学生和教师对本书前三版本的反响十分令人满意. 第4版在第3版的基础上为课程教学和软件技术应用提供了更多支持. 像以前一样,本书给出最新的线性代数基本介绍和一些有趣应用,使得已完成大学第二学期数学课程(如学完微积分)的学生容易接受.
本书的主要目的是帮助学生掌握以后课程学习所需要的基本概念和基本技能,教材的选题是根据“线性代数课程研究小组”的建议,该建议基于认真分析学生的实际需要和许多不同专业使用线性代数知识的共同点而提出. 希望这门课能够成为对大学生最有用和最有趣的数学课程之一.
新增内容
本版的主要目的是修订习题和拓展应用范围,这里既包括书中内容也包括网上资源。
1)超过25%的习题是新增或修改的,尤其是计算习题. 习题的设置仍然是这本书最具特色的内容之一,并且新习题保持着与前三版一样的高标准. 精选的习题用于复习每个章节的所学内容,激发学生的学习兴趣,开拓新的思路,培养他们的自信心.
2)每章开头的25%是新内容. 这部分给出一个线性代数应用的简短介绍,由此引出数学理论的发展. 在该章结束的部分又回到开始提到的应用.
3)新增的章:第8章(向量空间的几何学),提供了一个学生很感兴趣的新主题. 8.1节、8.2节和8.3节介绍基础几何学工具. 8.6节用这些思想和方法研究贝塞尔曲线和曲面,并把它们用于工程和在线计算机绘图(Adobe Illustrator和Macromedia FreeHand)上,这四节内容大约需要4或5个课时(每课时50分钟).
通常,本书的后续章节都会先对前一章节的关键思想、要点内容进行复习. 如果第8章部分视为前一章节,那么后继章节就会简要回顾8.1~8.3节的内容,然后重点介绍8.4节和8.5节的几何学.
4)学习指导是本书不可或缺的一部分,这部分都已作了修订,包括新的第8章. 同以前的版本一样,学习指导包含三分之一奇数号习题的全部详细解答,并对书中仅给出提示的奇数号习题也给出了解.
鲜明的特色
提前介绍重要概念
本书前7章介绍了许多建立在? n上的线性代数基本概念,然后从不同的观点逐步深入讨论. 接下来,用第1章给出的熟悉思想的自然扩展来泛化这些概念. 我认为,本教材的主要特色是全书的难度一样.
矩阵乘法的现代观点
好的记号是关键,且教材反映科学家和工程师实际应用线性代数的方式. 本书在定义和证明中处理的是矩阵的列,而不是矩阵的元素,核心课题是将矩阵向量乘积Ax作为关于A的列的一个线性组合. 这种现代方法简化了许多论述,且将向量空间思想和线性系统的研究联系在一起.
线性变换
用线性变换作为线索贯穿整本教材,这增强了本书的几何趣味. 例如,在第1章,线性变换给出一个动态的和几何观点下的矩阵向量乘法.
特征值和动力系统
特征值的概念出现在第5章和第7章. 由于这一内容分散在数周的教学中,学生会比平常更容易吸收和复习这些关键概念. 特征值来源并应用于离散动力系统和连续动力系统,相关内容出现在1.10节、4.8节、4.9节和第5章的五节中. 在授课时可以选择不讲授第4章,而是在讲完2.8节和2.9节的内容以后直接进入第5章的学习. 这两节可选的学习内容给出了第4章中出现的向量空间的概念,为第5章的学习奠定了基础.
正交性和最小二乘法
. 与普通入门教材相比,本书对这些主题的讨论更全面. “线性代数课程研究小组”强调需要正交性和最小二乘问题的内容,这是由于正交性在计算机计算和线性代数的数值计算中起着重要作用,且实际工作中经常会出现不相容的线性方程组.
教学的特色
应用
广泛选取的应用说明了线性代数的作用,可以用于工程学、计算机科学、数学、物理学、生物学、经济学和统计学中解释基本原理和简化计算. 一些应用出现在单独的章节中;其他的应用是作为例题和习题而引入的. 此外,每一章的开头给出一个线性代数应用的简短介绍,由此引出数学理论的发展. 然后,在该章结束的部分又回到开始提到的应用.
