可由向量组线性表出,如果r>s,则线性相关；7)n+1个n维向量必线性相关(个数大于维数)8)该向量组的秩小于它所含向量的个数向量组线性相关9)n个n维的向量构成的行列式=0该向量组是线性相关的10)线性相关向量组中每个向量截短之后还相关b.判断向量组线性无关的方法1)线性无关2)的对应分量不成比例线性无关3)向量组线性无关该组中任何一个向量都不能由其余的向量线性表出4)整体无关则部分无关5)线性无关向量组中每个向量加长之后还无关6)该向量组的秩等于它所含向量的个数向量组线性无关7)n个n维的向量构成的行列式0该向量组是线性无关的(二)中心课题：线性规范型1.二次型线性流型：二次型及其矩阵表示二次型的定义：以数域P中的数为系数，关于x1，x2，…，xn的二次齐次多项式f(x1，x2，…，xn)=a11x12+2a12x1x2+…+2a1nx1xn+a22x22+…+a2nx2xn+…(3)+annxn2称为数域P上的一个n元二次型，简称二次型。矩阵的合同关系：对于数域P上的两个n阶矩阵A和B，如果存在可逆矩阵C，使得B=CTAC则称A和B是合同的，记为A~B。合同关系性质：1)反身性：A~A；2)对称性：A~B，则B~A；3)传递性：A~B，且B~C，则A~C。二次型的标准形1)实数域R(或复数域C)上的任意一个二次型都可经过系数在实数域R(或复数域C)中的非退化线性变换化成平方和形式：d1y12+d2y22+…+dnyn2其中非零系数的个数唯一确定，等于该二次型的秩。上述形式的二次型称为二次型的标准形。2)任何对称矩阵都与一个对角矩阵合同。3）复二次型的规范形：任何复系数二次型都可经过复数域C中的非退化线性变换化成如下最简形式平方和：y12+y22+…+yr2，其中r唯一确定，等于该二次型的秩。上述形式的复二次型称为复二次型的规范形。2.线性函数（三）研究范围：线性空间1.线性空间简单的说，线性空间是这样一种集合，其中任意两元素相加可构成此集合内的另一元素，任意元素与任意数（可以是实数也可以是复数，也可以是任意给定域中的元素）相乘后得到此集合内的另一元素。

1）V对加法成Abel群，即满足：（1）（交换律）x+y=y+x；（2）（结合律）（x+y）+z=x+（y+z）（3）（零元素）在V中有一元素0，对于V中任一元素x都有x+0=x；（4）（负元素）对于V中每一个元素x，都有V中的元素y，使得x+y=0；2）数量乘法满足：（5）1x=x；（6）k(lx)=(kl)x；3）数量乘法和加法满足：（7）（k+l）x=kx+lx；（8）k（x+y）=kx+ky．其中x，y，z为V中任意元素，k，l为数域F中的任意元素，1是F的乘法单位元。数域F称为线性空间V的系数域或基域，F中元素称为纯量或数量（scalar），V中元素称为向量（vector）。当系数域F为实数域时，V称为实线性空间。当F为复数域时，V称为复线性空间。V中零元素（或称0向量）是唯一的。（2）V中任一向量x的负元素（或称负向量）是唯一的。（3）kx=0（其中k是域F中元素，x是V中元素）当且仅当k=0或x=0。（4）(-k)x=-(kx)=k(-x)。2.欧氏空间定义设V是实数域R上的线性空间（或称为向量空间），若V上定义着正定对称双线性型g（g称为内积），则V称为（对于g的）内积空间或欧几里德空间（有时仅当V是有限维时，才称为欧几里德空间）。具体来说，g是V上的二元实值函1．公因式1．公因式:（1）g(x,y)=g(y,x)；满足满足:（2）g(x+y,z)=g(x,z)+g(y,z)；（3）g(kx,y)=kg(x,y)；（4）g(x,x)>=0，而且g(x,x)=0当且仅当x=0时成立。22．最大公因式:这里x,y,z是V中任意向量，k是任意实数。多项式理论1.整除理论整除：若多项式a：“f（x）”除以多项式b：“g（x）”，商为一个多项式，且余数为零多项式。