线性代数应用实例1

线性代数在数学建模中的应用举例1 基因间“距离”的表示在ABO 血型的人们中，对各种群体的基因的频率进行了研究。

如果我们把四种等位基因A 1，A 2，B ，O 区别开，有人报道了如下的相对频率，见表1.1。

表1.1基因的相对频率问题 一个群体与另一群体的接近程度如何？换句话说，就是要一个表示基因的“距离”的合宜的量度。

解 有人提出一种利用向量代数的方法。

首先，我们用单位向量来表示每一个群体。

为此目的，我们取每一种频率的平方根，记ki ki f x =.由于对这四种群体的每一种有141=∑=i ki f ，所以我们得到∑==4121i kix .这意味着下列四个向量的每个都是单位向量.记.44434241,34333231,24232221,141312114321⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=x x x x a x x x x a x x x x a x x x x a在四维空间中，这些向量的顶端都位于一个半径为1的球面上. 现在用两个向量间的夹角来表示两个对应的群体间的“距离”似乎是合理的.如果我们把a 1和a 2之间的夹角记为θ，则由于| a 1|=| a 2|=1，再由内只公式，得21cos a a ⋅=θ而.8307.03464.02943.03216.0,8228.01778.00000.05398.021⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=a a 故 9187.0cos 21=⋅=a a θ 得 2.23=θ°. 按同样的方式，我们可以得到表1.2.表1.2基因间的“距离”爱斯基摩人班图人 英国人 朝鲜人 爱斯基摩人 0° 23.2° 16.4° 16.8° 班图人 23.2° 0° 9.8° 20.4° 英国人 16.4° 9.8° 0° 19.6° 朝鲜人16.8°20.4°19.6°0°由表1.2可见，最小的基因“距离”是班图人和英国人之间的“距离”，而爱斯基摩人和班图人之间的基因“距离”最大.2 Euler 的四面体问题问题 如何用四面体的六条棱长去表示它的体积？这个问题是由Euler （欧拉）提出的.解 建立如图2.1所示坐标系，设A ，B ，C 三点的坐标分别为（a 1,b 1,c 1）,( a 2,b 2,c 2)和（a 3,b 3,c 3），并设四面体O-ABC 的六条棱长分别为.,,,,,r q p n m l 由立体几何知道，该四面体的体积V 等于以向量→→→OC OB OA ,,组成右手系时，以它们为棱的平行六面体的体积V 6的16.而)(.3332221116c b a c b a c b a OC OB OA V =⋅⨯= 于是得 .6333222111c b a c b a c b a V = 将上式平方，得.362323233232323231313232322222221212131313121212121212133322211133322211122c b a c c b b a a c c b b a a c c b b a a c b a c c b b a a c c b b a a c c b b a a cb ac b a c b a c b a c b a c b a c b a V ++++++++++++++++++=⋅=根据向量的数量积的坐标表示，有.,,,,232323323232222222313131212121212121c b a OC OC c c b b a a OC OB c b a OB OB c c b b a a OC OA c c b b a a OB OA c b a OA OA ++=⋅++=⋅++=⋅++=⋅++=⋅++=⋅ 于是362OC OC OB OC OB OBOB OBOA OB OA OAV ⋅⋅⋅= （2.1）由余弦定理，可行.2cos 222n q p q p OB OA -+=⋅⋅=⋅θ同理.2,2222222l r q OC OB m r p OC OA -+=⋅-+=⋅将以上各式代入（2.1）式，得.222222362222222222222222222222r l r p m r p l r p p n q p m r p n q p pV -+-+-+-+-+-+=（2.2）这就是Euler 的四面体体积公式.例 一块形状为四面体的花岗岩巨石，量得六条棱长分别为l =10m, m =15m, n =12m, p =14m, q =13m, r =11m.则.952222,462222,5.1102222=-+=-+=-+l r p m r p n q p代入（2.1）式，得.75.13698291219546951695.110465.110196236==V 于是.)195(82639.38050223m V ≈≈即花岗岩巨石的体积约为195m 3.古埃及的金字塔形状为四面体，因而可通过测量其六条棱长去计算金字塔的体积.3 动物数量的按年龄段预测问题问题 某农场饲养的某种动物所能达到的最大年龄为15岁，将其分成三个年龄组：第一组，0～5岁；第二组，6～10岁；第三组，11～15岁.动物从第二年龄组起开始繁殖后代，经过长期统计，第二组和第三组的繁殖率分别为4和3.第一年龄和第二年龄组的动物能顺利进入下一个年龄组的存活率分别为12 和14 .假设农场现有三个年龄段的动物各100头，问15年后农场三个年龄段的动物各有多少头？问题分析与建模 因年龄分组为5岁一段，故将时间周期也取为5年.15年后就经过了3个时间周期.设)(k i x 表示第k 个时间周期的第i 组年龄阶段动物的数量（k =1，2，3；i =1，2，3）.