工程数学课件5.2
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控制⼯程数学模型1 控制系统的数学模型数学模型是描述系统输⼊量、输出量以及内部各变量之间关系的数学表达式,揭⽰了系统结构及其参数与其性能之间的内在关系。
静态数学模型:静态条件(变量各阶导数为零)下描述变量之间关系的代数⽅程。
反映系统处于稳态时,系统状态有关属性变量之间关系的数学模型。
动态数学模型:描述变量各阶导数之间关系的微分⽅程,描述动态系统瞬态与过渡态特性的模型。
也可定义为描述实际系统各物理量随时间演化的数学表达式。
微分⽅程或差分⽅程常⽤作动态数学模型。
对于给定动态系统,数学模型表达不唯⼀。
⼯程上常⽤的有:微分⽅程,传递函数和状态⽅程。
不过对于线性系统,它们之间是等价的。
2 建⽴数学模型的⽅法1. 解析法依据系统及元件各变量之间所遵循的物理规律写出相应的数学关系式,建⽴模型。
2. 实验法⼈为地对系统施加某种测试信号,记录其输出响应,并⽤适当的数学模型进⾏逼近,这种⽅法也称为系统辨识。
3 数学模型的形式1. 时间域微分⽅程差分⽅程状态⽅程(⼀阶微分⽅程组)2. 复数域传递函数结构图3. 频率域频率域4 建⽴数学模型的⼀般步骤⽤解析法列写系统或元件微分⽅程的⼀般步骤是:1. 分析系统⼯作原理和信号传递变换过程,确定系统和各元件的输⼊、输出量。
2. 从系统输⼊端开始,按照信号传递变换过程,依据各变量所遵循的物理学定律,依次列写各元件、部件的动态微分⽅程。
3. 消去中间变量,得到⼀个描述元件或系统输⼊、输出变量之间关系的微分⽅程。
4. 写成标准化形式。
与输⼊有关项放在等式右侧,与输出有关项放在等式左侧,且各阶导数项按降幂排列。
5 控制系统微分⽅程的列写5.1 机械系统在机械系统中,有些构件惯性和刚度较⼤,有些构件惯性较⼩、柔度较⼤。
我们将前者的弹性忽略视其为质量块,将后者的惯性忽略视其为⽆质量弹簧。
这样,机械系统便可以抽象为质量-弹簧-阻尼系统。
1. 质量2. 弹簧3. 阻尼5.1.1 机械平移系统列出各元件的动态微分⽅程:消去中间变量并写成标准形式:式中,m、D、k通常均为常数,故机械平移系统可以由⼆阶常系数微分⽅程描述。
第1篇一、前言工程数学作为工程学科的基础学科,在工程领域中扮演着举足轻重的角色。
它涉及数学理论、数学方法以及数学应用等多个方面,对于提高工程人员的数学素养、解决实际问题具有重要意义。
以下是我对工程数学的一些读书笔记摘抄,希望能为大家提供一些参考。
二、线性代数1. 矩阵的运算线性代数中,矩阵的运算包括加法、减法、乘法、转置等。
矩阵的乘法具有以下性质:(1)结合律:\( (AB)C = A(BC) \)(2)分配律:\( A(B+C) = AB + AC \),\( (A+B)C = AC + BC \)(3)单位矩阵:任何矩阵与单位矩阵相乘,结果仍为原矩阵。
2. 线性方程组线性方程组是线性代数研究的重要内容。
线性方程组可以分为以下几种情况:(1)无解:方程组的系数矩阵与增广矩阵的秩不同。
(2)唯一解:方程组的系数矩阵与增广矩阵的秩相同,且等于方程组的未知数个数。
(3)无穷多解:方程组的系数矩阵与增广矩阵的秩相同,但小于方程组的未知数个数。
3. 特征值与特征向量特征值与特征向量是线性代数中的重要概念。
一个矩阵\( A \)的\( \lambda \)值称为\( A \)的特征值,\( A \)的对应特征向量是满足\( Av = \lambda v \)的向量\( v \)。
三、概率论与数理统计1. 概率论的基本概念概率论是研究随机现象规律性的数学分支。
概率论的基本概念包括:(1)样本空间:所有可能结果的集合。
(2)事件:样本空间的一个子集。
(3)概率:事件发生的可能性大小。
