线性代数的应用.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,线性代数的应用,（线性代数第二次讨论课）,线性代数是最有趣最有价值的 大学数学课程,-David C.Lay,广泛地应用于工程学，计算机科学，物理学，数学，生物学，经济学，统计学，力学，信号与信号处理，系统控制，通信，航空等学科和领域。,应用于理工类的,后继课程,，如电路、理论力学、材料力学、计算机图形学、信号与系统、数字信号处理、系统动力学、自动控制原理、机械振动、机器人学等课程。,1.电路网络问题,在工程技术中所遇到的电路，大多数是很复杂的，这些电路是由电器元件按照一定方式互相连接而构成的网络。在电路中，含有元件的导线称为支路，而三条或三条以上的支路的会合点称为节点。电路网络分析，粗略地说，就是求出电路网络种各条支路上的电流和电压。对于这类问题的计算，通常采用基尔霍夫（,Kirchhoff,）定律来解决。以图,3-2,所示的电路网络部分为例来加以说明。,设各节点的电流如图所示，则由基尔霍夫第一定律（简记为,KCL,）（即电路中任一节点处各支路电流之间的关系：在任一节点处，支路电流的代数和在任一瞬时恒为零（通常把流入节点的电流取为负的，流出节点的电流取为正的）。该定律也称为节点电流定律），有,对于节点,A,：,对于节点,B,：,对于节点,C,：,对于节点,D,：,于,是求各个支路的电流就归结为下面齐次线性方程组的求解,相应,MATLAB,代码为（dianlu.m）,clear,A=1,0,0,1,0,-1;0,1,0,1,-1,0;0,0,1,0,-1,1;1,-1,1,0,0,0;,b=0;0;0;0;,R,s=rref(A,b);,r=length(s);,disp(,对应齐次线性方程组的基础解系为：,),x=null(A,r),其中,:,由于,i,1,i,2,i,3,i,4,i,5,i,6,均为正数，所以通解中的,3,个任意常数应满足以下条件：,如果,则,：,解之，得其解为,2.,联合收入问题,已知三家公司,X,Y,Z,具有图,2-1,所示的股份关系，,即,X,公司掌握,Z,公司,50%,的股份，,Z,公司掌握,X,公司,30%,的股份，而,X,公司,70%,的股份不受另两家公司控制等等,。,现设,X,，,Y,和,Z,公司各自的营业净收入分别是,12,万元、,10,万元、,8,万元，每家公司的联合收入是其净收入加上在其他公司的股份按比例的提成收入、试确定各公司的联合收入及实际收入。,解,依照图,2-1,所示各个公司的股份比例可知，若,设,X,、,Y,、,Z,三公司的联合收入分别为,x,y,z,则其实际上,各自公司自身的收入（实际收入）分别为,0.7,x,，,0.2,y,，,0.3,z,。联合收入由两部分组成，即营业净收入及从,其他公司的提成收入，故对每个公司可列出,一个方 程,x=,12+0.5,z,对,Y,公司为,y,=10+0.1,z,对,Z,公司为,z,=8+0.3,x,+0.2,y,故得线性方程组,x -0.5z=12,y 0.1z=10,0.3x+0.2y z=-8,对,X,公司为,（,X,，,Y,和,Z,公司各自的营业净收 入分别 是,12,万元、,10,万元、,8,万元）,Matalb,计算,A=1 0 -0.5 12;0 1-0.1 10;0.3 0.2-1-8,rref(A),ans=,1 0 0 20.1928,0 1 0 11.6386,0 0 1 16.3855,Y,公司的联合收入为,y=11.6386,(,元,),实际收入为,0.2*11.6386=2.3277(,万元,),Z,公司的联合收入为,z,=16.3855(,元,),实际收入为,0.3*16.3855=4.9157(,元,),于是,X,公司的联合收入为,X=20.1928(,万元,),实际收入为,0.7,*20.1928=14.1350,（万元）,3.