第2讲化学计量学的相关基础WZY01.ppt

第二章 化学计量学的相关基础线性代数数理统计与回归分析计算机编程及应用最优化理论与算法 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 1 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 2 数学 化学计量学的理论基础 数学将实际问题中的背景省略 抽提其在数字或几何方面的共性特点进行研究 抽象数学十分实用 很多学科中的研究对象可以用向量 矩阵表示 利用数学中抽象符号及其相关理论可以建立描述研究对象的数学模型 从而进一步发现其内在规律 数学对化学家有用吗 数据的挖掘数据的处理从测试数据提取化学信息信息技术的革命计算机的发展与应用 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 3 2 1数学基础回顾 线性代数部分化学中的数据类型 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 4 单变量数据 一次测量得到一个值 如 温度 压力 单波长的吸光度等 多变量数据 分析仪器的高性能化 使得一次测量可以获得多变量 多通道的数据 如 UV VisL吸收光谱 IR NIR 荧光光谱 GC LC MS NMR及联用仪器等 分析化学中的矢量 任何一个光谱 色谱等谱图可以用一个向量表达 一组描述研究对象的变量也可用一个向量表达 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 5 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 6 联用仪器HPLC DAD GC MS GC IR HPLC MS 二维数据既含有色谱信息又含有光谱信息 数据矩阵大于10兆 大量化合物数据库 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 7 根据Lambert Beer定律做出的两个不同化合物a与b的混合物光谱 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 8 向量加法的几何意义 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 9 向量减法的几何意义 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 10 向量的方向与长度 向量的方向 由构成向量的所有元素所决定 因为任意两元素间的不同比率会确定向量在线性子空间中的方向 向量的长度 由构成向量的所有元素的平方和所决定 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 11 向量分量之间的不同比例决定了向量在线性子空间中的方向 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 12 两向量间的减法决定了n维空间中两点间的距离 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 13 向量的数乘 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 14 向量的数乘相当于不同浓度的光谱 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 15 向量的数乘满足结合律 分配律 向量的内积与外积 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 16 向量间的内积或点积生成一个数 两向量间内积的几何意义 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 17 两向量外积生成一个双线性矩阵 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 18 其在多元分辨中有重要的意义 矩阵代数相关概念简介1 矩阵的相等 矩阵A和B相等 当且仅当对于所有i和j均有Aij Bij时才成立 2 矩阵的加减 只有相同维数的矩阵才可以加减Aij Bij Cij 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 19 3 矩阵乘法 矩阵A B 仅当A的列数等于B的行数是 才可以相乘 C AB 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 20 4 矩阵 除法 只能通过一个逆过程来完成 凡是矩阵A具有非零行列式 det A 0 称非奇异矩阵 而且仅对于这种矩阵 才能按照下列等式定义其逆矩阵A 1 AA 1 A 1A E 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 21 A B不对易 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 22 或 如果两个方阵A B满足AB E 则称B矩阵是A矩阵的逆矩阵 计为B A 1 如果矩阵A的逆矩阵A 1存在 则称A是非奇异矩阵 或满秩矩阵 否则成为奇异矩阵 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 23 5 零矩阵和单位矩阵 全部元素为0的矩阵为零矩阵 计作 0对n阶方阵 对角元均为1 非对角元均为0称单位矩阵 计作 E 6 矩阵的转置 将矩阵行与列互换称为矩阵的转置 转置矩阵有如下性质 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 24 7 矩阵的行列式 方阵的行列式是一个实数 计为detA 其中 Akj是 n 1 n 1 阶矩阵 是划去第k行和第j列所得的A的子阵 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 25 8 正交矩阵 如果一个方阵A满足 AtA E 称A为正交矩阵 显然 At A 1 9 方阵的迹 定义为矩阵A主对角线上元素的和 计为trA 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 26 10 方阵的秩 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 27 方阵秩的化学意义 联用色谱法测量样本 获得一个数据矩阵 矩阵中每行就是一个在某保留时间点上的光谱 MS NMR 每一列就是一个在某一波长 或质荷比等 上的色谱 如果没有量测噪声 且每个不同化学物质都具有不同的光谱或色谱 则矩阵的秩就是体系的组分数 如果化合物测量体系没有化学反应发生 即各物质相互独立 这是与矩阵秩的意义相同 中药肉桂的一部分二维数据 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 28 Lambert BeerLaw的矩阵表达 单组分在某 下的Lambert Beer定律 A bC p个混合物构成的体系在 j处的吸光度Aj 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 29 在分析化学中经常遇到多组分含量确定的问题在分光光度法中 各组分在同样的显色条件下于同一显色剂生成有色物 但是各组分特征吸收峰常出现干扰情况 如果试验符合以下两个条件 比尔定律 A kbc 吸光度具有加和性Ai Ai1 Ai2 Ain如 现有一样品含有Mo Ti V三种组分 显色后在400 540 610nm处进行了吸光度测定 并对以上三组分的独立标准溶液进行了同样显色条件的测定 数据如下 求Mo Ti V三种组分的含量 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 30 p个混合物构成的体系在n个波长处的吸光度可用一行向量表示 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 31 p个混合物构成的m个样本在波长j处的吸光度可用一列向量表示 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识32 p个混合物构成的m个样本在n个波长处的吸光度可用一矩阵表示 