因为某一时间周期第二年龄组和第三年龄组动物的数量是由上一时间周期上一年龄组存活下来动物的数量，所以有).3,2,1(41,21)1(2)(3)1(1)(2===--k x x x x k k k k又因为某一时间周期，第一年龄组动物的数量是由于一时间周期各年龄组出生的动物的数量，所以有).3,2,1(34)1(3)1(2)(1=+=--k x x x k k k于是我们得到递推关系式：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧==+=----.41,21,34)1(2)(3)1(1213)1(2)(1k k k k k k k x x x x x x x 用矩阵表示).3,2,1(0410021340)1(3)1(2)1(1)(3)(2)(1=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---k x x x x x x k k k k k k则).3,2,1()1()(==-k Lx x k k其中.100010001000,04100021340)0(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=x L 则有),3,2,1()(3)(2)(1)(=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=k x x x x k k k k,250500700010001000100004100021340)0()1(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==Lx x,12535002750250500700004100021340)1()2(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==Lx x .8751375143751253500275004100021340)2()3(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==Lx x 结果分析 15年后，农场饲养的动物总数将达到16625头，其中0～5岁的有14375头，占86.47%，6～10岁的有1375头，占8.27%，11～15岁的有875头，占 5.226%.15年间，动物总增长16625-3000=13625头，总增长率为13625/3000=454.16%.注 要知道很多年以后的情况，可通过研究式)0()1()(x L Lx x k k k ==-中当趋于无穷大时的极限状况得到.关于年龄分布的人口预测模型 我们将人口按相同的年限（比如5年）分成若干年龄组，同时假设各年龄段的田、女人口分布相同，这样就可以通过只考虑女性人口来简化模型.人口发展随时间变化，一个时间周期的幅度使之对应于基本年龄组间距（如先例的5年），令)(k i x 是在时间周期k 时第i 个年龄组的（女性）人口，i =1,2,…,n .用1表示最低年龄组，用n 表示最高年龄组，这意味着不考虑更大年龄组人口的变化.假如排除死亡的情形，则在一个周期内第i 个年龄组的成员将全部转移到i +1个年龄组.但是，实际上必须考虑到死亡率，因此这一转移过程可由一存活系数所衰减. 于是，这一转移过程可由下述议程简单地描述：),1,,2,1()1()(1-==-+n i x b x k ii k i其中i b 是在第i 个年龄组在一个周期的存活率，因子i b 可由统计资料确定.惟一不能由上述议程确定的年龄组是,)(1k x 其中的成员是在后面的周期内出生的，他们是后面的周期内成员的后代，因此这个年龄组的成员取决于后面的周期内各组的出生率及其人数.于是有方程,)1(122)1(11)(1---+++=k n n k k k x a x a x a x （3.1）这里),,2,1(n i a i =是第i 个年龄组的出生率，它是由每时间周期内，第i 个年龄组的每一个成员的女性后代的人数来表示的，通常可由统计资料来确定.于是我们得到了单性别分组的人口模型，用矩阵表示便是,00000000000)1()1(3)1(2)1(11211321)()(3)(2)(1⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡------k n k k k n n n k n k k k x x x x b b b a a a a a x x x x 或者简写成.)1()(-=k k Lx x （3.2）矩阵⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--000000000001211321n n n b b b a a a a a L称为Leslie 矩阵.由（3.2）式递推可得)0()1()(x L Lx x k k k ==-这就是Leslie 模型.4 企业投入产生分析模型问题 某地区有三个重要产业，一个煤矿、一个发电厂和一条地方铁路.开采一元钱的煤，煤矿要支付0.25元的电费及0.25元的运输费.生产一元钱的电力，发电厂要支付0.65元的煤费，0.05元的电费及0.05元的运输费.创收一元钱的运输费,铁路要支付0.55元的煤费及0.10元的电费.在某一周内，煤矿接到外地金额为50000元的定货，发电厂接到外地金额为25000元的定货，外界对地方铁路没有需求.问三个企业在这一周内总产值多少才能满足自身及外界的需求？数学模型 设x 1为煤矿本周内的总产值，x 2为电厂本周的总产值，x 3为铁路本周内的总产值，则⎪⎩⎪⎨⎧=⨯++-=++-=++⨯-,0)005.025.0(,25000)10.005.025.0(,50000)55.065.00(321332123211x x x x x x x x x x x x （4.1） 即.02500050000005.025.010.005.025.055.065.00321321⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡x x x x x x 即.025********,005.025.010.005.025.055.065.00,321⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=Y A x x x X 矩阵A 称为直接消耗矩阵，X 称为产出向量，Y 称为需求向量，则方程组（4.1）为,Y AX X =-即Y X A E =-)(， （4.2）其中矩阵E 为单位矩阵，（E-A ）称为列昂杰夫矩阵，列昂杰夫矩阵为非奇异矩阵.