我们就说a能被b整除（或说b能整除a），记作b|a，读作“b整除a”或“a能被b整除”．1）最大公因式多项式的最大公因式的定义定义（公因式与最大公因式）定义1若既是的因式，又是的因式，则称是与的公因式。因所以任意两个多项式都有公因式。2）互素如果，那么就说，即两个多项式只有零次公因式时，称为互素。的公因式，就称这两个多项式互素2.因式分解理论1）重因式定义设p(x)为不可约多项式.如果f(x)能被p(x)的k次方整除而p（x）的k+1次方不能,则称p(x)是f(x)的k重因式.若k=0,则p(x)不是f(x)的因式.若k=1,则称p(x)是f(x)的单因式.若k>1,则称p(x)是f(x)的重因式.也可以定义高阶微商的概念,一阶微商f'(x)的微商称为f(x)的二阶微商,记为f''(x).一般地,f(x)的k阶微商定义为f(x)的k-1阶微商的微商:定理如果不可约多项式p(x)是f(x)的k重因式（k≥1),那么它是f'(x)的k-1重因式.注意:该定理的逆定理一般不成立推论1：如果不可约多项式p(x)是f(x)的k(k≥1)重因式,那么p(x)分别是f'(x),f''(x)...f(k-1)(x)的k-1,k-2,...,1重因式,但不是f(k)（x）的因式.推论2：不可约多项式p(x)是f(x)的重因式的充分必要条件是p(x)为f(x)与f'(x)的公因式.推论3：多项式f(x)没有重因式的充分必要条件是(f(x),f'(x))=1.2)唯一性理论不可约多项式定义：数域P上次数的多项式p(x)称为不可约多项式，如果p(x)不能表成数域P上的两个次数比p(x)低的多项式的乘积。唯一性指：数域P上每一个次数1的多项式f(x)均可分解成数域P上一些不可约多项式的乘积。F[x]中任一个次数不小于1的多项式都可以分解为F上的不可约多项式的乘积,而且除去因式的次序以及常数因子外，分解的方法是惟一的。当F是复数域C时，根据代数基本定理，可证C[x]中不可约多项式都是一次的。因此，每个复系数多项式都可分解成一次因式的连乘积。当F是实数域R时，由于实系数多项式的虚根是成对出现的，即虚根的共轭数仍是根，因此R[x]中不可约多项式是一次的或二次的。所以每个实系数多项式都可以分解成一些一次和二次的不可约多项式的乘积。实系数二次多项式αx2+bx+с不可约的充分必要条件是其判别式b2-4αс<0。当F是有理数域Q时，情况复杂得多。要判断一个有理系数多项式是否不可约，就较困难。应用本原多项式理论，可把有理系数多项式的分解问题化为整系数多项式的分解问题。一个整系数多项式如其系数是互素的,则称之为本原多项式。每个有理系数多项式都可表成一个有理数及一个本原多项式的乘积。关于本原多项式有下述重要性质。高等反应工程试题计算题1.某一级不可逆气-固催化反应,其反应速率为当时,若要求催化剂内扩散对总速率基本上不发生影响,问催化剂历经如何改变。已知De=10-3cm2/s。解：若要求催化剂内扩散对总速率基本上不发生影响，即即2.用直径为6mm的球形催化剂进行一级不可逆反应A→P+R。气相主体中A的摩尔分率为yA=0.5，操作压力p=0.10133MPa，反应温度T=500℃。已知单位体积床层的反应速率常数为0.333s-1，床层空隙率为0.5，组分A在颗粒内有效扩散系数为0.00296cm2/s，外扩散传质系数为40m1）催化剂内部效率因子为多少？内扩散影响是否严重？2）催化剂外表面浓度为多少？外扩散影响是否严重？3）计算表观反应速率。解：1）显然内扩散影响严重。2）表观反应速率为显然，外扩散影响不严重。3）外扩散影响是否严重3.在一列管式固定床反应器中进行邻二甲苯氧化制苯酐。已知该反应器所用列管内径为25mm，反应器进料氧和邻二甲苯的摩尔分数分别为21%和1%，反应器平均压力为0.11MPa，熔盐温度为375℃反应热（-△H）=1283kJ/mol，床层堆密度ρb=1300kg/m3，径向有效导热系数λer=2.