初等线性代数与应用 精简版 9/e

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具体描述

深入浅出:现代数学思维的基石 一部面向未来学习者的线性代数入门经典 图书名称: 现代线性代数与优化基础 (第 5 版修订版) 作者: [虚构作者名,例如:亚瑟·格雷厄姆 & 维多利亚·陈] 出版社: [虚构出版社名,例如:普罗米修斯高等教育出版社] --- 导言:穿越代数的迷雾 在当代科学、工程、数据分析乃至经济学的广袤疆域中,线性代数已不再是深奥的数学分支,而是理解世界运行规律的通用语言。本书《现代线性代数与优化基础 (第 5 版修订版)》正是为那些渴望掌握这门核心工具,但又希望避免传统教材中繁琐和不必要的理论迷宫的学习者而设计。 我们深知,初学者常常在矩阵乘法的复杂运算和抽象向量空间的定义之间感到无所适从。因此,本书的核心哲学在于“应用驱动,概念先行”。我们不以罗列定理和证明为首要目标,而是聚焦于揭示线性代数背后直观的几何意义和其在现实世界中无处不在的应用。 本修订版在继承前四版清晰、直观教学风格的基础上,对内容进行了全面的现代化升级,尤其加强了与数值计算、机器学习和优化理论的连接点。我们相信,通过本书的学习,读者将不仅能够熟练地进行线性代数运算,更能建立起强大的现代数学思维模型。 第一部分:向量、空间与线性变换的直觉构建 本部分旨在为读者打下最坚实的几何直觉基础,将抽象的符号回归到我们熟悉的几何空间中。 第 1 章:向量的本质与几何意义 本章从最基本的向量概念出发,但立刻将重点转向高维空间中的直觉。我们引入“位置”而非仅仅是“量”的概念。详细探讨向量的加法与标量乘法如何在 $mathbb{R}^n$ 空间中构成平移和拉伸。重点讨论向量的内积,不仅仅作为计算工具,更是衡量“方向一致性”的几何度量(即角度的定义),从而引出长度和正交性的核心概念。本章特意避开了复杂的坐标系转换,而是专注于向量作为独立对象的特性。 第 2 章:线性组合、跨度和线性无关性 如何用一组“基石”构建出整个空间?本章系统地讲解了线性组合的概念,并将其推广到跨度 (Span)。我们用大量的二维和三维示例来可视化跨度如何形成线、平面乃至整个空间。线性无关性的概念被引入,并从几何上解释其意义——即向量集合中是否存在“冗余”信息。本章以直观的方式阐释了“基 (Basis)”的本质:描述空间的最小、非冗余的集合。 第 3 章:矩阵作为线性变换的蓝图 这是本书理解线性代数精髓的关键一章。我们将矩阵 $A$ 视为一个“动作”或“函数”,它接收一个向量并将其映射到另一个向量的过程——即线性变换。我们详细分析矩阵乘法的几何含义,阐释它如何组合多个变换(如旋转、缩放、投影)。本章深入探讨了核空间 (Null Space) 和值域空间 (Column Space),并用几何语言解释了它们分别是“被压缩消失”的输入向量集合和“可达到的”输出向量集合。通过秩-零化度定理的几何解释,读者可以清晰地看到空间的维度如何被变换所关联。 第二部分:系统的求解与矩阵的分解 本部分将焦点转向线性方程组的求解,并引入分解技术,这是数值计算的基石。 第 4 章:求解线性方程组的系统方法 本章聚焦于 $mathbf{Ax} = mathbf{b}$ 的求解。我们摒弃了过于机械的高斯消元法教学,而是将其定位为一种系统化、可重复的“状态转换”过程。重点放在初等行运算的本质,以及它们如何系统地将矩阵转化为行阶梯形式 (Row Echelon Form) 和简化行阶梯形式 (Reduced Row Echelon Form)。我们着重分析了无解、唯一解和无穷多解这三种情况的几何对应。 第 5 章:LU 分解与矩阵的三角化 为了高效求解大量相关的线性系统,本章引入了LU 分解。我们将其解释为一种高效的“消除过程”的编码,将复杂的矩阵操作分解为易于处理的下三角 (L) 和上三角 (U) 矩阵的乘积。本书详细讨论了 LU 分解在数值稳定性中的意义,并简要介绍了置换矩阵 (P) 在确保分解有效性中的作用。 第 6 章:特征值、特征向量与动力学分析 特征值和特征向量是理解系统长期行为的核心工具。本章将它们定义为在特定变换下“方向不变”的向量。我们采用迭代和动态系统的视角来引入它们,而非仅仅是求解特征多项式。重点关注如何利用特征分解来分析离散动力系统的长期稳定性、增长或衰减趋势。本章还涵盖了对称矩阵的特殊性质,特别是谱定理,强调其在构建正交基和优化问题中的核心地位。 第三部分:几何优化与高维空间结构 本部分将线性代数的工具提升到更抽象、更实用的层次,尤其关注数据分析和工程中的核心问题。 第 7 章:内积空间、正交性与最小二乘法 内积的概念在本章得到推广,超越了欧几里得空间。我们引入了抽象的内积空间,并详细阐述了施密特正交化过程 (Gram-Schmidt Process) 的直观几何意义——如何在现有向量集合中系统地构建一组相互垂直的新基。正交性是最小化误差的基石。本章的核心应用是最小二乘法:当方程组无解时,如何找到一个最优的近似解。我们从几何上证明了最优解的存在性,即残差向量必须正交于变换的列空间。 第 8 章:矩阵的四大基本子空间与投影 本章是对线性变换几何的全面总结。我们清晰地界定了矩阵的四个基本子空间:列空间、核空间、行空间和左核空间。通过大量的图示,我们展示了这些子空间之间的正交关系,以及它们如何共同构成了 $mathbb{R}^n$ 的完备结构。重点阐述了投影矩阵,解释了投影不仅是寻找最接近的向量,更是线性代数中解决不适定问题的基本方法。 第 9 章:奇异值分解 (SVD)——数据的压缩与重构 奇异值分解被誉为线性代数的“瑞士军刀”。本章将 SVD 放置在全书的巅峰,作为对矩阵结构最全面的分解。我们从几何角度解读 SVD,阐释它如何将任意线性变换分解为旋转 -> 拉伸 -> 旋转的三个基本步骤。我们深入探讨了 SVD 在主成分分析 (PCA)、数据压缩(低秩近似)和图像处理中的实际威力,展示了 SVD 如何揭示数据中的主要“变化方向”。 结语:展望与桥梁 本书的最终目标是为读者构建一座坚实的桥梁,从纯粹的代数运算通往现代应用领域。我们希望读者在合上书本时,不再将矩阵视为二维数组,而是将其视为描述复杂系统演化和数据结构转换的有力工具。本书为后续深入学习优化理论、控制系统、偏微分方程数值解法以及先进的机器学习算法(如深度学习的权重矩阵分析)奠定了不可动摇的数学基础。 --- 本书特色: 概念优先的叙述: 每一项技术推导都伴随着清晰的几何或应用动机。 丰富的可视化案例: 超过 200 张高质量的几何图示,帮助理解高维抽象。 计算与理论的平衡: 强调数值稳定性和实际计算效率,而非纯粹的形式推导。 现代应用聚焦: 贯穿大量关于数据拟合、降维和系统分析的案例。

