第三节 克莱姆法则
教学目的及要求:1.克莱姆法则
2.利用克莱姆法则求解线性方程组 教学重点、难点:克莱姆法则的应用 教学过程:
一、复习利用行列式求解二元线性方程组 二、新课讲授
1.n元线性方程组的概念
从二元线性方程组的解的讨论出发,对更一般的线性方程组进行探讨。 在引入克莱姆法则之前,我们先介绍有关n元线性方程组的概念。 含有n个未知数x1,x2,,xn的线性方程组
a11x1a12x2a1nxnb1,
a21x1a22x2a2nxnb2,
an1x1an2x2annxnbn,
(1)
称为n元线性方程组.当其右端的常数项b1,b2,,bn不全为零时,线性方程组(1)称为非齐次线性方程组,当b1,b2,,bn全为零时, 线性方程组(1)称为齐次线性方程组,即
a11x1a12x2a1nxn0,
a21x1a22x2a2nxn0,
an1x1an2x2annxn0.
(2)
线性方程组(1)的系数aij构成的行列式称为该方程组的系数行列式D,即 a11
a21
D
an1
a12a22an2
a1na2n
.
ann
2.克莱姆法则
定理1 (克莱姆法则) 若线性方程组(1)的系数行列式D0, 则线性方程组(1)有唯一解,其解为
xj
DjD
(j1,2,,n) (3)
其中Dj(j1,2,,n)是把D中第j列元素a1j,a2j,,anj对应地换成常数项b1,b2,,bn,而其余各列保持不变所得到的行列式.
一般来说,用克莱姆法则求线性方程组的解时,计算量是比较大的. 对具体的数字线性方程组,当未知数较多时往往可用计算机来求解. 用计算机求解线性方程组目前已经有了一整套成熟的方法.
克莱姆法则在一定条件下给出了线性方程组解的存在性、唯一性,与其在计算方面的作用相比,克莱姆法则更具有重大的理论价值. 撇开求解公式(3),克莱姆法则可叙述为下面的定理.
定理2 如果线性方程组(1)的系数行列式D0,则(1)一定 有解,且解是唯一的.
在解题或证明中,常用到定理2的逆否定理:
定理2 如果线性方程组(1)无解或有两个不同的解, 则它的系数行列式必为零.
对齐次线性方程组(2), 易见x1x2xn0一定该方程组的解, 称其为齐次线性方程组(2)的零解. 把定理2应用于齐次线性方程组(2),可得到下列结论.
定理3 如果齐次线性方程组(2)的系数行列式D0,则齐次线性方程组(2)只有零解. 定理3 如果齐次方程组(2)有非零解,则它的系数行列式D0.
注: 在第三章中还将进一步证明,如果齐次线性方程组的系数行列式D0,则齐次线性方程组(2)有非零解.
三、例题选讲
例1用克莱姆法则求解线性方程组:
2x13x25x32
5 x12x2
3x25x34235
解 D1
20035
r1r3
r1r3
1
20
20222520,
35
035
200
235D1520
435
225D2150
045
20054
20(2)2520, 35
r1r2
r12r2
08510
54
05
150
085
4
045
85
5
60,
232D
3125
034
由克莱姆法则,
r12r2
01810
23
54
r1r2
18
01820.
34
034
125
x1
DD1D
1,x223,x331. DDD
2x1x25x3x48,
x13x26x49,
例2 (E01) 用克莱姆法则解方程组
2xx2x5,342x14x27x36x40.
2151
1306r12r2
解 D
0212r4r21476
c32c2
07513
7513
1306
212
0212
7712
07712
33
01027.