重点强调几何特点
由于许多学生更容易接受形象化的概念,所以对书中的每个主要概念都给出几何解释. 本书包含较多的几何图形,且一些图形是以前的线性代数教材中没有出现过的.
例题
与大多数线性代数教材相比,本书有更多的例题,比平常课堂上更多. 由于例题清晰,步骤详细,因此学生可以自学.
定理和证明
重要的结果以定理的形式给出,其他有用的事实放在方框中,便于参考. 大多数定理有正式证明,写法易于理解. 在少数情形中,仔细选取的例题证明中展示了基本计算过程. 一些常规的验证保留在习题中,这对学生是有益的.
练习题
在习题之前有几个仔细选取的练习题,其解答在习题之后给出. 这些练习题或者集中于习题中的潜在难点,或者给出做习题前的“热身”,且解答常包含有用的提示.
习题
提供的大量习题包含平常的计算题和需要深入思考的概念题,一些习题针对多年来我在学生作业中发现的概念难点. 每一个习题都按照课本中内容的顺序仔细排列;这样当每节的一部分内容讲授之后,就可以安排家庭作业. 习题的一个显著特色是数值计算不复杂,问题很快被“展开”,学生在数值计算上花费时间很少,习题主要是为了让学生理解教学内容而不是进行机械计算.
标有符号[M]的习题说明该题需要借助“矩阵软件”(计算机软件,如MATLAB、Maple、Mathematica、MathCad或者Derive,或者有矩阵功能的可编程计算器,如那些由德州仪器制造的仪器)完成.
判断题
为鼓励学生阅读全部课本内容且深入思考,本书设计了300个简单的判断题,出现在33节内容之中,并放在计算题之后. 可以通过阅读课本内容来回答这些问题,从而使学生可以准备好回答随后的概念题. 学生在习惯了仔细阅读课本内容之后,会喜欢这类题目. 基于课堂测验以及与学生进行探讨,我决定不将答案放在课本中.(学习指导将指出在哪里有奇数号习题的答案.)补充的150道判断题(大部分在每章末尾)用于检验学生对内容的理解程度. 对大部分这类问题,教材中提供了简单的正确/错误回答,但是省略了答案的验证(通常需要进一步思考才可完成).
写作题
写出严谨的数学论述,不仅对那些希望成为数学系研究生的学生,而且对所有学习线性代数的学生都十分必要. 本书包含的证明大多是习题答案的一部分. 需要简短证明的概念题,常包含可以帮助学生开始解题的提示. 对所有奇数的写作题,或者在课本的后面给出一个解答或提示,或者在后面描述的“学习指导”(Study Guide)中给出一个解答.
计算主题
本书强调计算机对科学和工程中线性代数的发展和实践的影响,书中有许多“数值计算的注解”指出数值计算中出现的问题,以及理论概念(如矩阵求逆)和计算机实现(如LU分解)之间的区别.
网上支持
网站www.pearsonhighered.com/lay包含了学习本课程所需要的支持材料. 对学生而言,网站提供的复习资料和练习试卷(附答案)能帮助他们有效地复习书中的要点. 它们直接来自于近年来我所教授的课程. 每份复习资料给出了教材指定部分中重要的定义、定理和计算技巧.
各章应用
网站包含的7个案例研究扩展了每章开始所介绍的主题,增加了现实世界的数据,提供了进一步探索的机会. 另外,20多个应用项目或者扩展了教材中的主题,或者介绍了新的应用,例如立方体样条、交通流量、飞机航线、运动比赛中的优势矩阵以及纠错码. 一些新的数学应用是积分方法、多项式根的求解、圆锥曲线、二次曲面和二元函数的极值. 线性代数的数值计算主题,如条件数、矩阵因式分解和求特征值的QR方法也包含在内. 在每个项目中都编有涉及大数据集的习题(因此需要使用计算机软件来求解).
软件入门
如果课程中需要使用MATLAB、Maple、Mathematica或者TI计算器,可以参考网站上对软件使用的介绍. 另外,“学习指导”中也为第一次接触上述软件的用户提供了详细说明.