2. 随机变量与分布函数随机变量是描述随机现象的数学工具。
随机变量的分布函数描述了随机变量取值的概率分布。
3. 数理统计方法数理统计方法包括描述性统计、推断性统计和假设检验等。
四、复变函数1. 复数及其运算复数是数学中的一个重要概念。
复数\( z = a + bi \)的实部为\( a \),虚部为\( b \)。
复数的运算包括加法、减法、乘法、除法等。
目 录
第1章 行列式
1.1 复习笔记
1.2 课后习题详解
1.3 考研真题详解
第2章 矩阵及其运算
2.1 复习笔记
2.2 课后习题详解
2.3 考研真题详解
第3章 矩阵的初等变换与线性方程组
3.1 复习笔记
3.2 课后习题详解
3.3 考研真题详解
第4章 向量组的线性相关性4.1 复习笔记
4.2 课后习题详解
4.3 考研真题详解
第5章 相似矩阵及二次型5.1 复习笔记
5.2 课后习题详解
5.3 考研真题详解
第6章 线性空间与线性变换6.1 复习笔记
6.2 课后习题详解
6.3 考研真题详解
第1章 行列式
1.1 复习笔记
一、二阶与三阶行列式
1二阶行列式
定义 将四个数,,,按一定位置,排成二行二列的数表:
则表达式就是数表的二阶行列式,并记作
2三阶行列式
定义 设有9个数排成3行3列的数表
记
该式称为数表所确定的三阶行列式.
二、全排列和对换
1全排列。
目 录第1章 行列式1.1 复习笔记1.2 课后习题详解1.3 考研真题详解第2章 矩阵及其运算2.1 复习笔记2.2 课后习题详解2.3 考研真题详解第3章 矩阵的初等变换与线性方程组3.1 复习笔记3.2 课后习题详解3.3 考研真题详解第4章 向量组的线性相关性4.1 复习笔记4.2 课后习题详解4.3 考研真题详解第5章 相似矩阵及二次型5.1 复习笔记5.2 课后习题详解5.3 考研真题详解第6章 线性空间与线性变换6.1 复习笔记6.2 课后习题详解6.3 考研真题详解第1章 行列式1.1 复习笔记一、二阶与三阶行列式1二阶行列式定义 将四个数,,,按一定位置,排成二行二列的数表:则表达式就是数表的二阶行列式,并记作2三阶行列式定义 设有9个数排成3行3列的数表记该式称为数表所确定的三阶行列式.二、全排列和对换1全排列把n个不同的元素排成一列,称为这n个元素的全排列.n个不同元素的所有排列的种数,通常用P n表示.(1)逆序数定义对于n个不同的元素,先规定各元素之间有一个标准次序(例如,个不同的自然数,可规定由小到大为标准次序),于是在这n个元素的任一排列中,当某两个元素的先后次序与标准次序不同时,就说构成1个逆序.一个排列中所有逆序的总数称为这个排列的逆序数.(2)分类逆序数是奇数的排列称为奇排列,逆序数是偶数的排列称为偶排列.(3)逆序数的计算设n个元素为1至n这n个自然数,并规定由小到大为标准次序.设为这n个自然数的一个排列,考虑元素,如果比p i大的且排在p i前面的元素有t i个,则称p i这个元素的逆序数为t i.全体元素的逆序数的总和即是这个排列的逆序数.2对换(1)定义对换是在排列中,将任意两个元素对调,其余元素不动.将相邻两个元素对换称为相邻对换.(2)性质①排列中的任意两个元素对换,排列改变奇偶性.②奇排列对换成标准排列的对换次数为奇数,偶排列对换成标准排列的对换次数为偶数.三、n阶行列式1定义称为n阶行列式,简记作,其中数a ij为行列式D的第(i,j)元素.2两类典型的n阶行列式(1)下三角形行列式(2)对角行列式3行列式的性质(1)行列式与它的转置行列式相等.(2)对换行列式的两行(列),行列式变号.(3)如果行列式有两行(列)元素成比例,则此行列式等于零.(4)行列式的某一行(列)中所有的元素都乘同一数k,等于用数k乘此行列式.