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从二元一次方程组到二阶行列式再到克拉默法则

2024/9/24 21:28:06 来源:https://blog.csdn.net/xiangshangdemayi/article/details/139862767  浏览:    关键词:从二元一次方程组到二阶行列式再到克拉默法则

目录

  • 引言
    • 1 二元一次方程组
      • 什么是二元一次方程组?
      • 解法概述
      • 示例
        • 1. 操作步骤
        • 2. 消元法
    • 2 二阶行列式
      • 引入行列式
      • 行列式定义
      • 示例计算
    • 3 克拉默法则
      • 什么是克拉默法则?
      • 克拉默法则公式
      • 使用克拉默法则求解
      • 使用克拉默法则求解多元一次方程组
      • 求解 \(x\)
      • 求解 \(y\)
      • 求解 \(z\)
      • 使用克拉默法则的限制条件
        • 1.方程数与未知数相等
        • 2.系数矩阵必须是方阵且行列式结果不为零
        • 3.方程组必须是线性的
    • 4 总结

引言

  在数学中,线性代数提供了一套强大的工具来解决各种实际问题。本文将介绍从二元一次方程组开始,如何利用二阶行列式和克拉默法则来求解问题。

1 二元一次方程组

什么是二元一次方程组?

二元一次方程组指包含两个变量的一次方程组,通常形如:

{ 3 x + 4 y = 5 7 x + 9 y = 11 \begin{cases} 3x + 4y = 5 \\ 7x + 9y = 11 \end{cases} {3x+4y=57x+9y=11

这里,3、4、7、9、5 和 11 是已知的常数,(x) 和 (y) 是需要求解的未知数。

解法概述

解决这种方程组的一种基本方法是消元法。通过适当的操作消去一个变量,简化成一个关于单个变量的方程。让我们详细说明这个过程。

示例

1. 操作步骤

首先,我们将两个方程进行变形,以便消去一个变量。

原方程组

{ 3 x + 4 y = 5 7 x + 9 y = 11 \begin{cases} 3x + 4y = 5 \\ 7x + 9y = 11 \end{cases} {3x+4y=57x+9y=11

2. 消元法

为了消去一个变量,我们将第一个方程和第二个方程进行适当的变换。假设我们希望消去 (x),我们可以进行如下操作:

将第一个方程乘以 7:
将第二个方程乘以 3:

{ 7 ⋅ 3 x + 7 ⋅ 4 y = 7 ⋅ 5 3 ⋅ 7 x + 3 ⋅ 9 y = 3 ⋅ 11 \begin{cases} 7 \cdot 3x + 7 \cdot 4y = 7 \cdot 5 \\ 3 \cdot 7x + 3 \cdot 9y = 3 \cdot 11 \end{cases} {73x+74y=7537x+39y=311

两式相减,求得 y 的值
y = 7 ⋅ 5 − 3 ⋅ 11 7 ⋅ 4 − 3 ⋅ 9 y=\frac{7 \cdot 5 - 3 \cdot 11}{7 \cdot 4 - 3 \cdot 9} y=743975311
现在我们就想,把分子分母换成行列式写法,由此就引入了二阶行列式的写法,上面的式子可以写为这样

y = ∣ 7 3 11 5 ∣ ∣ 7 3 9 4 ∣ y = \frac{\begin{vmatrix} 7 & 3 \\ 11 & 5 \end{vmatrix}}{\begin{vmatrix} 7 & 3 \\ 9 & 4 \end{vmatrix}} y= 7934 71135

最后求得 x 和 y 的值:

y = 2 x = − 1 y = 2 \\ x = -1 y=2x=1

2 二阶行列式

引入行列式

在上面的步骤中,我们进行了方程变换和变量消去,实际上可以使用行列式的方法来简化这些步骤。

行列式定义

行列式是一种代数表达式,用于求解线性方程组。二阶行列式定义如下:

∣ a b c d ∣ = a d − b c \begin{vmatrix} a & b \\ c & d \end{vmatrix} = ad - bc acbd =adbc

示例计算

对于矩阵

( 3 4 7 9 ) \begin{pmatrix} 3 & 4 \\ 7 & 9 \end{pmatrix} (3749)

其行列式为:

∣ 3 4 7 9 ∣ = 3 ⋅ 9 − 4 ⋅ 7 = 27 − 28 = − 1 \begin{vmatrix} 3 & 4 \\ 7 & 9 \end{vmatrix} = 3 \cdot 9 - 4 \cdot 7 = 27 - 28 = -1 3749 =3947=2728=1

3 克拉默法则

什么是克拉默法则?

克拉默法则是一种利用行列式解决线性方程组的方法。对于一个二元一次方程组:

{ 3 x + 4 y = 5 7 x + 9 y = 11 \begin{cases} 3x + 4y = 5 \\ 7x + 9y = 11 \end{cases} {3x+4y=57x+9y=11

它可以表示成矩阵形式 (AX = B),其中:

A = ( 3 4 7 9 ) , X = ( x y ) , B = ( 5 11 ) A = \begin{pmatrix} 3 & 4 \\ 7 & 9 \end{pmatrix}, X = \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}, B = \begin{pmatrix} 5 \\ 11 \end{pmatrix} A=(3749),X=(xy),B=(511)