数据文件
对教材中的900道数值计算题、案例研究和应用项目,网站上提供了数百个相应的数据文件. 这些数据以多种格式存储,分别用于MATLAB、Maple、Mathematica以及TI-83+/86/89图形计算器. 对一道特定的题目,学生只需通过少量的键盘操作就可以得到矩阵和向量,从而减少了输入数据的错误,并可节省做作业的时间.
MATLAB项目
这些探究性项目引导学生去发现线性代数中基础的数学与数值问题. 它们是由Rink Smith编写,基于佛罗里达大学计算线性代数课程的教学. 大约一半的项目探究的是有关基本概念,如列空间、对角化和正交投影;一些项目重点讨论数值计算问题,比如浮点计算、迭代法和SVD;还有一些项目探究应用,如拉格朗日插值与马尔可夫链.
补充内容
学习指导
平装本的“学习指导”低价即可得到,我写的这个指导也作为该课程不可或缺的一部分. 它给出每第三个奇数习题的详细解答,用以帮助学生检查作业. 它还为课本答案只包含“提示”的每一个奇数写作题提供了完整答案. 多次出现的“警告”用于提醒学生易犯的错误以及如何避免出错. MATLAB框中介绍了一些需要使用的命令.“学习指导”的附录内包含Maple、Mathematica和TI图形计算器的对照信息(ISBN:0-321-38883-6).
教师版
为方便教师,这个特殊版本包含所有习题的简单答案,课本开始在“给教师的注释”中给出了有关课程内容设计和组织的解释,以帮助教师安排课程. 该版本还提供了专为教师准备的其他支持材料(ISBN:0-321-38518-7).
致谢
我真诚地感谢多年来以各种方式帮助我的许多人.
感谢Israel Gohberg和Robert Ellis长达15年的线性代数合作研究,他们帮助我形成了线性代数的观点. 与David Carlson、Charles Johnson和Duane Porter共同工作在“线性代数课程研究小组”是我的荣幸,在几个重要方面,他们关于线性代数教学的思想影响着本教材.
我诚挚地感谢以下审稿人,感谢他们细致入微的分析和创新性建议:田纳西理工大学的Rafal Ablamowicz,西北大学的John Alongi,华盛顿大学圣路易斯分校的Brian E. Blank,佛罗里达州立大学的Steven Bellenot,西蒙弗雷泽大学的Vahid Dabbaghian-Abdoly,德雷塞尔大学的Herman Gollwitzer,伍斯特大学的James L. Hartman,德州大学奥斯丁分校的David R. Kincaid,圣荷西州立大学的Richard P. Kubelka,南卡罗莱纳州大学的Douglas B. Meade,康涅狄格大学的Martin Nikolov,佛罗里达大学的Tim Olson,威廉玛莉学院的Ilya M. Spitkovsky,杜兰大学的Albert L. Vitter III. 该书是第4版,我要感谢在李伊大学的兄弟Steven Lay,感谢他一直以来的帮助和鼓励,感谢他新修订了第8章. 还要感谢温思罗普大学的Thomas Polaski. 关于每章介绍性实例的好的建议和帮助,我要感谢韦斯特蒙特学院的Raymond Rosentrater. 另一位天才教授是华盛顿州立大学的Judith McDonald,她开发了本书的很多新习题,对本书的帮助和热情是鼓舞人心的.
感谢提供技术支持的专家,是他们不辞劳苦地为第4版准备数据、给教师编写笔记、在“学习指导”中为学生编写技术笔记、将他们的项目和大家一起分享,他们是:泰勒大学的Jeremy Case(MATLAB),南卡罗来纳大学的Douglas Meade(Maple),西方浸信会学院的Michael Miller(TI计算器),以及卡罗尔学院的Marie Vanisko(Mathematica).
感谢专家John Risley与研究生David Aulicino、Sean Burke和Hersh Goldberg,感谢他们对本书在线作业开发提供的专业技术帮助. 感谢对在线作业进行课堂测试的下列人员:澳大利亚国立大学的Agnes Boskovitz、Malcolm Brooks、Elizabeth Ormerod、Alexander Isaev和John Urbas,马里兰大学蒙哥马利学院的John Scott和Leben Wee,以及纽约州立大学布法罗分校的Xingru Zhang.