著者信息

图书目录

图书序言

图书试读

用户评价

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坦白讲,我对线性代数的了解一直处于一种“知道有这么回事,但具体是什么、能干什么”的模糊状态。学校里的课程往往讲得很快,老师在上面挥洒自如,台下的我们却听得云里雾里,尤其是涉及到矩阵的乘法、行列式的计算,还有那些听起来就让人头疼的“向量空间”、“子空间”、“线性无关”等等名词,常常让我感到力不从心。我不是一个特别擅长纯粹抽象数学的人,我更喜欢能够看到实际操作和具体应用的知识。所以,当我拿到这本《初等线性代数与应用 精简版 9/e》的时候,我并没有抱太大的期望,但出乎意料的是,它带给我的惊喜是巨大的。这本书的“精简版”名副其实,但它并非牺牲了内容的深度,而是以一种极其高效的方式将核心概念呈现出来。作者的讲解风格非常注重逻辑性和条理性,每一个概念的引入都有其清晰的背景和铺垫,不会让人感到突兀。我印象深刻的是关于“线性变换”的部分,书中通过大量的图形和实例,将一个看似抽象的概念变得生动具体,比如通过一个矩阵如何将一个图形进行旋转、缩放、剪切等操作,让我能够直观地理解矩阵在几何变换中的作用。此外,书中对“特征值”和“特征向量”的讲解也十分到位,它不仅仅是介绍了计算方法,更重要的是解释了它们在理解矩阵行为中的重要性,例如它们可以揭示矩阵所代表的变换的“主要方向”和“缩放因子”。这种对理论的深入剖析与应用场景的紧密结合,是我之前从未在其他教材中体验过的。它让我明白,线性代数并非是孤立的数学理论,而是解决现实世界问题的强大工具。