(5)若行列式的某一行(列)的元素都是两数之和,则可以将该行列式拆分成两个行列式之和.(6)把行列式的某一列(行)的各元素乘以同一数然后加到另一列(行)对应的元素上去,行列式不变.四、行列式按行(列)展开1余子式与代数余子式在n阶行列式中,把(i,j)元a ij所在的第i行和第j列划去后,留下来的n -1阶行列式称为(i,j)元a ij的余子式,记作M ij,记A ij称为(i,j)元a ij的代数余子式.2定理行列式等于它的任一行(列)的各元素与其对应的代数余子式乘积之和,即或 3范德蒙德行列式4代数余子式的推论行列式某一行(列)的元素与另一行(列)的对应元素的代数余子式乘积之和等于零.即或5代数余子式的重要性质或.1.2 课后习题详解1利用对角线法则计算下列三阶行列式:2按自然数从小到大为标准次序,求下列各排列的逆序数:(1)1 2 3 4;(2)4 1 3 2;(3)3 4 2 1;(4)2 4 1 3;(5)13…(2n-1)24…(2n);(6)13…(2n-1)(2n)(2n-2)…2.解:(1)此排列为标准排列,其逆序数为0;(2)此排列的首位元素4的逆序数为0,第2位元素1的逆序数为1,第3位元素3的逆序数为1,末位元素2的逆序数为2,故它的逆序数为0+1+1+2=4;(3)此排列的前两位元素的逆序数均为0,第3位元素2的逆序数为2;末位元素1的逆序数为3,故它的逆序数为0+0+2+3=5;(4)此排列的从首位元素到末位元素的逆序数依次为0,0,2,1,因此它的逆序数为0+0+2+1=3;(5)此排列中前n位元素的逆序数均为0.第n+1位元素2与它前面的n -1个数构成逆序对,所以它的逆序数为n-1;同理可知,第n+2位元素4的逆序数为n-2……末位元素2n的逆序数为0.因此该排列的逆序数为(6)此排列的前n+1位元素的逆序数均为0;第n+2位元素(2n-2)的逆序数为2;第n+3位元素2n-4与它前面的2n-3,2n-1,2n,2n-2构成逆序对,所以它的逆序为4,……,末位元素2的逆序数为2(n-1),因此该排列的逆序数为3写出四阶行列式中含有因子的项.解:根据行列式定义可知,此项必定还含有分别位于第3行和第4行的某两元素,而它们又分别位于第2列和第4列,即a32和a44或a34和a42.又因排列1324与1342的逆序数分别为1与2,所以此行列式中含有的项为与4计算下列各行列式:解:(1)(2);(3)(4)(5)(6)5求解下列方程:其中a,b,c互不相等.因此方程的解为.(2)根据题意,方程左式为4阶范德蒙德行列式,则有因a,b,c互不相等,因此方程的解为6证明:(2)将左式按第1列拆开可以得到因此有其中于是因此,(5)方法一 按第1列展开得方法二 按最后一行展开得7设n阶行列式,把D上下翻转、或逆时针旋转、或依副对角线翻转,依次得证明证:(1)通过对换行将D1变换成D,从而可找出D1与D的关系:D1的最后一行是D的第1行,把它依次与前面的行交换,直至换到第1行,共进行n-1次交换;这时最后一行是D的第2行,把它依次与前面的行交换,直至换到第2行,共进行n-2次交换……直至最后一行是D 的第n-1行,再通过一次交换将它换到第n-1行,这样就把D1变换成D,共进行次交换,故.(2)计算D2:观察可知,D2的第1,2,…,n行恰好依次是D的第n,n-1,…,1列,因此若把D2上下翻转得,则的第1,2,…,n行依次是D的第1,2,…,n列,即.于是由(1)有(3)计算D3:观察可知,若把D3逆时针旋转90°得,则的第1,2,…n列恰好是D的第n,n-1,…,1列,于是再把左右翻转就得到D.