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 33 可见 矩阵的应用之一就是可用简洁形式表示线性方程组 例如 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 34 可写成 或 上三角阵与下三角阵 上三角矩阵下三角矩阵 对角矩阵恒等矩阵 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 35 逆矩阵的运算性质 1 若A可逆 则A 1亦可逆 且 A 1 1 A 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 36 证明 证明 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 37 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 38 6 若A是可逆矩阵 则A的逆矩阵是唯一的 若设和是的逆矩阵 则有 可得 所以的逆矩阵是唯一的 即 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 39 证明 若可逆 定理1矩阵可逆的充要条件是 且 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 40 对任意n阶矩阵A 称A 为A的伴随矩阵 其中 Aij是A中元素aij的代数余子式 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 41 按逆矩阵的定义得 证毕 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 42 逆矩阵的求解 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 43 例设 例1设 解 设是的逆矩阵 则 利用待定系数法 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 44 1 利用待定系数法 又因为 所以 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 45 例2求方阵的逆矩阵 解 三 逆矩阵的求法 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 46 2 逆矩阵充要条件法 故 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 47 解 例3 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 48 a2i a1i 2 a3i a1i 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 49 A21 3 A22 0 A23 1 A31 1 A32 4 A33 3 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 50 例4设 解 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 51 于是 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 52 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 53 例5 解 给方程两端左乘矩阵 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 54 给方程两端右乘矩阵 得 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 55 给方程两端左 右乘相应逆矩阵 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 56 得 解 例6 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 57 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 58 四 小结 3 初等变换法 矩阵的初等变换 1 互换矩阵的两行 常用ri rj表示第i行与第j行互换 2 用一个非零数乘矩阵的某一行 常用k ri表示用数k乘矩阵的某i行 3 将矩阵的某一行乘以数k后 加到另一行 常用rj k ri表示第i行的k倍加到第j行 这样的过程称为矩阵的初等行变换 4 将定义中的 行r 换成 列c 即得到矩阵的列变换 矩阵的初等行变换和初等列变换统称为矩阵的初等变换法 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 59 互换 表示用数k乘以第i行 在给定的n阶方阵的右边放一个n阶单位矩阵E形成 初等行变换求逆矩阵 实施初等行变换 直到将原矩阵A所在部分变成单位矩阵E 原单位矩阵部分经同样的初等变换后 所得 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 60 例7我国某地方为避开高峰期用电 实行分时段计费 鼓励夜间用电 某地白天 AM8 00 PM11 00 与夜间 PM11 00 AM8 00 的电费标准为P 若某宿舍两户人某月的用电情况如下 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 61 所交电费F 90 29101 41 问如何用矩阵的运算表示当地的电费 可以得到当地的电费标准为 下面用初等变换求 等式两边同时左乘以矩阵 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 62 即 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 63 所以 即白天的电费标准为0 462元 度 夜间电费标准为0 2323元 度 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 64 例8 转动矩阵 机器人手臂的转动常用矩阵表示 其中的元素为转动角的三角函数值 求下面转动矩阵R的逆阵 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 65 解 因为 所以 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 66 矩阵的本征值方程设A是n阶方阵 如果存在数 和非零n维列向量X 使得AX X成立 则称 是A的一个特征值 characteristicvalue 或本征值 eigenvalue 非零n维列向量X称为矩阵A的属于 对应于 特征值 的特征向量或本征向量 简称A的特征向量或A的本征向量 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 67 求矩阵特征值的方法AX X 等价于求 使得 A E X 0 其中E是单位矩阵 0为零矩阵 E A 0 求得的 值即为A的特征值 A E 是一个n次多项式 它的全部根就是n阶方阵A的全部特征值 这些根有可能相重复 也有可能是复数 A iE xi 0 i 1 2 n 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 68 如果n阶矩阵A的全部特征值为 1 2 n 则 A 1 2 n对矩阵A的本征方程 A iE Xi 0有如下定理定理1 如果A是厄米矩阵 A A 一定是实数 定理2 不同本征值对应于不同的本征向量 而不同本征值对应的本征向量正交归一 例9 求解下列方程的本征值及其归一化本征向量 1 2 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 69 解 第一步 依据本征方程 A E X 0 求解出 第二步 将 依次代入本征方程 A E X 0 求解本征向量 第三步 使各本征向量归一化 对 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 70 第一步 欲使 A E X 0 则det A E 0 从而有 2 12 27 0 解得 1 3 2 9 第二步 将 1 3代入方程 第2讲第2章化学计量学的相关基础知识2 71 得到 解得 将