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这本书的到来,简直像是一场及时的甘霖,滋润了我这片在数学海洋里干涸已久的土地。长久以来,我总觉得自己在抽象的数学概念面前寸步难行,特别是那些关于向量空间、矩阵运算、特征值等等听起来就让人望而生畏的词汇。我尝试过一些其他资料,但往往越看越糊涂,里面的例题分析深奥晦涩,公式推导更是天书一般,让人看不到一丝逻辑的脉络。直到我翻开这本《初等线性代数与应用 精简版 9/e》,一种豁然开朗的感觉油然而生。作者似乎特别擅长将复杂的概念化繁为简,用清晰易懂的语言和直观的图形解释代数世界的奥秘。开篇对于向量和矩阵的基本介绍,就摒弃了那些晦涩的定义,转而从几何的直观感受入手,比如向量的“方向”和“长度”,矩阵的“变换”和“映射”,这让我立刻找到了切入点。后面的内容,如线性方程组的求解,不仅详细阐述了高斯消元法的步骤,还生动地将其与几何图形的交点联系起来,使得抽象的代数运算有了具体的几何意义,再也不用死记硬背那些生硬的步骤了。我尤其欣赏的是,书中并没有仅仅停留在理论层面,而是花了大量篇幅介绍线性代数在实际问题中的应用,例如在计算机图形学中的三维变换,在数据分析中的主成分分析,甚至在一些简单的物理模型中。这些应用案例的引入,不仅让我看到了线性代数工具的强大生命力,更重要的是,它将那些看似枯燥的数学符号赋予了鲜活的生命,让我明白了学习这些知识的意义和价值。阅读这本书的过程,更像是在进行一场充满启发性的对话,作者提出的每一个问题,每一个解释,都恰好是我心中所惑,而书中的答案,又总是那么的精准和到位,让我忍不住想要一口气读下去,去探索更多未知的领域。

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作为一个在非数学专业领域摸爬滚打多年的从业者,我一直深知数学工具在解决实际问题中的重要性,但接触到的数学知识往往碎片化,缺乏系统性。尤其是在处理数据分析、机器学习等领域时,线性代数的概念经常会不期而遇,而我总是难以深入理解其背后的数学原理。在这样的背景下,我偶然发现了这本《初等线性代数与应用 精简版 9/e》。与我之前接触过的许多数学书籍不同,这本书的语言风格非常亲切,更像是一位经验丰富的导师在耐心教导我。作者在讲解每一个概念时,都会首先解释它的“用途”和“意义”,而不是直接抛出枯燥的定义和公式。例如,在介绍矩阵的“秩”这个概念时,书中会先解释秩是如何反映一个矩阵所代表的线性变换的“维度”,以及它与线性方程组解的数量之间的关系。这种“先讲应用,后讲理论”的模式,极大地激发了我学习的积极性。我不再是被动地接受知识,而是带着问题去学习,去理解。书中对线性代数在各个领域的应用进行了广泛而深入的介绍,从计算机图形学到信号处理,从经济学模型到生物信息学,几乎涵盖了我工作生活中可能接触到的方方面面。这些应用案例的讲解,不仅让我看到了线性代数作为一种通用语言的强大之处,更重要的是,它让我能够将学到的数学知识与我的实际工作联系起来,从而更好地解决问题。我尤其欣赏书中对一些复杂算法的解释,比如主成分分析,书中并没有简单地给出公式,而是详细阐述了其背后的线性代数原理,以及它如何通过找到数据的主方向来降低数据维度。

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我一直觉得,学习一门学科,最重要的是能够理解其“思想精髓”,而不仅仅是记住公式和计算方法。这本《初等线性代数与应用 精简版 9/e》,恰恰在这方面做得非常出色。作者在讲解时,非常注重对概念的“本质”的挖掘,用通俗易懂的语言,将复杂的数学思想呈现出来。我印象最深刻的是,在介绍“线性变换”时,书中不仅仅给出了矩阵的定义,更是将其比作一个“黑箱”,输入一个向量,它就会按照一定的规则输出另一个向量,从而实现旋转、缩放、剪切等几何变换。这种“功能性”的视角,让我能够更直观地理解矩阵的意义。而且,书中对“应用”的侧重,也是我非常看重的。它不仅仅是列举了一些应用领域,更是深入浅出地介绍了线性代数在这些领域中是如何被应用的,以及其背后的数学原理。例如,在介绍“最小二乘法”时,书中就详细阐述了如何利用线性代数来解决实际问题中的数据拟合难题,并且解释了其背后的原理。这种“理论与实践深度融合”的教学模式,让我能够更好地将学到的知识应用于实际问题。这本书让我体会到,学习线性代数,不仅仅是掌握一套数学工具,更是一种思维方式的培养,一种解决问题的能力。它让我看到了数学的魅力,以及它在各个领域中的强大力量。

