线性代数_matlab实验指导分析课件.ppt
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1、第1章 矩阵与行列式,【矩阵与行列式简介】在计算机日益发展的今天,线性代数起着越来越重要的作用。线性代数起源于解线性方程组的问题,而利用矩阵来求解线性方程组的Gauss消元法至今仍是十分有效的计算机求解线性方程组的方法。矩阵是数学研究和应用的一个重要工具,利用矩阵的运算及初等变换可以解决求解线性方程组等问题。特殊的矩阵方阵的数字特征之一是方阵的行列式,使用行列式可以描述方阵的一些重要的性质。通过计算行列式可求逆矩阵,n个,第1章 矩阵与行列式,未知量n个方程的线性方程组的惟一解等问题。向量也是研究矩阵的有力工具,可通过向量组的秩来定义矩阵的秩。向量与矩阵、行列式都是线性代数的重要基本概念,它们
2、是建立线性方程组的解的构造理论与系统求解方法的三个基本工具。,第1章 矩阵与行列式,验证性实验实验一 矩阵的运算【实验目的】1理解矩阵、逆矩阵的概念2掌握矩阵的线性运算、乘法、转置、逆、方阵的幂的运算【实验要求】理解矩阵赋值命令、符号变量说明syms、加法+、乘法*、转置、逆矩阵inv、方阵的幂等命令,第1章 矩阵与行列式,【实验内容】1已知下列矩阵:(1),;(2),计算,,第1章 矩阵与行列式,【实验过程】1(1)A=3 1 1;2 1 2;1 2 3;B=1 1-1;2-1 0;1 0 1;C=A+B运行结果:C=4 2 0 4 0 2 2 2 4,第1章 矩阵与行列式,AB=A*B运行
3、结果:AB=6 2-2 6 1 0 8-1 2 D=6*A运行结果:D=18 6 6 12 6 12 6 12 18,第1章 矩阵与行列式,sym c;cA=c*A运行结果:cA=3*c,c,c 2*c,c,2*c c,2*c,3*c F=A运行结果:F=3 2 1 1 1 2 1 2 3,第1章 矩阵与行列式,G=inv(A)运行结果:G=1/4 1/4-1/4 1-2 1-3/4 5/4-1/4 H=A5运行结果:H=1492 1006 1460 1558 1069 1558 1914 1331 1946,第1章 矩阵与行列式,(2)A=sym(a b;c d);B=sym(1 a;1 b
4、);C=A+B运行结果:C=a+1,b+a c+1,d+b AB=A*B运行结果:AB=b+a,a2+b2 c+d,c*a+d*b,第1章 矩阵与行列式,D=6*A运行结果:D=6*a,6*b 6*c,6*d syms c;cA=c*A运行结果:cA=c*a,c*b c2,c*d,第1章 矩阵与行列式,F=A运行结果:F=conj(a),conj(c)conj(b),conj(d)%conj为复数共轭即 G=inv(A)运行结果:G=d/(a*d-c*b),-b/(a*d-c*b)-c/(a*d-c*b),a/(a*d-c*b)即,第1章 矩阵与行列式,实验二 矩阵的初等变换【实验目的】1理解
5、矩阵初等变换的概念 2掌握矩阵的初等变换及用初等变换求矩阵的逆矩阵【实验要求】掌握矩阵的表示、符号变量说明syms、逆矩阵inv等命令,【实验内容】1已知矩阵,求对矩阵实施如下的初等变换后所得矩阵。矩阵的第2行乘以m;矩阵的第3列的n倍加到第1列上去;矩阵的第1行与第2行交换。1)syms m;A=sym(a b c d;e f g h;i j k l);A(2,:)=m*A(2,:),第1章 矩阵与行列式,第1章 矩阵与行列式,运行结果:A=a,b,c,d m*e,m*f,m*g,m*h i,j,k,l2)syms n;A=sym(a b c d;e f g h;i j k l);A(:,1
6、)=A(:,1)+n*A(:,3)运行结果:A=a+n*c,b,c,d e+n*g,f,g,h i+n*k,j,k,l,第1章 矩阵与行列式,3)A=sym(a b c d;e f g h;i j k l);A(2,1,:)=A(1,2,:)运行结果:A=e,f,g,h a,b,c,d i,j,k,l,第1章 矩阵与行列式,2已知矩阵,提取矩阵的第2、3、4行与第3、4列的元素构成矩阵B A=1 2 3 4;5 6 7 8;9 10 11 12;13 14 15 16;B=A(2:4,3:4)运行结果:B=7 8 11 12 15 16,3已知,且,求 A=1 0 1;-1 1 1;2-1 1