投入产出分析表 设,00000,)(3211⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=--=-x x x A C E A E B D=（1，1，1）C.矩阵B 称为完全消耗矩阵，它与矩阵A 一起在各个部门之间的投入产生中起平衡作用.矩阵C 可以称为投入产出矩阵，它的元素表示煤矿、电厂、铁路之间的投入产出关系.向量D 称为总投入向量，它的元素是矩阵C 的对应列元素之和，分别表示煤矿、电厂、铁路得到的总投入.由矩阵C ，向量Y ，X 和D ，可得投入产出分析表4.1.表4.1 投入产出分析表 单位：元 煤矿电厂铁路外界需求总产出煤矿 11c 12c 13c 1y 1x电厂 21c 22c 23c 2y 2x 铁路 31c32c33c 3y3x总投入1d 2d 3d计算求解 按（4.2）式解方程组可得产出向量X ，于是可计算矩阵C 和向量D ，计算结果如表4.2.表4.2 投入产出计算结果 单位：元 煤矿 电厂 铁路 外界需求 总产出 煤矿 0 36505.96 15581.51 50000 102087.48 电厂 25521.87 2808.15 2833.00 25000 56163.02 铁路 25521.87 2808.15 0 0 28330.02总投入51043.7442122.2718414.525 交通流量的计算模型问题 图5.1给出了某城市部分单行街道的交通流量（每小时过车数）.假设：（1）全部流入网络的流量等于全部流出网络的流量；（2）全部流入一个节点的流量等于全部流出此节点的流量.试建立数学模型确定该交通网络未知部分的具体流量.建模与计算 由网络流量假设，所给问题满足如下线方程组：234457612157891091083630050020080080010004002006001000x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x -+=⎧⎪+=⎪⎪-=⎪+=⎪⎪+=⎪⎨+=⎪⎪=⎪-=⎪⎪=⎪++=⎪⎩ 系数矩阵为11100000000011000000000011000110000000010001000000000001100000000001000000000110000000001010010100A -⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 增广矩阵阶梯形最简形式为1000100000800010010000000010000000200000110000050000000101008000000001100100000000000104000000000001600000000000000000000000B ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦其对应的齐次方程组为1525345687891000000000x x x x x x x x x x x x x +=⎧⎪-=⎪⎪=⎪+=⎪⎨+=⎪⎪+=⎪=⎪⎪=⎩取（x 5,x 8）为自由取值未知量，分别赋两组值为（1,0），（0,1），得齐次方程组基础解系中两个解向量()11,1,0,1,1,0,0,0,0,0,'η=--()20,0,0,0,0,1,1,1,0,0'η=--其对应的非齐次方程组为1525345687891080002005008001000400600x x x x x x x x x x x x x +=⎧⎪-=⎪⎪=⎪+=⎪⎨+=⎪⎪+=⎪=⎪⎪=⎩赋值给自由未知量（x 5,x 8）为（0,0）得非齐次方程组的特解()800,0,200,500,0,800,1000,0,400,600'x *=于是方程组的通解,*2211x k k x ++=ηη其中k 1，k 2为任意常数，x 的每一个分量即为交通网络未知部分的具体流量，它有无穷多解.6 小行星的轨道模型问题 一天文学家要确定一颗小行星绕太阳运行的轨道，他在轨道平面内建立以太阳为原点的直角坐标系，在两坐标轴上取天文测量单位（一天文单位为地球到太阳的平均距离：1.4959787×1011m ）.在5个不同的时间对小行星作了5次观察，测得轨道上5个点的坐标数据如表6.1.表6.1 坐标数据由Kepler （开普勒）第一定律知，小行星轨道为一椭圆.现需要建立椭圆的方程以供研究（注：椭圆的一般方程可表示为012225423221=+++++y a x a y a xy a x a .问题分析与建立模型 天文学家确定小行星运动的轨道时，他的依据是轨道上五个点的坐标数据：（x 1, y 1）, （x 2, y 2）, （x 3, y 3）, （x 4, y 4）, （x 5, y 5）.由Kepler 第一定律知，小行星轨道为一椭圆.而椭圆属于二次曲线，二次曲线的一般方程为012225423221=+++++y a x a y a xy a x a .为了确定方程中的五个待定系数，将五个点的坐标分别代入上面的方程，得2211211314151221222232425222132333343532214244344454221525535455522212221222122212221a x a x y a y a x a y a x a x y a y a x a y a x a x y a y a x a y a x a x y a y a x a y a x a x y a y a x a y ⎧++++=-⎪++++=-⎪⎪++++=-⎨⎪++++=-⎪⎪++++=-⎩这是一个包含五个未知数的线性方程组，写成矩阵⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡11111222222222222222543215525552544244424332333232222222211211121a a a a a y x y y x x y x y y x x y x y y x x y x y y x x y x y y x x 求解这一线性方程组，所得的是一个二次曲线方程.为了知道小行星轨道的一些参数,还必须将二次曲线方程化为椭圆的标准方程形式:12222=+bY a X 由于太阳的位置是小行星轨道的一个焦点,这时可以根据椭圆的长半轴a 和短半轴b 计算出小行星的近日点和远日点距离,以及椭圆周长L .