线性代数学习的核心——从鸡兔同笼到线性方程组
鸡兔同笼问题流传了一些很有意思的解法,让我们暂且远离考研,品味一下小学数学的
趣味:鸡兔同笼,头 20,腿 50,问鸡兔各几?
假设鸡兔训练有素,吹哨则抬腿,那么一声哨响,20 条腿抬起,又一声哨响,20 条腿 抬起,只有 2 只脚的可怜的鸡们,已经一屁股坐地上、两脚朝天了,地上还剩余的 10 条腿,
全是兔子的,故 5 只兔子,另有 15 只鸡。
比起这个萌系的方法,孙子算经就比较残忍了,屠夫刷刷 25 刀,把每只鸡和兔子的腿
都砍掉了一半,独脚鸡和双腿兔当然还是 20 个头,腿却只有 25 个了,独脚鸡一个脑袋一条 腿,一样多,每只双腿兔却是 2 条腿 1 个兔头,腿比头多 1,那么自然有 5 只兔子。
其他方法,不一一列举了。
笔者曾在网上见过一些段子,往往鼓吹这类巧解、妙解,甚至加上一些“目瞪口呆的老 师”“大惊失色的博士”作为陪衬,其实,这些巧妙的流程,都是方程组加减消元罢了,配
上一套更容易被小学生理解的流程。
我们可以用二元一次方程组解解看:设鸡
x 只,兔
y 只,则有
20 2 4 50 xy xy += += ,再回头
审视,吹哨抬脚法,无外乎是用第二个方程,减去第一个方程,再减去第一个方程,化简为
2 10 y = ,算出 5 只兔子;残忍的砍脚法,其实就是第二个方程除以 2,得到
20 2 25 xy xy += += ,
然后第二个方程减去第一个,算出 5 y = 。看到了吗?各类巧妙解法,其实都是解方程组消
元过程的等价描述。 追求精致而不求普适,其实是与数学思维背道而驰的,数学是高度抽象的,小时候思维
能力不足时,也无妨在巧妙解法中体会数学之趣,但也要在普适解法中领略数学之美、之深
刻,这才是奥数教育的真谛,沉迷于前者而否认后者,是走了邪路。
回到考研数学,当你需要面对研究生入学考试这个级别的筛选时,核心思维就是沿着刚
才的路,再向前迈一步:进一步的抽象化,进一步寻找等价描述。这是线性代数的核心思维。
比如,既然方程组加减消元时只有系数改变,省略未知数符号
xy 可不可以?当然可以。
20 2 4 50 xy xy += += 写成
1 1 20 2 4 50 ,则 1 1 20 1 1 20 1 120 1 015 2 4 50 1 2 25 0 1 5 0 1 5 → → →
就是小学时“残忍的砍脚法”的化简流程,也是中学时的加减消元法,如果你已经复习线性 代数,就会认出这是对增广矩阵做初等行变换。线性代数的发端,本就是源自解方程组。
方程组既有代数形式,也有矩阵形式,还有向量形式。我们继续找等价描述,这个方程
组还可以看成,如何用二维列向量
11 24 , 线性表示向量
20 50 ,不信我们假设
x 个
1 2 和
y
个
1 4 就是
20 50 ,列成式子不就是
1 1 20 2 4 50 xy += ,即
20 2 4 50 xy xy += += ,这又是一
种等价描述。
不同角度的描述有什么意义吗?随着大家的深入复习,你会发现,有些角度,某些命题
是显而易见的,但换个角度却晦涩不清,比如,矩阵 A及其转置矩阵 T A 的秩相等,并且与
T AA的秩, T AA 的秩都相等,如果大家用第二章矩阵的秩的原始定义去思考,毫无头绪,
但如果利用线性方程组的角度,则是非常简单的;再比如两个同型矩阵 ,AB的秩满足关系
式 ( ) ( ) ( ) r A r B r A B + + ,换到向量角度,就是个一目了然的结论。
线性代数知识结构异常紧密,考研中的线性代数试题,逻辑推导链条往往不长,与非常 考较思维深度的高等数学不同,它更注重思维角度,找准突破口,这就需要考生全面深刻的
理解线性代数的各个概念、性质、定理,尤其是他们之间的关系和等价表述,建立完整、清
晰的知识体系。线性代数,一处不通,处处不通,第一轮复习时,对新手异常不友好,但坚
持努力,百脉具通那一刻,会发现,原来线代如小溪般清澈见底。
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