7、;B=1 1;0 1;-1 0;X=inv(A)*B运行结果:X=3 1 5 2-2 0,第1章 矩阵与行列式,实验三 Gauss消元法【实验目的】掌握解线性方程组的Gauss消元法【实验要求】掌握矩阵赋值命令、初等变换相关命令、简化矩阵为阶梯形式rref等命令【实验内容】1用Gauss消元法解线性方程组:(1);,第1章 矩阵与行列式,【实验过程】1(1)解法一:Gauss消元法A=1 2 1 8;1 2 3 10;2 3 1 13;1 2 2 9;A(2,:)=A(2,:)-A(1,:);A(3,:)=A(3,:)-2*A(1,:);A(4,:)=A(4,:)-A(1,:)运行结果:A=1
8、 2 1 8 0 0 2 2 0-1-1-3 0 0 1 1 A(2,3,:)=A(3,2,:)运行结果:A=1 2 1 8 0-1-1-3 0 0 2 2 0 0 1 1,第1章 矩阵与行列式,A(2,:)=(-1)*A(2,:);A(3,:)=1/2*A(3,:)运行结果:A=1 2 1 8 0 1 1 3 0 0 1 1 0 0 1 1 A(4,:)=A(4,:)-A(3,:);A(1,:)=A(1,:)-A(3,:);A(2,:)=A(2,:)-A(3,:)运行结果:A=1 2 0 7 0 1 0 2 0 0 1 1 0 0 0 0,第1章 矩阵与行列式,A(1,:)=A(1,:)-2
9、*A(2,:)运行结果:A=1 0 0 3 0 1 0 2 0 0 1 1 0 0 0 0由上可知,方程组有惟一解解法二:A=1 2 1 8;1 2 3 10;2 3 1 13;1 2 2 9;A=rref(A)运行结果:A=1 0 0 3 0 1 0 2 0 0 1 1 0 0 0由上可知,结果同解法一。,第1章 矩阵与行列式,实验四 行列式及应用【实验目的】1.了解行列式的概念,掌握行列式的性质2掌握行列式的计算方法3掌握Gramer法则求解线性方程组【实验要求】掌握计算行列式det、解线性方程组solve、生成Vandermonde行列式vander等命令【实验内容】1计算下列行列式的值
10、:(1);(2);,第1章 矩阵与行列式,第1章 矩阵与行列式,(1)A=-2 5-1 3;1-9 13 7;3-1 5-5;2 8-7-10;det(A)运行结果:ans=312(2)A=sym(a b b b b;b a b b b;b b a b b;b b b a b;b b b b a);det(A)运行结果:ans=a5-10*a3*b2+20*a2*b3-15*a*b4+4*b5即行列式的值为,2用Gramer法则解线性方程组 A=2 1-5 1;1 4-7 6;1-3 0-6;0 2-1 2;A1=8 1-5 1;0 4-7 6;9-3 0-6;-5 2-1 2;A2=2 8-
11、5 1;1 0-7 6;1 9 0-6;0-5-1 2;A3=2 1 8 1;1 4 0 6;1-3 9-6;0 2-5 2;A4=2 1-5 8;1 4-7 0;1-3 0 9;0 2-1-5;a=det(A);a1=det(A1);a2=det(A2);a3=det(A3);a4=det(A4);X=a1/a,a2/a,a3/a,a4/a运行结果:X=3-4-1 1 即得方程组的解为,,第1章 矩阵与行列式,实验五 向量【实验目的】理解向量、向量的线性组合与线性表示、向量组的线性相关与线性无关的概念掌握向量组线性相关、线性无关的有关性质及判别法理解向量组的极大线性无关组和向量组的秩的概念会
12、求向量组的极大线性无关组和秩5掌握矩阵秩的求法【实验要求】掌握简化矩阵为阶梯形式rref、计算行列式det、计算矩阵的秩rank等命令【实验内容】设向量:,问b能否由 线性表示?,第1章 矩阵与行列式,第1章 矩阵与行列式,A=-1 3 1;0 4 4;1-2 0;2 5 9;b=5;4;-4;1;B=A,b;r=rank(A),rank(B)运行结果:r=1 2由上可知,故方程组有解。,2求向量 在基,下的坐标.即求满足方程 的解。A1=1;1;0;A2=1;0;1;A3=0;1;1;A=A1,A2,A3;b=3;-5;9;X=inv(A)*b 输出X=-5.5000 8.5000 0.50