根据二次曲线理论,可得椭圆经过旋转和平移两种变换后的方程如下:[]22120D X Y C λλ++=所以,椭圆长半轴:C D a 1λ=;椭圆短半轴: CDb 2λ=;椭圆半焦矩:22b ac -=.计算求解 首先由五个点的坐标数据形成线性方程组的系数矩阵⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=7200.69600.142896.112656.509504.550520.53360.143807.62127.363802.516460.35180.133233.36433.246841.454040.25720.124448.11115.155138.39292.1528.114199.04701.72237.33A使用计算机可求得12345(,,,,)(0.6143,0.3440,0.6942, 1.6351,0.2165)a a a a a =---从而⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=6942.03440.03440.06143.03221a a a a C C C ,3081.0=的特征值120.3080, 1.0005λλ==123235450.61430.3440 1.63510.34400.69420.21651 1.63510.21651a a a D a a a a a ---⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥==--⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦.8203.1-=D于是,椭圆长半轴a=19.1834,短半轴b=5.9045,半焦距c=18.2521.小行星近日点距和远日点距为039313,37.4355h a c H a c =-==+=最后,椭圆的周长的准确计算要用到椭圆积分,可以考虑用数值积分解决问题,其近似值为84.7887.7 人口迁移的动态分析问题 对城乡人口流动作年度调查,发现有一个稳定的朝向城镇流动的趋势:每年农村居民的2.5%移居城镇,而城镇居民的1%迁出.现在总人口的60%位于城镇.假如城乡总人口保持不变,并且人口流动的这种趋势继续下去,则一年以后住在城镇人口所占比例是多少两年以后呢十年以后呢最终呢解 设开始时,令乡村人口为,0y 城镇人口为,0z 一年以后有乡村人口,10011000975100y z y =+ 城镇人口 ,10099100025100z z y =+或写成矩阵形式⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡00111009910002510011000975z y z y . 两年以后,有.100991000251001100097510099100025100110009750021122⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡z y z y z y . 十年以后,有.100991000251001100097500101010⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡z y z y 事实上,它给出了一个差分方程:k k Au u =+1.我们现在来解这个差分方程.首先,1009910002510011000975⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=Ak 年之后的分布(将A 对角化):.75757275100200193115210000⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡z y z y A z y k k k k 这就是我们所要的解,而且容易看出经过很长一个时期以后这个解会达到一个极限状态.7572)(00⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∞∞z y z y 总人口仍是00z y +,与开始时一样,但在此极限中人口的75在城镇,而72在乡村.无论初始分布是什么样,这总是成立的.值得注意这个稳定状态正是A 的属于特征值1的特征向量.上述例子有一些很好的性质:人口总数保持不变,而且乡村和城镇的人口数决不能为负.前一性质反映在下面事实中:矩阵每一列加起来为1;每个人都被计算在内,而没有人被重复或丢失.后一性质则反映在下面事实中:矩阵没有负元素;同样地0y 和0z 也是非负的,从而1y 和21,y z 和2z 等等也是这样.8 常染色体遗传模型为了揭示生命的奥秘,遗传学的研究已引起了人们的广泛兴趣.动植物在产生下一代的过程中,总是将自己的特征遗传给下一代,从而完成一种“生命的延续”.在常染色体遗传中,后代从每个亲体的基因对中各继承一个基因,形成自己的基因对.人类眼睛颜色即是通过常染色体控制的,其特征遗传由两个基因A 和a 控制.基因对是AA 和Aa 的人,眼睛是棕色,基因对是aa 的人,眼睛为蓝色.由于AA 和Aa 都表示了同一外部特征,或认为基因A 支配a ,也可认为基因a 对于基因A 来说是隐性的(或称A 为显性基因,a 为隐性基因).下面我们选取一个常染色体遗传——植物后代问题进行讨论.某植物园中植物的基因型为AA ,Aa ,aa .人们计划用AA 型植物与每种基因型植物相结合的方案培育植物后代.经过若干年后,这种植物后代的三种基因型分布将出现什么情形我们假设),2,2,0(,, =n c b a n n n 分别代表第n 代植物中,基因型为AA ,Aa 和aa 的植物占植物总数的百分率,令),,()('=n n n n c b a x为第n 代植物的基因分布, ),,(000)0('=c b a x 表示植物基因型的初始分布,显然,我们有.1000=++c b a (8.1)先考虑第n 代中的AA 型，第1-n 代AA 型与AA 型相结合，后代全部是AA 型；第1-n 代的Aa 型与和与AA 相结合，后代是AA 型的可能性为21；1-n 代的aa 型与AA 型相结合，后代不可能是AA 型。