由(1)、(2)有8计算下列各行列式(D k为k阶行列式):,其中对角线上元素都是a,未写出的元素都是0;;;提示:利用范德蒙德行列式的结果.,其中未写出的元素都是0;;,其中a ij=|i-j|;,其中解:(1)方法一 化D n为上三角形行列式上式中最后那个行列式为上三角形行列式;方法二 把D n按第二行展开,由于D n的第二行除对角线元素外全为零,因此有,即于是有 (2)利用各列的元素之和相同,把从第二行起的各行全部加到第一行,再提取公因式.(3)把所给行列式上下翻转,即为范德蒙德行列式,若再将它左右翻转,由于上下翻转与左右翻转所用交换次数相等,因此行列式经上下翻转再左右翻转,即相当于转180°,其值不变.于是按范德蒙德行列式的结果可得(4)可用递推法即有递推公式另外,归纳基础为,利用这些结果可递推得(5)把第一行除外的所有行都加到第一行,并提取第一行的公因子,得(6)(7)可将原行列式化为上三角形行列式,需从第2行起,各行均减去第1行,得行列式其中.于是9设,D的(i,j)元的代数余子式记作A ij,求.解:求,则等于用1,3,-2,2替换D的第3行对应元素所得行列式,即1.3 考研真题详解一、选择题行列式等于( ).[数一、数二、数三 2014研]A. B.C. D.【答案】B【解析】二、填空题1阶行列式 [数一 2015研]【答案】【解析】将阶行列式按第一行展开2设是三阶非零矩阵,为A的行列式,A ij为a ij的代数余子式,若,则|A|=______.[数一、数二、数三 2013研]【答案】-1【解析】由可知,故3设A,B为3阶矩阵,且.[数二、数三2010研]【答案】3【解析】因为所以第2章 矩阵及其运算2.1 复习笔记一、线性方程组和矩阵1线性方程组(1)n元非齐次线性方程组设有n个未知数m个方程组的线性方程组当常数项不全为零时,该方程组称为n元非齐次线性方程组.(2)n元齐次线性方程组含有n个未知数m个方程组的线性方程组称为n元齐次线性方程组.2矩阵(1)定义由m×n个数a ij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)排成的m行n列的数表称为m行n列矩阵,简称m×n矩阵.记为(2)分类①实矩阵 矩阵元素都为实数的矩阵.②复矩阵 矩阵元素为复数的矩阵.③行矩阵/列矩阵 又称行向量/列向量,只有一行(列)的矩阵.④n阶方阵 行数与列数都等于n的矩阵称为n阶方阵.⑤零矩阵 元素都是零的矩阵.⑥对角矩阵 对角线以外的元素都是0的方阵.⑦单位矩阵 对角线上元素都为1的对角矩阵.二、矩阵的运算1矩阵的加法(1)定义设有两个m×n矩阵A=(a ij)和B=(b ij),则矩阵A与B的和记作A+B,规定为注意:只有当两个矩阵是同型矩阵时,这两个矩阵才能进行加法运算.(2)运算规律设A,B,C都是m×n矩阵,则①A+B=B+A;②(A+B)+C=A+(B+C);③设矩阵A=(a ij),记:-A=(-a ij),-A称为矩阵A的负矩阵,显然有A+(-A)=0,由此规定矩阵的减法为:A-B=A+(-B).2数与矩阵相乘(1)定义数λ与矩阵A的乘积记作λA或Aλ,规定为(2)运算规律设A、B为m×n矩阵,λ、μ为数,则①(λμ)A=λ(μA);②(λ+μ)A=λA+μA;③λ(A+B)=λA+λB.3矩阵与矩阵相乘(1)定义设A=(a ij)是一个m×s矩阵,B=(b ij)是一个s×n矩阵,则规定矩阵A 与矩阵B的乘积是一个m×n矩阵C=(c ij),其中并把此乘积记为C=AB.(2)运算规律①(AB)C=A(BC);②(AB)=(A)B=A(B)(其中λ为数);③A(B+C)=AB+AC,(B+C)A=BA+CA;④EA=AE=A;⑤.(3)注意①只有当第一个矩阵(左矩阵)的列数等于第二个矩阵(右矩阵)的行数时,两个矩阵才能相乘.②矩阵的乘法一般不满足交换律,即在一般情形下,AB≠BA.③对于两个n阶方阵A,B,若AB=BA,则称方阵A与B是可交换的.