决策问题,某大三学生的第一学期的必修课程只有1门(2个学分)；限选课程8 门，任选课程10门。由于有些课程之间有联系，所以可能在选修的某门课程时必须同时选修其课程，这18门课程的学分数和要求以及相应信息如表1所示。按学校规定,每个学生每学期选修的总学分不能少于21学分，因此，学生必须在上述18门课程中至少选修19学分，任意选修课的学分不能少于3学分,也不能超过6学分。试为该学生确定一种选课方案。,表,1 18,门课的学分数及要求,课号,选修课学分,选修,要求,课号,必修课 学分,选修,要求,1,2,3,4,5,6,7,8,5,5,4,4,3,3,3,2,1,2,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,3,3,3,2,2,2,1,1,1,1,8,6,4,5,7,6,解：列线性方程组如下：,假设该学生所选的任意选修课的学分为,3,分，,18,门课程共选修,19,个学分，则有如下的线性方程组：,矩阵,A=,b=,则通解为,又因为,的值为0或1，,所以,或,为例，则此方程的通解为：,以,由,=0或,1,得，,=0或,1,，假设,=1，可令,m2=,=m5=0,m1=m6=1,这样可得,，则,由,=0或,1,得，,=0或,1,，不妨设,=0，此方程的通解为,：,由,=0或,1,得,，,=0或,1,.,又因为,，所以由题意可得,，所以,可令,m1=m2=m3=m4=0,，,m5=m6=m7=1,，,m8=0,，则,所以可得到方程组的一个解,，,这组解对应的选课方案为：选,1,2,3,8,15,16,17,Matlab实现如下:,输入内容为：,clear,A=5,5,4,4,3,3,3,2,3,3,3,2,2,2,1,1,1,1;0,0,0,0,0,0,0,0,3,3,3,2,2,2,1,1,1,1;,b=19;3;,x0=Ab,null(A,r),clear,A=-1,-0.8,-0.8,-0.6,-0.6,-0.6,-0.4;,b=-2.2;,k0=Ab,null(A,r),A=-1,-1,-2/3,-2/3,-2/3,-1/3,-1/3,-1/3,-1/3;,b=-1;,k0=Ab,null(A,r),4.人口迁徙问题,设在一个大城市中的总人口是固定的。,人口的分布则因居民在市区和郊区之间迁徙而变,化。每年有,6%,的市区居民搬到郊区去住，而有,2%,的,郊区居民搬到市区。假如开始时有,30%,的居民住在市,区，,70%,的居民住在郊区，问,10,年后市区和郊区的居,民人口比例是多少？,30,年、,50,年后又如何,？,分析与求解,这个问题可以用矩阵乘法来描述。把人口变量用市区,和郊区两个分量表示，设市区和郊区初始人口数量分,别为：,xc0=0.3,，,xs0=0.7,，一年以后，,市区人口为,xc1,(1,0.06)xc0,0.02xs0,，,郊区人口,xs1,0.06xc0,(1,0.02)xs0,用矩阵乘法来描述，可写成：,建立模型并用,MATLAB,求解,从初始到,k,年，此关系保持不变，因此上述算式,可写为,输入：,A,0.94,0.02;0.06,0.98,x0,0.3;0.7,x1,A*x0,x10,A10*x0,x30,A30*x0,x50,A50*x0,得到：,人口分布趋势分析,无限增加时间,k,，市区和郊区人口之比将趋向一组常数,0.25/0.75,。,为了弄清为什么这个过程趋向于一个稳态值。先求,A,的特征值和特征向量，得到,将,A,对角化,人口分布的趋势,式中的第二项会随着,k,的增大趋向于零。如果只取小数点后两位，则只要,k,27,，这第二项就可以忽略不计，从而得到,。,5.,多对基因型的遗传选种,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,.,如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,).,由于实际生活中动植物的特性一般都是有多对,基因共同决定的。