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高等代数葵花宝典—白皮书

    我第一次接触白皮书是和高中同学钟梓源(复旦数学学院 16 级)的交流当中发现的,记得是上半期开学之后,钟梓源给我发了几张他们高等代数“练习册”的照片,还记得是矩阵的 Kronecker 积和摄动法之类的,当时大为惊讶,我虽然对这些东西有所耳闻,但均来源于杂乱无章的各种资料。照片上的几道题均有十足的难度,我当下决定买一本,便开始阅读了起来。现在已经过去大半年,高等代数已经学完了最后一章的内容,白皮书也陪伴我度过了一个半学期。现在,我大概把白皮书上的题目全部做了一遍,不得不惊叹于白皮书乃一本“葵花宝典”。
 
        一、大量的补充知识
        白皮书中拥有许多补充知识,很多内容都让我大开眼界。比如
  • 摄动法,摄动法是一种十分有用且巧妙的方法,在一些书上也有所提及,但没有专门的讲解。白皮书上对于摄动法给了具体的说明,让我又对摄动法有新的体会。
  • 矩阵的 Kronecker 积,矩阵的 Kronecker 积即两个线性变换张量积的矩阵表示,有些书也提到过。白皮书对此进行了系统的整理,并在特征值部分对矩阵 Kronecker 积进行补充。
  • 结式与判别式一节有大量关于判别式、结式的公式。
  • 一般域上的 Jordan 标准型,即广义 Jordan 标准型内容也十分经典。对于非代数闭域(有域上 2 次及以上的不可约多项式),矩阵相似标准型是一个很重要的问题,但由于比较复杂,很难见到如此细致的整理。
  • Legendre 多项式。
  • 矩阵的 Moore-Penrose 广义逆以及线性方程组解的逼近。
另外,书中还隐藏着一些内容衔接的信息,比如域扩张次数的公式等。
 
        二、代数方法和几何方法并用
        对于高等代数问题,有两种不同的风格,即代数方法和几何方法。代数方法直接从矩阵入手,把一切问题都转化成矩阵的问题,然后利用矩阵的技巧进行运算;而另一方面,也可以将矩阵的问题转化为线性空间以及线性变换的问题。而白皮书把两种方法均做到了极致。
        在代数方面,常常看到利用分块矩阵谈笑风生,利用秩不等式扭转乾坤,出其不意,用巧妙的矩阵运算化解复杂问题,比如例 2.61,例 3.60,例 4.53,例 6.45 等等。有些时候,矩阵的做法难以想到或技巧性较强,又有对应的几何做法来化解,通过构造线性空间,考虑其线性变换及其不变子空间,又有另一片天地。白皮书中利用几何方法推导幂零矩阵的 Jordan 标准型是我以前从来未见到过的,相对于高深的有限生成模分解,这种接地气的几何证明的确十分巧妙。另外,有关正规算子部分,也利用几何方法推导出其性质,相比于算矩阵来说,更加贴近本质。

 

        三、题目新颖
        相比于其他书而言,白皮书更像是一本“高等代数习题集”而不是“高等代数陈题集”,上面有很多问题我自己在其他国内外的书上均没有见过,并且难度十足。令我印象最深的就是“迹为0为换位子”,即若 $n$ 阶矩阵 $C$ 满足$ \mathrm{tr}(C)=0$ ,则存在矩阵 $A$ 和 $B$ ,使得 $C=AB-BA$,这道题目在我们上半学期上课的时候,有同学提出但同学和老师均未给出解答,就此搁置。这学期的时候,老师给我们发了一篇英文论文,证明的就是这个问题。但阅读白皮书时才发现这道题已经在白皮书上出现了!利用有理标准型也可以给出一个相当简洁的证明。不得不惊叹于白皮书的博大精深。
 
        四、前后联系紧密
        对于我自己而言,数学的一大魅力,在于用新的数学理论解决以前无法解决的问题。在看书的时候,书前面抛出问题,而在后面用新的观点看它,实乃一大乐事。这样就能体会到数学的统一性,让人明白,创造理论就是为了解决问题。而白皮书,正好做到了这一点,前后联系是非常紧密的。下面举一些例子来说明。
  • 例 1.16 给出了 Cauchy 行列式的计算,在例 8.27 在判断矩阵 $a_{ij} = \dfrac {1}{i+j}$ 正定时,正好用上。
  • 例 2.19 给出了 $B^{-1}-A^{-1}$ 的计算公式,后面才发现这是为了证明,若 $A>B>0$ 则 $B^{-1}>A^{-1}$ 。
  • 第 8 章从矩阵角度给出了 Cholesky 分解,第 9 章又从内积空间的角度重新提及。

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