浅谈线性代数的一些应用实例一、关于矩阵运算的应用1．数学期望值准则。

把各种行动方案看成不同的随机变量，每个方案对应若干种状态，假设它们的概率是已知的，每个方案在各种状态下的效益看成随机变量的取值。

数学期望准则就是将每个行动方案的数学期望计算出来，视其决策目标的情况选择最优行动方案。

如果决策目标是利润、效益等最大，则采用期望值最大的行动方案；如果决策目标是成本、损失等最小，则采用期望值最小的行动方案。

用X表示各行动方案的集合，N表示各具体行动方案所处各种状态的集合，它们的概率写成向量P，效益值写成矩阵A（其中，列向量代表不同的随机变量在各种状态的取值）：N=(N1,・・・,Nn)，P=(P1(N1),・・・,Pn(Nn))，X=(X1,・・・,Xm)，A=(aij)m×n。

则数学期望E(X)=(E(X1),・・・,E(Xn))=PA，决策就是确定向量E(X)的最大分量或最小分量所对应的行动方案。

例某投资者要在两种产品间作投资选择：生产领带或旅游鞋。

生产领带需投资800万元，生产旅游鞋需投资1000万元。

两者的生产年限都是8年，估计在此期间两个方案的产品销售状况出现好、中、差的概率都是0.5、0.3、0.2。

生产领带在好、中、差的状况下的年纯利润分别为400万元、300万元、50万元；生产旅游鞋在好、中、差的状况下的年纯利润分别为500万元、400万元、120万元。

试按数学期望值准则对这两种方案进行决策。

解：P=(0.5,0.3,0.2)，A=■T，X1=产领带，X2=产旅游鞋。

令Y=8X－Y0，这里Y0=(800,1000)，则EY=8(EX)－Y0=8PA－Y0=(1600,2152)，因此应采取生产旅游鞋方案。

2．矩阵乘幂的应用。

例某高校所在地本地学生度周末有回家和在校两种选择。

统计数据显示，本周末回家的学生，下周末回家的几率为2/5，本周末在校的学生下周末在校的几率是1/5。

已知第一周末有30%本地学生回家。

线性代数应用案例线性代数是数学中的一个重要分支，它研究向量空间和线性映射的理论。

线性代数的应用非常广泛，涉及到物理学、工程学、计算机科学等多个领域。

本文将介绍线性代数在实际应用中的一些案例，以帮助读者更好地理解和应用线性代数知识。

1. 机器学习中的特征空间转换。

在机器学习领域，特征空间转换是一种常见的数据预处理方法。

通过线性代数中的矩阵运算，可以将原始的高维特征空间转换为新的低维特征空间，从而实现对数据的降维处理。

这种方法不仅可以减少数据的维度，还可以保留数据的主要特征，提高机器学习模型的训练效果。

2. 图像处理中的矩阵变换。

在图像处理领域，矩阵变换是一种常用的技术。

通过线性代数中矩阵的旋转、缩放、平移等运算，可以实现对图像的各种变换操作，如图像的旋转、放大缩小、平移等。

这些操作可以帮助我们实现图像的处理和增强，提高图像的质量和美观度。

3. 电路分析中的矩阵方程。

在电路分析中，线性代数的矩阵方程是一种常用的建模和求解方法。

通过建立电路元件的电压电流关系，并转化为矩阵方程组，可以利用线性代数的方法求解电路中各个节点的电压和电流。

这种方法不仅简化了电路分析的复杂度，还可以有效地分析和设计各种复杂电路。

4. 控制系统中的状态空间模型。

在控制系统领域，线性代数的状态空间模型是一种常用的描述和分析方法。

通过线性代数的矩阵运算，可以将控制系统的动态方程转化为状态空间模型，从而实现对控制系统的建模和分析。

这种方法不仅可以方便地进行系统的稳定性和性能分析，还可以实现对控制系统的设计和优化。

5. 金融工程中的投资组合优化。

在金融工程领域，线性代数的投资组合优化是一种常见的方法。

通过建立投资组合的收益和风险之间的线性关系，并利用线性代数的优化方法，可以实现对投资组合的优化配置。

这种方法不仅可以帮助投资者实现收益和风险的平衡，还可以提高投资组合的收益率和稳定性。

总结。

线性代数作为一门重要的数学学科，其在实际应用中发挥着重要的作用。

应用线性代数解决实际问题线性代数作为数学的一个重要分支，广泛应用于各个领域，包括计算机科学、物理学、经济学等。

它不仅是数学家们研究的重要工具，更是解决实际问题的有效途径。

本文将通过具体案例，介绍线性代数在实际问题中的应用，从而展示其强大的解决能力。

案例一：网络流量优化现代社会离不开互联网，而网络流量的优化是提高互联网服务质量的重要问题之一。

假设我们有一组服务器，每个服务器的带宽和消耗成本有所不同，现在需要将用户的请求合理地分配到这些服务器上，以最大化带宽利用率并最小化消耗成本。

这就可以转化为一个线性代数中的线性规划问题。

首先，我们可以用一个向量表示服务器的带宽，用另一个向量表示服务器的消耗成本。

设请求到达的向量为x，那么我们的目标就是最大化带宽利用率和最小化消耗成本，可以构建如下优化模型：maximize cᵀx subject to Ax ≤ b其中，c是服务器的消耗成本向量，x是请求到达的向量，A是服务器带宽的矩阵，b是服务器的带宽上限。

