高考中求解线性方程组主要采用以下两种方法:
一、高斯消元法
增广矩阵的构建
将线性方程组转化为增广矩阵形式,例如方程组:
$$
begin{cases}
x + 2y - z = 4
2x - y + 3z = 13
x + y - 2z = 5
end{cases}
$$
对应的增广矩阵为:
$$
left[begin{array}{ccc|c}
1 & 2 & -1 & 4
2 & -1 & 3 & 13
1 & 1 & -2 & 5
end{array}right]
$$
行变换化为阶梯形
通过初等行变换(交换两行、某行乘以非零常数、某行加减另一行的倍数)将矩阵化为行简化阶梯形:
第二行减去第一行的2倍:
$$
left[begin{array}{ccc|c}
1 & 2 & -1 & 4
0 & -5 & 5 & 5
1 & 1 & -2 & 5
end{array}right]
$$
第三行减去第一行:
$$
left[begin{array}{ccc|c}
1 & 2 & -1 & 4
0 & -5 & 5 & 5
0 & -1 & -1 & 1
end{array}right]
$$
第二行除以-5:
$$
left[begin{array}{ccc|c}
1 & 2 & -1 & 4
0 & 1 & -1 & -1
0 & -1 & -1 & 1
end{array}right]
$$
第三行加上第二行:
$$
left[begin{array}{ccc|c}
1 & 2 & -1 & 4
0 & 1 & -1 & -1
0 & 0 & -2 & 0
end{array}right]
$$
回代求解
从最后一行开始回代:
由$-2z = 0$得$z = 0$;
代入第二行得$y - 0 = -1$,即$y = -1$;
代入第一行得$x + 2(-1) - 0 = 4$,即$x = 6$。
最终解为:$x = 6, y = -1, z = 0$。
二、克拉默法则(适用于方阵且行列式非零)
计算系数矩阵的行列式
对于方程组:
$$
begin{cases}
x + 2y - z = 4
2x - y + 3z = 13
x + y - 2z = 5
end{cases}
$$
系数矩阵$A$为:
$$
begin{bmatrix}
1 & 2 & -1
2 & -1 & 3
1 & 1 & -2
end{bmatrix}
$$
计算行列式$|A|$:
$$
|A| = 1(-1 cdot -2 - 3 cdot 1) - 2(2 cdot -2 - 3 cdot 1) + (-1)(2 cdot 1 - (-1) cdot 1) = 1(2 - 3) - 2(4 - 3) - 1(2 + 1) = -1 - 2 - 3 = -6
$$
由于$|A| neq 0$,方程组有唯一解。
计算各未知量的行列式
$D_x$:将$A$的第一列替换为常数列$[4, 13, 5]$:
$$
D_x = begin{vmatrix}
4 & 2 & -1
13 & -1 &
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