72
772
353
8151285193061906D181, D2108,
52120512047610762181215813961309D327, D427,
0252021514061470
x1
D181D108
3, x224, D27D27D327D271, x441. D27D27
x3
例3(E02) 大学生在饮食方面存在很多问题,很多人不重视吃早饭,多数大学生日常饮食
没有规律,为了身体的健康就要制订营养改善行动计划,大学生一日食谱配餐:需要摄入一定的蛋白质、脂肪和碳水化合物,下边是三种食物,它们的质量用适当的单位计量。这些食品提供的营养以及食谱所需的营养如下给出
试根据这个问题建立一个线性方程组,并通过求解方程组来确定每天需要摄入上述三种食物的量。
解:设x1,x2,x3分别为三种食物的量,则由表中的数据可得出下列线性方程组:
10x120x220x3105
0x110x23x360
50x40x10x525
231
由克莱姆法则可得
[1**********]20
D0103= -7200, D1=60103= -39600,
[1**********]10
10520
20105
D2=0603= -54000, D3=01060= -36000 [1**********]则:
x1=
DD1D
=5.5,x2= 2=7.5,x3= 3=5 DDD
从而我们每天可以摄入5.5个单位的食物一、7.5个单位的食物二、5个单位的食物三就可以
保证我们的健康饮食了。
(1)x12x24x30
例4 (E03) 问为何值时, 齐次方程组2x1(3)x2x30有非零解?
xx(1)x0
312
解
24
31D2111
21
310
411
(1)3(3)4(1)2(1)(3)
(1)32(1)23(2)(3),
齐次线性方程组有非零解,则D0,所以0, 2或3时齐次线性方程组有非零解.
xyzabc
例5 设方程组 axbycza2b2c2
bcxcayabz3abc
试问a,b,c满足什么条件时, 方程组有惟一解, 并求出惟一解.
1
解 Da
11
bcbccaab
c1c2c2c3
ab
01
bcc
c(ba)a(cb)ab
c1(ab)c2(bc)
11
(ab)(bc)11c(ab)(bc)(ab)(bc)(ca)
ca
caab
1
显然,当a,b,c互不相等时,D0,该方程组有唯一解. 又
abc
D1a2b2c2
3abc
11
bccaab
c1bc2cc3
a
a
2
1b
1
cabccaab
c1a
1
aa
11
bcaD. bccaab
同理可得D2bD,D3cD,于是 x
DD1D
a,y2b,z3c. DDD
四、课堂练习
1.如果下列齐次线性方程组有非零解, k应取何值?
kx1x40
x12x2x40
.
(k2)xx4x01242x1x23x3kx40
x1x22x33x40
x12x23x3x40
2.判定齐次线性方程组是否仅有零解.
3xxx2x03412
2x13x2x3x40
第三节 克莱姆法则
教学目的及要求:1.克莱姆法则
2.利用克莱姆法则求解线性方程组 教学重点、难点:克莱姆法则的应用 教学过程:
一、复习利用行列式求解二元线性方程组 二、新课讲授
1.n元线性方程组的概念
从二元线性方程组的解的讨论出发,对更一般的线性方程组进行探讨。 在引入克莱姆法则之前,我们先介绍有关n元线性方程组的概念。 含有n个未知数x1,x2,,xn的线性方程组
a11x1a12x2a1nxnb1,
a21x1a22x2a2nxnb2,
an1x1an2x2annxnbn,
(1)
称为n元线性方程组.当其右端的常数项b1,b2,,bn不全为零时,线性方程组(1)称为非齐次线性方程组,当b1,b2,,bn全为零时, 线性方程组(1)称为齐次线性方程组,即
a11x1a12x2a1nxn0,
a21x1a22x2a2nxn0,
an1x1an2x2annxn0.
(2)
线性方程组(1)的系数aij构成的行列式称为该方程组的系数行列式D,即 a11
a21
D
an1
a12a22an2
a1na2n
.
ann
2.克莱姆法则
定理1 (克莱姆法则) 若线性方程组(1)的系数行列式D0, 则线性方程组(1)有唯一解,其解为
xj
DjD
(j1,2,,n) (3)
其中Dj(j1,2,,n)是把D中第j列元素a1j,a2j,,anj对应地换成常数项b1,b2,,bn,而其余各列保持不变所得到的行列式.
一般来说,用克莱姆法则求线性方程组的解时,计算量是比较大的. 对具体的数字线性方程组,当未知数较多时往往可用计算机来求解. 用计算机求解线性方程组目前已经有了一整套成熟的方法.
克莱姆法则在一定条件下给出了线性方程组解的存在性、唯一性,与其在计算方面的作用相比,克莱姆法则更具有重大的理论价值. 撇开求解公式(3),克莱姆法则可叙述为下面的定理.
定理2 如果线性方程组(1)的系数行列式D0,则(1)一定 有解,且解是唯一的.
