线性代数与化学的联系.doc

论文主题:线性代数与化学的联系线性代数与化学的联系之前学线性代数的时候并没有意识到它与其他学科有多大的联系,现在学到物理化学,就很明显的感觉到它与线性代数密不可分。倘若线性代数的基础打得很牢固, 学物理化学就会比较轻松。所以借这个机会正好可以把线性代数复****一下。其实线性代数作为高等院校各专业一门重要的数学基础课程,它不但广泛应用于微分方程、概率统计、控制理论等数学分支, 而且其知识已渗透到自然科学的其他各种学科, 如工程技术、科学计算、经济管理等领域。矩阵在图论、确定比赛胜负方面有广泛应用。线性方程组在化学方程式的平衡问题、交通流量问题、投入产出模型方面大有作为。向量组的极大无关组在求最小值方面举足轻重。特征值与特征向量应用于环境保护与工业发展问题, 矩阵高次幂应用于人口流动问题。因此线性代数在加强逻辑思维和创造性思维、培养创新能力方面无疑起着至关重要的作用。一、线性方程组被广泛应用于化学方程式的平衡问题。举个例子来说, 在光合作用过程中, 植物利用太阳光照射将二氧化碳和水转化成葡萄糖和氧气,该反应的化学反应式如下: x 1 CO 2+x 2H 2O =x 3O 2+x 4C 6H 12O 6 为使反应式平衡, 必须选择恰当的 x 1,x 2,x 3,x 4 才能使反应式两端的碳原子、氢原子及氧原子数目相等。由于 1个 CO 2分子含有 1个C 原子,而1个C 6H 1 2O6 分子含有 6个C 原子, 为了维持平衡, 必须有 x 1 =6x 4, 同样的,为了平衡 O 原子,H 原子,必须有 2x 1+x 2 =2x 3+6x 4 ,2x 2 =12 x 4, 将所有未知量移至等号左边,那么将得到一个齐次线性方程组 x 1 -6x 4 =0 2x 1+x 2 -2x 3-6x 4 =0 2x 2 -12 x 4 =0 为了使方程组有非零解, 为了使化学反应式两端平衡, 必须找到一个每个分量均为正整数的解(x 1,x 2,x 3,x 4 )T( T 代表转置) 。按通常解法可以取 x 4 作为自由未知量,且有 x 1= 6x 4x 2= 6x 4x 3=6x 4 特别地,取 x 4 =1 时,则 x 1=x 2=x 3 =6 ,此时化学反应式为: 6 CO 2+6H 2O =6O 2+C 6H 12O 6 这样一来, 一个化学平衡的问题就用线性代数的知识得到了有效的解决。虽然解决化学方程式平衡的问题不止这一种方法, 这也不是最简单的方法, 但是它说明的是解决问题的一种途径, 一种数学与其他学科的融合。它代表着一种现象, 在越来越发达的社会, 各个学科的联系也日趋紧密, 我们只有掌握好全方位、综合性的知识才能有用武之地。二、线性代数被广泛应用于物理化学中量子力学的问题。在大自然中许多现象是线性变化的。以物理学为例, 整个物理世界可以分为机械运动、电运动、量子力学的运动。而机械运动的基本方程是牛顿第二定律, 即物体的加速度同它所受到的力成正比, 这是一个基本的线性微分方程。电运动的基本方程是麦克思韦方程组,这个方程组表明电场强度与磁场的变化率成正比, 而磁场的强度又与电场强度的变化率成正比,因此麦克思韦方程组也正好是线性方程组。物理化学中状态函数在数值上是一个线性全微分方程。而量子力学中描绘物质的波粒二象性的薜定谔方程也是线性方程组。让我感触最深的是近来