Lineaarialgebra

matematiikan osa-alue

Lineaarialgebra on matematiikan osa-alue, joka tutkii vektoreita, vektoriavaruuksia, lineaarikuvauksia ja lineaarisia yhtälöryhmiä. Vektoriavaruudet ovat nykyisin matematiikan keskeisimpiä käsitteitä. Lineaarialgebraa tarvitaan sekä abstraktissa algebrassa että funktionaalianalyysissä.[1]

Kolmiulotteisessa Euklidisessa avaruudessa jokainen taso kuvaa yhden lineaarisen yhtälön ratkaisujoukkoa. Kuvassa kolme tasoa kohtaa yhdessä pisteessä, joka on näiden kolmen lineaarisen yhtälön muodostaman yhtälöryhmän ratkaisu. Sininen viiva kuvaa suoraa, jolla tietyt kaksi yhtälöä kolmesta toteutuu.

Historiaa

muokkaa
 
William Rowan Hamilton.

Lineaaristen yhtälöryhmien ratkaisu Gaussin eliminointimenetelmällä tunnettiin jo Kiinassa ennen ajanlaskun alkua.[2] Moderni lineaarialgebra kehittyi paljon 1800-luvulla. Merkittäviä nimiä sen kehityksessä olivat muun muassa William Rowan Hamilton, Hermann Grassmann, Arthur Cayley ja James Joseph Sylvester.

Lineaariset yhtälöryhmät

muokkaa

Lineaarinen yhtälöryhmä, jossa on   yhtälöä ja   muuttujaa voidaan kirjoittaa yleisessä muodossa

 

Saman asian voi kuitenkin kirjoittaa matriisimuodossa:

 ,

jossa   on   -kokoinen kerroinmatriisi, vektori   sisältää alkiot   ja   on ratkaistava vektori. Tämä on kätevin tapa muotoilla lineaariset yhtälöryhmät esimerkiksi tietokonelaskentaa varten.

Vektoriavaruudet

muokkaa
Pääartikkeli: Vektoriavaruus

Lineaarialgebraa voidaan lähestyä matriisien ja lineaaristen yhtälöryhmien avulla. Yleisempi, mutta abstraktimpi tapa on kuitenkin käsitellä vektoriavaruuksia. Voidaan määrittää tietyt ominaisuudet, jotka vektoriavaruuden alkioiden ja niiden välisten laskutoimitusten on täytettävä. Vektoriavaruuksia ovat muun muassa matriisit. Itse asiassa osoittautuu, että kaikki äärellisulotteiset vektoriavaruudet voidaan ilmaista matriisien avulla. Lisäksi käy ilmi, että avaruuden dimensio määrittää täysin vektoriavaruuden, tarkemmin sanottuna kaikki samandimensioiset vektoriavaruudet ovat isomorfisia keskenään. Esimerkiksi mikä tahansa n-ulotteinen vektoriavaruus voidaan samaistaa  -sarakevektorien muodostamaan avaruuteen.[3]

Sovelluksia

muokkaa

Lineaarialgebraa käytetään paljon sekä puhtaassa matematiikassa että matematiikan sovelluksissa. Alla oleva lista ei ole täydellinen.

Geometria

muokkaa

Kaikenlaisten kappaleiden lineaarikuvauksia, kuten kiertoja, peilauksia, skaalauksia tai venytyksiä, voidaan kuvata matriisioperaatioilla. Niinpä lineaarialgebraa hyödynnetään muun muassa tietokonegrafiikassa.[4]

Optimointi

muokkaa

Matemaattisessa optimoinnissa lineaariset optimointiongelmat kirjoitetaan matriisien avulla. Tällaista optimointia voidaan käyttää muun muassa taloustieteen ja tekniikan aloilla.

Tieteellinen laskenta

muokkaa

Lineaarialgebraa käytetään lähes kaikessa tieteellisessä laskennassa. Jos ongelma ei ole lineaarinen, sen voi usein approksimoida lineaariseksi, jotta sitä voidaan käsitellä tietokoneilla. Esimerkiksi osittaisdifferentiaaliyhtälöt, joilla voidaan kuvata kaikenlaisia ongelmia esimerkiksi fysiikassa, voidaan ratkaista likimääräisesti lineaarisina yhtälöryhminä. Tätä käytetään esimerkiksi sään ennustuksessa.

Funktionaalianalyysi

muokkaa

Funktionaalianalyysi käsittelee funktioavaruuksia. Ne ovat vektoriavaruuksia, joissa on lisäksi ylimääräistä rakennetta. Esimerkki funktioavaruudesta on Hilbertin avaruus, joka on erittäin tärkeä käsite esimerkiksi kvanttimekaniikassa.

Opetus

muokkaa

Lineaarialgebraa opetettiin Suomessa yliopistojen ulkopuolella muun muassa lukiossa vuosina 1998–1999 tehdyssä koulutuskokeiluissa.[5][6][7]

Katso myös

muokkaa

Lähteet

muokkaa
  1. Thompson, Jan & Martinsson, Thomas: Matematiikan käsikirja, s. 240. Helsinki: Tammi, 1994. ISBN 951-31-0471-0.
  2. Hart, Roger: The Chinese Roots of Linear Algebra 2011. The Johns Hopkins University Press. Viitattu 31.12.2021.
  3. Pankka, Pekka: Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I-III mv.helsinki.fi. 14.12.2021. Viitattu 31.12.2021.
  4. Vladimir Dobrushkin: Linear Algebra with Mathematica cfm.brown.edu. Viitattu 31.12.2021.
  5. Jäppinen, Paavo; Kupiainen, Alpo; Räsänen Matti, graafinen suunnittelu: Mäkinen, Lauri ja muita tekijöitä.: Calculus. 11: Lineaarialgebra. 1. painos. Otava, 1999. ISBN 951-1-15930-5. Finna.fi-tietokanta.
  6. Jäppinen, Paavo; Kupiainen, Alpo; Räsänen, Matti: Calculus 11: Lineaarialgebra: opettajan aineisto. Otava, 1999. ISBN 951-1-16064-8. Finna.fi-tietokanta.
  7. Merikoski, Jorma, Väänänen, Keijo; Laurinolli, Teuvo; Sankilampi, Timo ja piirrokset: Sinivuori, Eila ja muita tekijöitä: Matematiikan taito 15: Lineaarialgebra. Huom.: Lukion pitkä matematiikka: syventävä kurssi, 1. painos. Weilin + Göös, 1998. ISBN 951-35-6339-1. Finna.fi-tietokanta.

Kirjallisuutta

muokkaa