现考虑两对基因型的情况。假设某植物的性状主要由,Aa,Bb,两对基因型控制，其中含,A,和,B,基因型的植物表现为优良的性状。,假设第一代植物的九种基因型（,AABB,，,AaBB,aaBB,AABb,AaBb,aaBb,AAbb,Aabb,aabb,）占植物总数的百分率分别为,，则满足,，记,为,第代植物的基因型分布。,由于基因都是成对出现的,一般地,一对中的每个基因可以取两种不同的形式,(,等位基因,),A,和,a,而两种等位基因可形成对应于特点位的三个基因型,AA,、,Aa,或,aa,。一个后代各以,1/2,的概率接受父亲的两个基因中的任一个,又以,1/2,的概率从母亲的两个基因中的任一个,故上代的基因型对下一代基因型之间的转移概率如表,2,所示,:,父亲母亲基因,子女,基因,AA_AA,AA-Aa,AA-aa,Aa-Aa,Aa-aa,aa-aa,AA,1,1/2,0,1/4,0,0,Aa,0,1/2,1,1/2,1/2,0,aa,0,0,0,1/4,1/2,1,由基因自由组合定律，,Aa,和,Bb,为非同源染色体上的两对基因，当亲本进行结合时，非同源染色体上的基因自由组合，即,A,，,a,基因和,B,，,b,基因在亲本杂交过程中可自由组合。即子代基因型为,CD,的植物的概率与亲代在杂交时各自形成的基因型,C,和,D,的概率的关系为：,P(CD)=P(C)P(D),（其中,C,为,AA,，,Aa,或,aa,D,为,BB,，,Bb,或,bb,）,因此根据表2和上式可得表,3,母亲基因型（父亲基因型为,AABB,）,子女,基因,AABB,AaBB,aaBB,AABb,AaBb,aaBb,AAbb,Aabb,aabb,AABB,1,1/2,0,1/2,1/4,0,0,0,0,AaBB,0,1/2,1,0,1/4,1/2,0,0,0,aaBB,0,0,0,0,0,0,0,0,0,AABb,0,0,0,1/2,1/4,0,1,1/2,0,AaBb,0,0,0,0,1/4,1/2,0,1/2,1,aaBb,0,0,0,0,0,0,0,0,0,AAbb,0,0,0,0,0,0,0,0,0,Aabb,0,0,0,0,0,0,0,0,0,aabb,0,0,0,0,0,0,0,0,0,现为了培育优良的品种，计划用,AABB,基因型的植物和每种基因型的植物结合培育后代，问经过若干年后,这种植物后代基因型分布将出现什么情形,?,提示：,先考虑第,n,代植物的各基因型所占比例和第,n-1,代之间的关系，如第,n,代,AABB,基因型的植物可由,n-1,代基因型为,AABB,，,AaBB,，,AABb,，,AaBb,的植物分别和,AABB,基因型植物结合得到。其关系由表,3,可得如下：,第代其它基因型,植物满足的关系:,AABB,AaBB,aaBB,AABb,AaBb,aaBb,AAbb,Aabb,aabb,AABB,1,1/2,0,1/2,1/4,0,0,0,0,AaBB,0,1/2,1,0,1/4,1/2,0,0,0,aaBB,0,0,0,0,0,0,0,0,0,AABb,0,0,0,1/2,1/4,0,1,1/2,0,AaBb,0,0,0,0,1/4,1/2,0,1/2,1,aaBb,0,0,0,0,0,0,0,0,0,AAbb,0,0,0,0,0,0,0,0,0,Aabb,0,0,0,0,0,0,0,0,0,aabb,0,0,0,0,0,0,0,0,0,将,AABB,，,AaBB,，,AABb,，,AaBb,转化为矩阵：,由此建立模型并用,MATLAB,求解,由此可推知得：,1,0.5,0.5,0.25;0,0.5,0,0.25;0,0,0.5,0;0,0,0,0,25;,当,n,趋于无穷大时，,AaBB,，,AABb,，,AaBb,都将趋于,0,，而性状,AABB,趋于,1.,谢谢大家,