通过求解这个线性规划问题，我们可以得到最佳的请求分配方案，从而实现网络流量的优化。

案例二：图像处理线性代数在图像处理中有着广泛的应用。

以黑白图片为例，可以将其表示为一个矩阵，其中的元素代表每个像素点的灰度值。

通过矩阵的加减、乘除运算，以及线性变换等操作，可以实现图像的平移、旋转、缩放等处理效果。

举个例子，假设我们想要将一张黑白图片的亮度增加一倍。

我们可以将这张图片表示为一个矩阵A，然后构造一个倍增矩阵B，即每个元素都是2。

通过这两个矩阵的乘法运算，即可实现亮度的增加。

这个过程可以用下面的表达式表示：A' = BA其中，A'表示亮度增加后的图像矩阵。

通过线性代数的运算，我们可以方便地实现图像处理中的各种效果。

总结线性代数作为数学的重要分支，具有广泛的应用领域。

本文通过网络流量优化和图像处理两个具体案例，展示了线性代数在实际问题中的应用。

线性代数的强大解决能力不仅能帮助我们解决现实生活中的问题，同时也为我们提供了一种思维方式和方法论。

线性代数在工程技术中的应用案例解析一、简介线性代数是数学中的一个重要分支，它的应用十分广泛，尤其在工程技术领域中发挥着重要的作用。

本文将通过几个具体的案例，探讨线性代数在工程技术中的应用，并进行详细的解析。

二、案例一：图像处理中的矩阵变换在图像处理领域，矩阵变换是一项常用的技术。

例如，通过线性代数中的矩阵乘法运算，可以实现图像的旋转、平移、缩放等操作。

假设我们有一张图片，我们可以将其表示为一个二维矩阵，每个像素点对应矩阵中的一个元素。

通过对这个二维矩阵进行线性代数运算，我们可以实现对图像的各种变换操作。

以旋转为例，我们可以通过构造旋转矩阵，将原始图像进行旋转，从而得到新的图像。

这样的应用不仅可以用于图像处理软件，还可以应用于计算机游戏、计算机图形学等领域。

三、案例二：机器学习中的线性回归在机器学习中，线性回归是一个重要的算法。

线性回归可以用于建立输入变量与输出变量之间的线性关系模型。

这个模型可以通过线性方程来表示，其中输入变量和输出变量都可以表示为向量形式。

线性回归的目标是找到最佳拟合的线性方程，从而实现对未知数据的预测。

在实际应用中，线性回归可以用于预测房价、股票价格、销售额等各种实际问题。

线性回归利用线性代数中的矩阵运算方法，通过求解最小二乘法问题，得到最佳的回归参数。

四、案例三：控制系统中的状态空间法在控制系统中，状态空间法是一种常用的分析与设计方法。

状态空间模型可以用线性代数中的矩阵形式来表示。

通过将系统的状态、输入、输出表示为向量形式，并通过状态方程和输出方程来描述系统的动态行为，可以利用线性代数方法分析系统的稳定性、可控性、可观测性等特性，并进行系统控制器的设计与优化。