克拉默法则公式

克拉默法则提供了求解线性方程组的公式。可以很方便的解出 (x) 和 (y),注意分母都是一样的:
(x)的分子相当于用 (B)替换了 (A)第一列, (y)的分子相当于用 (B)替换了 (A)第二列,

x = ∣ 5 4 11 9 ∣ ∣ 3 4 7 9 ∣ , y = ∣ 3 5 7 11 ∣ ∣ 3 4 7 9 ∣ x = \frac{\begin{vmatrix} 5 & 4 \\ 11 & 9 \end{vmatrix}}{\begin{vmatrix} 3 & 4 \\ 7 & 9 \end{vmatrix}}, \quad y = \frac{\begin{vmatrix} 3 & 5 \\ 7 & 11 \end{vmatrix}}{\begin{vmatrix} 3 & 4 \\ 7 & 9 \end{vmatrix}} x= 3749 51149 ,y= 3749 37511

使用克拉默法则求解

  1. 计算分母

∣ 3 4 7 9 ∣ = 3 ⋅ 9 − 4 ⋅ 7 = − 1 \begin{vmatrix} 3 & 4 \\ 7 & 9 \end{vmatrix} = 3 \cdot 9 - 4 \cdot 7 = -1 3749 =3947=1

  1. 计算 (x) 的分子

∣ 5 4 11 9 ∣ = 5 ⋅ 9 − 4 ⋅ 11 = 45 − 44 = 1 \begin{vmatrix} 5 & 4 \\ 11 & 9 \end{vmatrix} = 5 \cdot 9 - 4 \cdot 11 = 45 - 44 = 1 51149 =59411=4544=1

  1. 计算 (y) 的分子

∣ 3 5 7 11 ∣ = 3 ⋅ 11 − 5 ⋅ 7 = 33 − 35 = − 2 \begin{vmatrix} 3 & 5 \\ 7 & 11 \end{vmatrix} = 3 \cdot 11 - 5 \cdot 7 = 33 - 35 = -2 37511 =31157=3335=2

  1. 求解

x = 1 − 1 = − 1 x = \frac{1}{-1} = -1 x=11=1

y = − 2 − 1 = 2 y = \frac{-2}{-1} = 2 y=12=2

使用克拉默法则求解多元一次方程组

也是类似的,用三元一次方程组举例,四元、五元、十元等等类似:
{ 2 x + 3 y − z = 5 4 x − y + 2 z = 6 3 x + 2 y + z = 7 \begin{cases} 2x + 3y - z = 5 \\ 4x - y + 2z = 6 \\ 3x + 2y + z = 7 \end{cases} 2x+3yz=54xy+2z=63x+2y+z=7

将其表示为矩阵形式 (AX = B),其中:

A = ( 2 3 − 1 4 − 1 2 3 2 1 ) , X = ( x y z ) , B = ( 5 6 7 ) A = \begin{pmatrix} 2 & 3 & -1 \\ 4 & -1 & 2 \\ 3 & 2 & 1 \end{pmatrix}, \quad X = \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix}, \quad B = \begin{pmatrix} 5 \\ 6 \\ 7 \end{pmatrix} A= 243312121 ,X= xyz ,B= 567

求解 (x)

用 B 替换 A 的第一列:
x = ∣ 5 3 − 1 6 − 1 2 7 2 1 ∣ ∣ 2 3 − 1 4 − 1 2 3 2 1 ∣ = 4 3 x =\frac { \begin{vmatrix} 5 & 3 & -1 \\ 6 & -1 & 2 \\ 7 & 2 & 1 \end{vmatrix} } { \begin{vmatrix} 2 & 3 & -1 \\ 4 & -1 & 2 \\ 3 & 2 & 1 \end{vmatrix} }=\frac{4}{3} x= 243312121 567312121 =34

高阶行列式的计算可以使用余子式,按行或列展开计算,本文不再赘述。

求解 (y)

用 B 替换 A 的第二列:
y = ∣ 2 5 − 1 4 6 2 3 7 1 ∣ ∣ 2 3 − 1 4 − 1 2 3 2 1 ∣ = 16 15 y =\frac { \begin{vmatrix} 2 & 5 & -1 \\ 4 & 6 & 2 \\ 3 & 7 & 1 \end{vmatrix} } { \begin{vmatrix} 2 & 3 & -1 \\ 4 & -1 & 2 \\ 3 & 2 & 1 \end{vmatrix} }= \frac{16}{15} y= 243312121 243567121 =1516

求解 (z)

用 B 替换 A 的第三列:
z = ∣ 2 3 5 4 − 1 6 3 2 7 ∣ ∣ 2 3 − 1 4 − 1 2 3 2 1 ∣ = 13 15 z = \frac { \begin{vmatrix} 2 & 3 & 5 \\ 4 & -1 & 6 \\ 3 & 2 & 7 \end{vmatrix} } { \begin{vmatrix} 2 & 3 & -1 \\ 4 & -1 & 2 \\ 3 & 2 & 1 \end{vmatrix} }= \frac{13}{15} z= 243312121 243312567 =1513

使用克拉默法则的限制条件

1.方程数与未知数相等

例如,三个未知数,三个方程。

2.系数矩阵必须是方阵且行列式结果不为零

系数矩阵必须是n×n 的矩阵(简称方阵)。如果不是方阵,克拉默法则不能应用。同样行列式计算的结果为零时也不适用。

3.方程组必须是线性的

比如二元一次方程、三元一次方程才适用,不能是二元二次方程,因为已经是平方了,不是线性了。

4 总结

  本文我们从二元一次方程组的基本求解方法开始,逐步引入了行列式,并最终介绍了克拉默法则。在实际应用中,使用行列式和克拉默法则可以简化计算过程,使得解决线性方程组更加直观和有效。

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