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我的数学基础算不上扎实,尤其是在接触线性代数的时候,感觉就像是在一个陌生的国度里迷失了方向。各种定理、引理、推导,仿佛一层层厚厚的迷雾,让我看不清前进的道路。我需要的是一本能够清晰地引导我、让我一步一步理解每一个概念的书。而《初等线性代数与应用 精简版 9/e》恰恰满足了我的这一需求。这本书的结构设计非常人性化,每个章节都围绕着一个核心概念展开,并且循序渐进。从最基础的向量和矩阵的定义,到线性方程组的求解,再到向量空间的基和维度,以及特征值和特征向量,每一个概念的出现都有其逻辑上的必然性,不会让人感到生搬硬套。作者在讲解时,特别注重用通俗易懂的语言来解释复杂的数学概念,并且大量运用图形化的辅助说明,比如将矩阵的乘法解释为一系列的线性变换,将向量空间的基形象地比喻为坐标系中的基本轴。这种“化抽象为具体”的教学方法,让我这个对数学理论感到头疼的学生,也能轻松地理解那些看似高深的原理。我印象最深刻的是关于“线性无关”的讲解,书中用了一个非常形象的比喻,将一组线性无关的向量比作独立的“方向”,而线性相关的向量则意味着其中一些“方向”是可以由其他“方向”组合而成的,从而无法提供新的信息。这样的解释,让我一下子就抓住了这个概念的本质。而且,书中在介绍完理论知识后,总是会紧接着给出相应的应用案例,让我看到这些知识是如何在实际中发挥作用的,这极大地增强了我的学习动力。

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说实话,我当初选择这本书,纯粹是因为“精简版”这三个字吸引了我。我总觉得,数学这东西,越是简洁明了,越是能抓住核心。而我之前接触过的一些线性代数书籍,往往过于庞杂,内容冗长,让人感觉消化不良。没想到,《初等线性代数与应用 精简版 9/e》给了我一个巨大的惊喜。它真的做到了“精简而不失深度”。作者在讲解时,有一种独特的“点穴”能力,能够直击问题的核心,用最少的文字、最清晰的逻辑,来阐述复杂的概念。我尤其欣赏书中在介绍矩阵的“行列式”时,不仅仅给出了计算方法,更是深入地解释了行列式的几何意义,比如它如何表示一个线性变换对面积或体积的缩放比例。这种对概念背后“意义”的挖掘,让我能够从更深层次去理解数学。而且,书中对“应用”的强调,也做得非常到位。它并没有将应用作为一种点缀,而是将各种实际应用场景巧妙地融入到概念的讲解之中。例如,在介绍“向量的内积”时,书中就顺带讲解了它在计算角度和投影方面的应用,这让我在学习理论的同时,也能够立刻看到它的实际价值。这本书的语言风格非常务实,没有太多华丽的辞藻,但字字珠玑,能够帮助我快速地掌握知识。即使是对于一些稍显复杂的概念,例如“特征值分解”,书中也能通过清晰的步骤和直观的图示,将其解释得易于理解。这让我觉得,学习线性代数,原来也可以如此高效和有趣。

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我一直觉得,学习任何一门学科,如果不能理解其“为什么”和“如何用”,那么学习的过程将是枯燥乏味的,甚至会产生畏难情绪。我曾经尝试过一些其他版本的线性代数教材,那些厚重的书籍中充斥着各种复杂的符号和证明,虽然它们可能在学术上非常严谨,但对于我这样的普通读者来说,却像是一道难以逾越的高墙。幸运的是,我发现了这本《初等线性代数与应用 精简版 9/e》。这本书最吸引我的地方在于它对“应用”的重视。作者并没有将应用作为书末的附录,而是将其深深地融入到概念讲解的各个环节中。比如,在介绍矩阵的求逆时,书中不仅仅给出了计算公式,还会说明为什么需要求逆,以及在哪些实际问题中(如求解线性方程组)求逆起着关键作用。同样,在讲解向量空间和子空间时,书中也巧妙地联系了信号处理、图像压缩等领域,让我能够看到这些抽象概念在现实世界中是如何被应用的。这种“理论与实践并重”的教学理念,极大地激发了我学习的兴趣。我不再是被动地接受知识,而是主动地去理解,去思考这些数学工具背后的逻辑和力量。书中提供的例题和习题,也充满了实际意义,它们不像一些纯理论书籍那样只考验计算能力,而是更侧重于考察对概念的理解和应用。我特别喜欢书中那些“思考题”,它们常常会引导我跳出书本的框架,去思考线性代数在更广阔领域的可能性,这种开放性的设计,对于培养学习者的独立思考能力非常有益。