这种方法广泛应用于电力系统、机械系统、飞行器控制等领域。

五、案例四：密码学中的线性代数在密码学中，线性代数常常用来构造密码算法。

例如，RSA加密算法中，使用了大数的乘法和模运算，这是线性代数中的矩阵乘法与模运算的扩展。

线性代数应用案例线性代数是数学中的一个重要分支，它的应用涵盖了各个领域，如物理、工程、计算机科学等。

在现实生活中，我们经常会遇到很多与线性代数相关的问题，下面将介绍一些线性代数在实际应用中的案例。

1. 图像处理。

图像处理是线性代数的一个重要应用领域。

在图像处理中，我们常常需要对图像进行旋转、缩放、平移等操作。

这些操作都可以通过矩阵运算来实现。

例如，对一个二维图像进行旋转操作，可以通过矩阵乘法来实现。

另外，图像的压缩和解压缩也离不开线性代数的知识，通过矩阵的奇异值分解等方法可以实现图像的压缩和还原。

2. 机器学习。

机器学习是近年来发展迅猛的领域，而线性代数在机器学习中起着至关重要的作用。

在机器学习中，我们通常会遇到大量的数据，而这些数据往往可以表示为矩阵的形式。

通过对这些矩阵进行运算，可以实现对数据的分析、分类、预测等操作。

例如，在线性回归模型中，我们通常会使用矩阵的转置、逆等运算来求解模型的参数。

3. 电路分析。

在电路分析中，线性代数也有着重要的应用。

电路可以表示为一个由电阻、电容、电感等元件组成的网络，而这些元件之间的关系可以通过线性方程组来描述。

通过对这些线性方程组进行求解，可以得到电路中电流、电压等参数的值，从而实现对电路的分析和设计。

4. 三维动画。

在三维动画的制作过程中，线性代数也扮演着重要的角色。

在三维空间中，我们需要对物体进行平移、旋转、缩放等操作，而这些操作都可以通过矩阵来实现。

另外，在三维动画中，我们还需要对光照、阴影等效果进行处理，而这些效果的计算也离不开线性代数的知识。

5. 数据压缩。

数据压缩是线性代数的又一重要应用领域。

在现实生活中，我们经常会遇到大量的数据，而这些数据往往会占用大量的存储空间。

通过线性代数的方法，我们可以对这些数据进行压缩，从而节省存储空间。

例如，通过矩阵的奇异值分解等方法，可以实现对数据的压缩和还原，从而达到节省存储空间的目的。

总之，线性代数在各个领域都有着重要的应用，它不仅为我们解决了许多实际问题，也为我们提供了丰富的数学工具和方法。

线性代数在日常生活中的应用线性代数是数学中的一个分支，研究向量空间和线性映射的理论和方法。

虽然线性代数在数学领域中具有重要的地位，但它的应用不仅限于数学领域，而且在日常生活中也有广泛的应用。

本文将探讨线性代数在日常生活中的几个应用领域。

一、图像处理中的线性代数图像处理是现代生活中常见的应用领域之一。

在图像处理中，线性代数被广泛应用于图像的压缩、增强和恢复等方面。

首先，图像的压缩是通过线性代数中的矩阵运算来实现的。

例如，JPEG压缩算法中使用了离散余弦变换（DCT），将图像分解为一系列频域系数，然后通过量化和编码来实现图像的压缩。

DCT的计算过程涉及到矩阵的乘法和逆变换，这正是线性代数的核心内容。

其次，图像的增强也离不开线性代数的应用。

例如，通过调整图像的对比度和亮度，可以改善图像的视觉效果。