在解题或证明中,常用到定理2的逆否定理:
定理2 如果线性方程组(1)无解或有两个不同的解, 则它的系数行列式必为零.
对齐次线性方程组(2), 易见x1x2xn0一定该方程组的解, 称其为齐次线性方程组(2)的零解. 把定理2应用于齐次线性方程组(2),可得到下列结论.
定理3 如果齐次线性方程组(2)的系数行列式D0,则齐次线性方程组(2)只有零解. 定理3 如果齐次方程组(2)有非零解,则它的系数行列式D0.
注: 在第三章中还将进一步证明,如果齐次线性方程组的系数行列式D0,则齐次线性方程组(2)有非零解.
三、例题选讲
例1用克莱姆法则求解线性方程组:
2x13x25x32
5 x12x2
3x25x34235
解 D1
20035
r1r3
r1r3
1
20
20222520,
35
035
200
235D1520
435
225D2150
045
20054
20(2)2520, 35
r1r2
r12r2
08510
54
05
150
085
4
045
85
5
60,
232D
3125
034
由克莱姆法则,
r12r2
01810
23
54
r1r2
18
01820.
34
034
125
x1
DD1D
1,x223,x331. DDD
2x1x25x3x48,
x13x26x49,
例2 (E01) 用克莱姆法则解方程组
2xx2x5,342x14x27x36x40.
2151
1306r12r2
解 D
0212r4r21476
c32c2
07513
7513
1306
212
0212
7712
07712
33
01027.
72
772
353
8151285193061906D181, D2108,
52120512047610762181215813961309D327, D427,
0252021514061470
x1
D181D108
3, x224, D27D27D327D271, x441. D27D27
x3
例3(E02) 大学生在饮食方面存在很多问题,很多人不重视吃早饭,多数大学生日常饮食
没有规律,为了身体的健康就要制订营养改善行动计划,大学生一日食谱配餐:需要摄入一定的蛋白质、脂肪和碳水化合物,下边是三种食物,它们的质量用适当的单位计量。这些食品提供的营养以及食谱所需的营养如下给出
试根据这个问题建立一个线性方程组,并通过求解方程组来确定每天需要摄入上述三种食物的量。
解:设x1,x2,x3分别为三种食物的量,则由表中的数据可得出下列线性方程组:
10x120x220x3105
0x110x23x360
50x40x10x525
231
由克莱姆法则可得
[1**********]20
D0103= -7200, D1=60103= -39600,
[1**********]10
10520
20105
D2=0603= -54000, D3=01060= -36000 [1**********]则:
x1=
DD1D
=5.5,x2= 2=7.5,x3= 3=5 DDD
从而我们每天可以摄入5.5个单位的食物一、7.5个单位的食物二、5个单位的食物三就可以
保证我们的健康饮食了。
(1)x12x24x30
例4 (E03) 问为何值时, 齐次方程组2x1(3)x2x30有非零解?
xx(1)x0
312
解
24
31D2111
21
310
411
(1)3(3)4(1)2(1)(3)
(1)32(1)23(2)(3),
齐次线性方程组有非零解,则D0,所以0, 2或3时齐次线性方程组有非零解.
xyzabc
例5 设方程组 axbycza2b2c2
bcxcayabz3abc
试问a,b,c满足什么条件时, 方程组有惟一解, 并求出惟一解.
1
解 Da
11
bcbccaab
c1c2c2c3
ab
01
bcc
c(ba)a(cb)ab
c1(ab)c2(bc)
11
(ab)(bc)11c(ab)(bc)(ab)(bc)(ca)
ca
caab
1
显然,当a,b,c互不相等时,D0,该方程组有唯一解. 又
abc
D1a2b2c2
3abc
11
bccaab
c1bc2cc3
a
a
2
1b
1
cabccaab
c1a
1
aa
11
bcaD. bccaab
同理可得D2bD,D3cD,于是 x
DD1D
a,y2b,z3c. DDD
四、课堂练习
1.如果下列齐次线性方程组有非零解, k应取何值?
kx1x40
x12x2x40
.
(k2)xx4x01242x1x23x3kx40
x1x22x33x40
x12x23x3x40
2.判定齐次线性方程组是否仅有零解.
3xxx2x03412
2x13x2x3x40