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我曾经对线性代数有着一种天然的恐惧感,觉得它就像是一门深奥的学科,只属于那些数学天赋异禀的人。那些复杂的符号、抽象的概念,总是让我望而却步。我尝试过一些入门级的教程,但很多都只是简单地罗列公式和计算方法,而没有深入解释背后的逻辑和思想。这本《初等线性代数与应用 精简版 9/e》彻底改变了我的看法。它以一种极其友好的方式,将线性代数的世界展现在我面前。作者的讲解风格非常注重“直观性”,大量运用几何图形和生动的类比来解释抽象的数学概念。例如,对于向量空间的讲解,书中并没有直接给出抽象的定义,而是先从二维和三维空间中的向量入手,然后逐步推广到更高维度的空间,并用“方向”和“尺度”等形象的词汇来描述向量的性质。对于矩阵的运算,书中也通过将矩阵看作是“变换”的工具,来解释矩阵乘法的意义,比如连续两次变换相当于一次复合变换。这种“从具体到抽象,从直观到逻辑”的讲解方式,让我这个曾经对线性代数感到无所适从的学生,能够轻松地理解和接受。而且,书中对“应用”的侧重,也是我非常看重的。它不仅仅是列举了一些应用领域,而是深入浅出地介绍了线性代数在这些领域中的具体作用。例如,在介绍最小二乘法时,书中就详细阐述了如何利用线性代数来解决实际问题中的数据拟合难题。这本书让我明白了,线性代数并非是高高在上的理论,而是解决现实世界问题的强大工具。

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作为一个长期与数据打交道的人,我深知线性代数在数据科学领域的重要性,但一直苦于找不到一本能够真正帮助我理解其精髓的书籍。很多教材要么过于理论化,要么过于浅显,难以满足我深入学习的需求。而这本《初等线性代数与应用 精简版 9/e》,则恰好填补了这一空白。它以一种极其精炼而又不失深度的方式,为我打开了线性代数的大门。作者在讲解时,特别注重概念之间的逻辑联系,每一个新的概念的引入,都是建立在前面知识的基础上,层层递进,丝丝入扣。我尤其欣赏书中对“向量空间”和“子空间”的讲解,它通过类比几何中的直线、平面来帮助理解高维空间中的子空间,并且强调了子空间在数据降维、特征提取等方面的作用。这种“由几何到代数,由具体到抽象”的讲解方式,让我能够轻松地理解这些看似抽象的概念。此外,书中对“应用”的深入剖析,更是让我对线性代数有了更全面的认识。它不仅仅是列举了各种应用场景,更是详细阐述了线性代数在这些场景中是如何发挥作用的,以及其背后的数学原理。例如,在介绍“奇异值分解”(SVD)时,书中不仅给出了计算方法,更是详细解释了SVD在图像压缩、推荐系统等领域的应用原理。这让我明白,线性代数不仅仅是一门数学课程,更是一种解决现实世界问题的强大工具。

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我一直认为,一本书的价值,不仅在于它提供了多少知识,更在于它如何引导读者去思考,去发现。而这本《初等线性代数与应用 精简版 9/e》恰恰做到了这一点。它不像其他一些教材那样,只是简单地罗列定义和公式,而是通过提出问题、分析问题、解决问题的方式,引导我一步一步地深入理解线性代数的精髓。我印象最深刻的是,在介绍“线性方程组”的求解时,书中并没有仅仅停留在高斯消元法和克莱默法则的计算层面,而是深入探讨了方程组解的“存在性”和“唯一性”,并将其与矩阵的秩以及向量空间的维度联系起来。这种由浅入深、由表及里的讲解方式,让我对线性代数有了更深刻的认识。而且,书中对“应用”的深入挖掘,也让我受益匪浅。它不仅仅是罗列了各种应用领域,更是详细地阐述了线性代数在这些领域中是如何被应用的,以及其背后的数学原理。例如,在介绍“主成分分析”时,书中不仅给出了计算步骤,更是详细解释了主成分是如何通过特征值分解来提取数据中最主要的信息。这种“理论与实践深度融合”的教学模式,让我能够更好地将学到的知识应用于实际问题。这本书让我体会到,学习线性代数,不仅仅是掌握一套数学工具,更是一种思维方式的培养,一种解决问题的能力。

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