④若有两个矩阵A,B,满足AB=0,不能得出A=0或B=0的结论;若A≠0,而A(X-Y)=0也不能得出X=Y的结论.三、矩阵的转置1定义把矩阵A的行换成同序数的列得到一个新矩阵,称为A的转置矩阵,记作A T.2转置运算(1)(A T)T=A;(2)(A+B)T=A T+B T;(3)(λA)T=λA T;(4)(AB)T=B T A T.3对称矩阵设A为n阶方阵,如果满足A T=A,即a ij=a ji(i,j=1,2…,n),则称A为对称矩阵.四、方阵的行列式1定义由n阶方阵A的元素所构成的行列式(各元素的位置不变),称为方阵A 的行列式,记作detA或|A|.2由A确定|A|的运算规律假设A、B为n阶方阵,λ为数:(1)|A T|=|A|;(2)|λA|=λn|A|;(3)|AB|=|A||B|.3伴随矩阵行列式|A|的各个元素的代数余子式A ij所构成的如下的矩阵称为矩阵A的伴随矩阵,简称伴随阵.一般地,五、逆矩阵1定义对于n阶矩阵A,如果有一个n阶矩阵B,使AB=BA=E,则称矩阵A是可逆的,并把矩阵B称为A的逆矩阵,A又称B的逆矩阵,简称逆阵.2性质(1)若矩阵A是可逆的,则A的逆矩阵是唯一的.(2)若矩阵A可逆,则|A|≠0.(3)若|A|≠0,又称A为非奇异矩阵,则矩阵A可逆,且,其中A*为矩阵A的伴随矩阵.若|A|=0,称A为奇异矩阵,A不可逆.(4)A为可逆矩阵的充要条件是|A|≠0.3逆矩阵运算规律:(1)若A可逆,则A-1也可逆,且;(2)若A可逆,数λ≠0,则λA可逆,且(3)若A、B为同阶矩阵且均可逆,则AB也可逆,且;(4)若AB=E(或BA=E),则B=A-1.六、克拉默法则含有n个未知数x1,x2,…,x n的n个线性方程的方程组 (2-1-1)它的解可以用n阶行列式表示,即有克拉默法则:如果线性方程组(2-1-1)的系数矩阵A的行列式不等于零,即则方程组(2-1-1)有唯一解其中A j(j=1,2,…,n)是把系数矩阵A中第j列的元素用方程组右端的常数项代替后所得到的n阶矩阵,即七、矩阵分块法1定义将矩阵A用若干条纵线和横线分成许多个小矩阵,每一个小矩阵称为A的子块,以子块为元素的形式上的矩阵称为分块矩阵.2矩阵分块法(1)设矩阵A与B的行数相同、列数相同,采用相同的分块法,有其中A ij与B ij的行数相同、列数相同,则(2)设,λ为数,则.(3)设A为m×l矩阵,B为l×n矩阵,分块成其中A i1,A i2,…,A it的列数分别等于B1j,B2j,…,B tj的行数,则其中(4)设,则(5)设A为n阶方阵,若A的分块矩阵只有在对角线上有非零子块,其余子块都为零矩阵,且在对角线上的子块都是方阵,即其中A i(i=1,2,…,s)都是方阵,则称A为分块对角矩阵.分块对角矩阵的行列式具有下述性质由此性质可知,若,则,并有2.2 课后习题详解1计算下列乘积:(1);(2);(3);(4);(5).解:(1);(2);(3);(4);(5)2设,求3AB-2A及A T B.解:则有因A T=A,即A为对称阵,所以3已知两个线性变换求从z1,z2,z3到x1,x2,x3的线性变换.解:依次将两个线性变换写成矩阵形式其中分别为对应的系数矩阵;在这些记号下,从z1,z2,z3到x1,x2,x3的线性变换的矩阵形式为,此处矩阵即有4假设,问:(1)AB=BA吗?(2)(A+B)2=A2+2AB+B2吗?(3)(A+B)(A-B)=A2-B2吗?5举反例说明下列命题是错误的:(1)若,则;(2)若A2=A,则或A=E;(3)若AX=AY,且A≠0,则X=Y.6(1)设,求A2,A3,…,A k;(2)设,求A4.解:(1)根据矩阵乘法直接计算得一般可得 (2-2-1)则当k=1时,式(2-2-1)成立.