感激由Blaise DeSesa、Jean Horn、Roger Lipsett、Paul Lorczak、Thomas Polaski、Sarah Streett和Marie Vanisko提供的数学支持,他们对本书进行了仔细的校对.
最后,我由衷地感谢Addison-Wesley的工作人员在第4版的制作中提供的帮助:组稿编辑Caroline Celano、高级内容编辑 Chere Bemelmans、副总编Tamela Ambush、资深媒体编辑Carl Cottrell、销售执行经理Jeff Weidenaar、销售助理Kendra Bassi、文本设计Andrea Nix. 最后是三位好友——出版商Gerg Tobin、前主编Laurie Rosatone和现主编William Hoffman,他们从一开始就给予了明智的建议和鼓励,帮助解决了出版过程中的每一个问题,非常感谢他们!
David C. Lay
给学生的注释
这门课程是最有趣、最有价值的大学数学课程. 事实上,一些学生在毕业以后告诉我他们在大公司的工作中或工程研究生院的学习中还使用本教材作为参考书. 下面的注释给出一些建议和信息,有助于你掌握课本内容并且从中得到乐趣.
在线性代数中,概念和计算同样重要. 每个习题集开始的简单数值练习仅仅帮助你检查对基本步骤的理解. 以后,虽然计算机会进行数值计算,但你必须选取计算方法,知道如何解释结果,并且向其他人解释结果. 由于这个原因,课本中的许多习题要求你解释或验证计算. 书面解释经常是习题答案的一部分,对奇数习题,会有一个期望的解释或者好的提示. 在独立写出答案之前应尽量避免查阅这些答案,否则,你会认为你已理解实际上并不懂的问题.
为掌握线性代数的概念,你必须仔细地反复阅读本书. 新的术语用黑体标示,有时写在定义框中. 书的最后给出一个术语表,便于参考. 重要的命题以定理的形式给出或放在方框中. 最好阅读一下前言中对本书结构的介绍,以对课程的框架有初步的理解.
实际上,线性代数是一种语言,必须用学习外语的方法每天学习这种语言. 理解每一节的内容并不容易,除非你已透彻地学习教材且全部做出该节前面的练习,跟上课程的进度会帮助你节约很多时间和解决很多困惑!
数值计算的注解
希望你阅读课本中的“数值计算的注解”,即使你现在没有在学习过程中使用计算机或图形计算器. 在实际生活中,线性代数的大多数应用涉及一定数值误差限制下的数值计算,即使误差相当小.“数值计算的注解”会指出你以后工作中使用线性代数的潜在困难,如果现在学习了这些注释,你以后就会容易记起这些内容.
如果你对“数值计算的注解”有兴趣,以后可以学习一门线性代数的数值计算课程. 由于对计算机处理能力的更高需求,计算机科学家和数学家需要给出更快、更可靠的线性代数的数值算法,电子工程师需要设计出更快和更小的计算机去运行这些算法. 这是一个令人激动的领域,线性代数的第一堂课有助于你做好准备.
学习指导
为帮助你成功学习这门课程,我写了一本配合本书的“学习指导”(www.pearsonstore.com,0-321-38883-6). 它不仅有助于你学习线性代数,而且说明了如何学习数学. 它包含每第三个奇数习题的详细解答,以及课本答案仅有提示的奇数写作题的附加答案.“学习指导”还给出常见错误的警告、重点习题的有用提示和潜在考试题,且有一个单独的各章术语表(考试复习时很有用). 此外,“学习指导”还介绍了如何使用MATLAB、Maple、Mathematica和TI图形计算器,使用这些技术可以节约完成作业的时间.
需要注意的是,之所以将“学习指导”与教材分开,是因为你必须在没有太多的帮助下独立完成作业. 多年的经验告诉我,太容易查到(如教材后面的)解答会妨碍学生数学能力的开发. 前几周的学习会培养出整个学期的学习习惯,并影响到学习效果. 请先阅读“如何学习线性代数”. 我的学生认为这些建议很有帮助,希望你也有同感.