13、00,第1章 矩阵与行列式,第2章 线性方程组,【线性方程组简介】线性方程组的求解问题促进了线性代数的产生和发展,利用矩阵、行列式和向量这三个基本工具可较好的解决线性方程组的求解问题。利用解向量所构成的基础解系可方便的描述解空间的基本特征及写出通解,从而较好地描述了线性方程组解的结构问题。,第2章 线性方程组,验证性实验实验一 线性方程组【实验目的】理解齐次线性方程组的基础解系、通解及解空间的概念掌握齐次线性方程组的基础解系和通解的求法3理解非齐次线性方程组解的结构及通解的概念【实验要求】掌握分数数据格式format rat、求基础解系null、简化矩阵为阶梯形式rref、解方程组solve等
14、命令,第2章 线性方程组,【实验内容】1.求齐次线性方程组 的基础解系及通解。,第2章 线性方程组,【实验过程】1解法一:format ratA=1 1 1 1;1 3 2 4;2 0 1-1;B=rref(A)运行结果:B=1 0 1/2-1/2 0 1 1/2 3/2 0 0 0 0,第2章 线性方程组,由上可知,方程组有解,其中,是自由未知量。故得方程组的基础解系为,通解为,其中 为任意常数。,第2章 线性方程组,解法二:format rat A=1 1 1 1;1 3 2 4;2 0 1-1;B=null(A,r)运行结果:B=-1/2 1/2-1/2-3/2 1 0 0 1 syms
15、 k1 k2 X=k1*B(:,1)+k2*B(:,2),第2章 线性方程组,运行结果:X=-1/2*k1+1/2*k2-1/2*k1-3/2*k2 k1 k2即原方程组的通解为,其中 为任意常数。,第2章 线性方程组,2.求方程组 的基础解系及通解。3求方程组 的基础解系及通解。,第2章 线性方程组,2解法一:A=1 1 1;-10 12 1;1-9 12;b=66;77;99;r=rank(A),rank(A,b)运行结果:r=3 3 即系数矩阵的秩等于增广矩阵的秩3,且等于未知量的个数,故原方程组有惟一解。X=inv(A)*b%X=Ab 运行结果:X=21 22 23,第2章 线性方程组
16、,解法二:syms x1 x2 x3;f1=x1+x2+x3-66;f2=-10*x1+12*x2+x3-77;f3=x1-9*x2+12*x3-99;x1 x2 x3=solve(f1,f2,f3,x1,x2,x3)运行结果:x1=21x2=22x3=23,第2章 线性方程组,3解法一:A=1 1-2 1 3;2-1 2 2 6;3 2-4-3-9;b=1;2;3;rA=rank(A)运行结果:rA=3 rAb=rank(A,b)运行结果:rAb=3 即系数矩阵的秩等于增广矩阵的秩3,故原方程组有解。,第2章 线性方程组,x0=Ab运行结果:x0=1 0 0 0 0 即原线性方程组的一个特解
17、,第2章 线性方程组,B=rref(A)运行结果:B=1 0 0 0 0 0 1-2 0 0 0 0 0 1 3 由上可知,原方程组的导出组的解为,即可得其导出组的基础解系为,故原方程组的通解为,其中 为任意常数。,第2章 线性方程组,解法二:A=1 1-2 1 3;2-1 2 2 6;3 2-4-3-9;b=1;2;3;X=Ab运行结果:X=1 0 0 0 0,第2章 线性方程组,B=null(A,r)运行结果:B=0 0 2 0 1 0 0-3 0 1故原方程组的通解为,其中 为任意常数。,【矩阵的特征值与特征向量简介】矩阵的特征值与特征向量是矩阵的数字特征,利用矩阵的特征值与特征向量可判
18、断矩阵的相似、解决矩阵对角化及实对称矩阵正交化等问题,促进了矩阵理论的进一步发展及应用。,第3章 矩阵的特征值与特征向量,验证性实验 矩阵的特征值与特征向量【实验目的】理解矩阵的特征值和特征向量的概念会求矩阵的特征值和特征向量掌握将矩阵化为相似对角矩阵的方法【实验要求】掌握求矩阵的特征多项式poly、求矩阵的特征值和特征向量eig、矩阵的范数norm、值空间正交化orth、单位阵eye等命令,第3章 矩阵的特征值与特征向量,【实验内容】1、设,求矩阵A的特征多项式和特征值。,第3章 矩阵的特征值与特征向量,1 A=1 0 0;0 1 8;0 1 3;poly(A)运行结果:ans=1-5-1
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