線性方程組(DSE M2):克萊瑪法則及高斯消去法

對方程組 Ax = b(係數行列式為 Δ):若 Δ ≠ 0,有唯一解(克萊瑪法則:x = Δₓ/Δ)。若 Δ = 0,方程組要麼無解,要麼有無限多個解,必須用高斯消去法判斷是哪一種情況。

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例題 1 在 k = 0、h = 1 時的三個平面。它們相交於同一條直線,所以方程組有無限多個解。 自己試試 →

線性方程組:必記法則

克萊瑪法則x = Δₓ/Δ、y = Δᵧ/Δ、z = Δ_z/Δ(須 Δ ≠ 0)
Δ ≠ 0唯一解
Δ = 0,而 Δₓ、Δᵧ、Δ_z 其一不為 0無解
Δ = Δₓ = Δᵧ = Δ_z = 0無解或無限多個解:用高斯消去法判斷
逆矩陣法x = A⁻¹b(須 |A| ≠ 0)
齊次方程組 Ax = 0必定相容;有非零解 ⟺ |A| = 0

唯一解、無解還是無限多解:如何判斷

  1. 以參數表示係數矩陣的行列式 Δ。
  2. 方程組當且僅當 Δ ≠ 0 時有唯一解。解 Δ = 0 可找出參數的特殊值。
  3. 把每個特殊值代入,然後用行運算化簡增廣矩陣。
  4. 若出現 0 0 0 | c(c ≠ 0)的一行,方程組無解;若出現 0 0 0 | 0,則有無限多個解:設其中一個變數為 t,再以 t 表示其餘變數。

從幾何上看,每條方程代表一個平面。唯一解即三個平面交於一點;無限多個解即三個平面有一條公共直線;無解即三個平面沒有公共點。

線性方程組例題詳解

例題 1:含參數的方程組:唯一解或無限多個解

考慮方程組 x + y + z = 2、2x + 3y + z = 3、x + 2y + kz = h。(a) 求方程組有唯一解時 k 的取值範圍。(b) 當 k = 0 時,求使方程組相容的 h 值,並解該方程組。

  1. Δ = 1(3k − 2) − 1(2k − 1) + 1(4 − 3) = k
  2. (a) 有唯一解 ⟺ Δ ≠ 0 ⟺ k ≠ 0
  3. (b) 當 k = 0:R₂ − 2R₁ 得 y − z = −1;R₃ − R₁ 得 y − z = h − 2
  4. 只有當 h − 2 = −1 時才相容,所以 h = 1
  5. 設 z = t:y = t − 1,x = 2 − y − z = 3 − 2t

答案: (a) k ≠ 0;(b) h = 1,(x, y, z) = (3 − 2t, t − 1, t),t 為任意實數

例題 2:用克萊瑪法則解二元方程組

用克萊瑪法則解 2x + y = 5、x − 3y = −1。

  1. Δ = (2)(−3) − (1)(1) = −7
  2. Δₓ = (5)(−3) − (1)(−1) = −14
  3. Δᵧ = (2)(−1) − (5)(1) = −7
  4. x = −14 / −7 = 2, y = −7 / −7 = 1

答案: x = 2, y = 1

💡 應試陷阱與秘訣 (DSE 奪星陷阱)

⚠️ Δ = 0 不等於「無解」當 Δ = 0 時,方程組只是沒有唯一解,仍可能有無限多個解。必須化簡增廣矩陣才能分辨這兩種情況。
⚠️ Δ = 0 時不能用克萊瑪法則除以 Δ = 0 沒有定義。在參數取特殊值時,應改用高斯消去法,並以參數 t 寫出通解。

✏️ 自我測試:互動練習

溫習方法:點擊以下任何題目,即時在坐標網格載入並核對計算步驟。

(高斯消去法)用高斯消去法解:x + y + z = 6、2x − y + z = 3、x + 2y − z = 2。
(參數與 Δ)k 取何值時,方程組 x + y + kz = 1、x + ky + z = 1、kx + y + z = 1 有唯一解?
(齊次方程組)求 x + 2y − z = 0、2x + y + z = 0、x − y + 2z = 0 的非零解。

常見問題

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