这可以通过线性代数中的矩阵变换来实现，如亮度矩阵和对比度矩阵的线性组合。

最后，图像的恢复是指通过处理失真或受损的图像，使其恢复到原始状态。

在图像恢复中，线性代数的技术可以用于估计和补偿图像中的噪声和失真。

例如，通过最小二乘法来拟合损坏图像中的缺失数据，从而恢复出完整的图像。

二、网络流量优化中的线性代数网络流量优化是指在网络通信中，通过优化数据传输的路径和带宽分配，以实现网络资源的最优利用和性能的最大化。

线性代数在网络流量优化中发挥了重要作用。

首先，线性代数的矩阵运算可以用于表示和计算网络中的连接矩阵。

连接矩阵描述了网络中节点之间的连接关系和传输通道的带宽情况。

通过对连接矩阵进行线性代数运算，可以确定网络中的最优路径和带宽分配，从而实现网络流量的优化。

其次，线性代数的特征值和特征向量可以用于分析网络中的节点和传输通道的稳定性和性能。

例如，通过计算连接矩阵的特征值和特征向量，可以评估网络中的瓶颈节点和瓶颈通道，从而采取相应的措施进行优化。

最后，线性代数的最优化方法可以用于解决网络流量优化中的优化问题。

例如，通过线性规划和凸优化等方法，可以确定网络中的最优路径和带宽分配，以最大化网络资源的利用率和性能的提升。

线性代数与实际问题的应用实例线性代数是一门数学课程，涵盖了向量、矩阵、线性方程组、线性变换等多个方面的知识。

尽管看起来有些抽象，但它在现实生活中有着广泛的应用。

下面，我将通过几个实际的例子来展示线性代数在实际问题中的应用。

1. 图像压缩压缩图像是减小图像文件大小的关键过程。

在图像压缩领域，线性代数的基础知识是必要的。

首先，我们将一幅图像表示成一个矩阵，其中每个元素表示一个像素的亮度值。

在压缩图像时，我们可以使用奇异值分解（SVD）来详细分析这个矩阵。

SVD 可以将原始矩阵分解成几个对角矩阵和两个正交矩阵的乘积。

在这个过程中，我们可以删除对角矩阵中的一些元素以减小图像的大小，同时保存几个重要的对角矩阵元素以保持图像质量。

2. 寻找相似的文本在文本分析中，找到相似文本是一个重要的问题。

这项任务也可以通过线性代数技术来解决。

我们首先把每篇文档表示成一个向量，向量中每个元素代表一组词频或 TF-IDF 值。

然后，我们可以计算每个向量之间的余弦相似度，这个余弦相似度可以表示这两个向量之间的夹角余弦值。

这个值越大，表示两个向量越相似。

使用线性代数中的矩阵运算可以快速计算这些余弦相似度。

我们可以使用相似度矩阵来找到相似的文档，从而精确地比较文档之间的相关性。

3. 识别手写数字机器学习是一个应用非常广泛的领域，在这个领域中，线性代数同样扮演了重要的角色。

我们可以使用线性代数中的矩阵和向量操作来训练模型，从而识别手写数字。

我们先将手写数字转换成矩阵形式，每个矩阵表示一个数字。

然后，我们可以将这些矩阵向量化，并用它们作为模型的输入。

我们可以使用线性分类器，如 SVM 或逻辑回归来训练模型。

这些模型的训练过程通常使用线性代数中的矩阵运算来优化，从而找到最佳的线性分类器。

一旦模型被训练好，我们就可以将新的手写数字输入到模型中进行预测。

结论线性代数是一个非常重要的数学学科，涉及到多个领域的应用。

本文介绍了线性代数在图像压缩、文本分析和机器学习等领域的应用实例。