假设当k=n时,式(2-2-1)成立,则当k=n+1时根据数学归纳法可知式(2-2-1)成立;7(1)设,求A50和A51;(2)设,A=ab T,求A100.解:(1),则可得(2)由于b T a=-8,所以根据上式可知8(1)设A,B为n阶矩阵,且A为对称阵,证明B T AB也是对称阵;(2)设A,B都是n阶对称阵,证明AB是对称阵的充要条件是AB=BA.证:(1)由矩阵乘积的转置规则有所以由定义知B T AB为对称阵;(2)因为A T=A,B T=B,所以9求下列矩阵的逆矩阵:(1);(2);(3);(4).解:(1)根据二阶方阵的求逆公式可得(2)(3)因为,所以A可逆,并且于是(4)因为a1a2…a n≠0,所以a i≠0,i=1,2,…,n.则矩阵是有意义的,并且因为所以A可逆,而且.10已知线性变换求从变量x1,x2,x3到变量y1,y2,y3的线性变换.解:记则线性变换的矩阵形式为x=Ay,其中A是它的系数矩阵.因为所以A是可逆矩阵,则从变量x1,x2,x3到变量y1,y2,y3的线性变换的矩阵形式可写成又由于 于是即11设J是元素全为1的n(≥2)阶方阵.证明E-J是可逆矩阵,且这里E是与J同阶的单位矩阵.证:因为于是所以,是可逆矩阵,并且12设(k为正整数),证明可逆,并且其逆矩阵证:因为所以可逆,并且其逆矩阵.13设方阵A满足A2-A-2E=O (2-2-2)证明A及A+2E都可逆,并求解:(1)可先证A可逆.由式(2-2-2)得即 所以A是可逆的,且;(2)再证A+2E可逆.由,即同理,可知可逆,且.14解下列矩阵方程:(1);(2);(3);(4)AXB=C,其中.解:(1)因为矩阵的行列式等于1,不为零,所以它可逆,从而用它的逆矩阵左乘方程两边,得(2)记矩阵方程为,因所以A可逆,用右乘方程的两边可得又由于所以(3)记,则矩阵方程可写为因为,所以A,B均可逆.依次用和左乘和右乘方程两边得(4)因为,所以A,B均是可逆矩阵,且分别用和左乘和右乘方程两边得15分别应用克拉默法则和逆矩阵解下列线性方程组:(1)(2)解:(1)①可用克拉默法则:因为系数矩阵的行列式,由克拉默法则,方程组有唯一解,并且②用逆矩阵方法:因为|A|≠0,所以A可逆,于是则有(2)①用克拉默法则:因为系数矩阵的行列式,由克拉默法则方程组有唯一解,并且②用逆矩阵方法因为|A|=2≠0,所以A可逆,于是,易求得代入可得16设A为三阶矩阵,,求.解:因为,所以A可逆.于是由及,得对公式两端取行列式得17设,AB=A+2B,求B.解:由因,它的行列式det(A-2E)=2≠0,所以它是可逆矩阵.用左乘上式两边得18设.且AB+E=A2+B,求B.解:由方程,合并含有未知矩阵B的项,得又因为,其行列式,所以A-E可逆,用左乘上式两边,即可得到解:由于所给矩阵方程中含有A及其伴随阵A*,可用公式求解:用A左乘所给方程两边,得又由于,所以A是可逆矩阵,用右乘上式两边,可以得到观察可得是可逆矩阵,并且于是 20已知A的伴随阵A*=diag(1,1,1,8),且,求B.解:(1)先化简所给矩阵方程假设能求得A并且为可逆矩阵,则可解得 (2-2-3)(2)再计算A根据题意可知A是可逆矩阵,由,两边取行列式得即,所以,于是因为,所以是可逆矩阵,并且将上述结果代入式(2-2-3)可得21设,其中,求A11.解:由于,则.所以22设AP=PΛ,其中求φ(A)=A8(5E-6A+A2).解:由于,所以P是可逆矩阵.根据AP=PΛ可得,并且记多项式,则有由于是三阶对角阵,所以于是 23设矩阵A可逆,证明其伴随阵A*也可逆,且.证:因为,根据定理2的推论可以知A*可逆,且另因.用A左乘此式两边得通过比较上面两式可知结论成立.24设n阶矩阵A的伴随阵为A*,证明:(1)若|A|=0,则|A*|=0;(2).证:(1)因为 (2-2-4)当时,上式成为可用反证法求证。