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关于带参数的非齐次线性方程组的小问题及定理

数学隐士
2025-06-09 / 0 评论 / 0 点赞 / 13 阅读 / 5562 字

我们来看这一道题:

k为何值时,线性方程组\begin{cases}x_1 + x_2 + kx_3 = 4 \\-x_1 + kx_2 + x_3 = k^2 \\x_1 - x_2 + 2x_3 = -4\end{cases}有唯一解、无解、有无穷多组解?在有解的情况下,求出其全部解.

由于未知数的个数和方程的个数都为3,由线性方程组根的判别法可得:r(A)=3(满秩)时一定有唯一解,当r(A)<3时有无穷多组解或无解.

我们使用行列式判断其是否满秩.由于

\begin{vmatrix} 1 & 1 & k \\ -1 & k & 1 \\ 1 & -1 & 2 \end{vmatrix} =-k^2 + 3k + 4 = -(k-4)(k+1).

故当k≠4, −1时方程有唯一解,使用Cramer法则或消元法可得出解

\begin{cases} x_1 = \dfrac{k(k+2)}{k+1},\\[0.6em] x_2 = \dfrac{k^2 + 2k + 4}{k+1},\\[0.6em] x_3 = -\dfrac{2k}{k+1}. \end{cases}

由此我们萌生了一个想法:这个式子的前提是k≠4, −1. -1我能理解带不进去,但是4可是能带进去的啊!如果把4代进去会发生什么事呢?

代入发现,诶?还真是方程组的一组解. 那也就是说,这个题目中k=4是有无穷多解,k=−1是无解,对吗?
如果是这样的话,这个结论是不是一般性的呢?我可不可以说,凡是在形式上代入所求得的x有意义的话,这个x仍然是方程组的一组解,无论这个式子的前提要求是什么?
我们来证明一下:
定理:对于在数域\mathbb{K}上的线性方程组A(k_1,k_2,\cdots,k_n)\mathbf{x}=\mathbf{b}(k_1,k_2,\cdots,k_n),若存在k_1,k_2,\cdots,k_n使得方程组有唯一解,且唯一解可以用k_1,k_2,\cdots,k_n表示,那么对于\forall\; k_1,k_2,\cdots,k_n \quad s.t. \quad x_1,x_2,\cdots,x_n\in\mathbb{K}代入得到的x_1,x_2,\cdots,x_n都是原方程的有效解.

proof.
为了方便,我们将(k_1,k_2,\cdots,k_n)记为\mathbf{k},\;(x_1,x_2,\cdots,x_n)记为\mathbf{x}.由于

AA^*=\left|A\right|I

于是

AA^*\mathbf{b}=\left|A\right|\mathbf{b}\quad\Longrightarrow\quad A\left(\frac{A^*\mathbf{b}}{\left|A\right|}\right)=\mathbf{b}\quad\left(\left|A\right|\neq0\right).

即最终解为

\mathbf{x}^\circ(\mathbf{k})=\frac{A^*(\mathbf{k})\mathbf{b}(\mathbf{k})}{\left|A(\mathbf{k})\right|}.

于是

A(\mathbf{k})\mathbf{x}^\circ(\mathbf{k})=\mathbf{b}(\mathbf{k})\tag{*}

但是在实际计算过程中,\mathbf{x}^\circ(\mathbf{k})的分子分母往往可以消去一部分(从最终结论来看,消去的多项式的根恰巧就是满足原方程有无穷多组解的\mathbf{k}),从而将等式化简,我们记化简后最终得到的式子为
\mathbf{x}(\mathbf{k})=\frac{P(\mathbf{k})}{Q(\mathbf{k})}
将 () 两侧乘以Q(\mathbf{k})(消去分母),我们得到
Q(\mathbf{k})A(\mathbf{k})\mathbf{x}(\mathbf{k})\equiv Q(\mathbf{k})\mathbf{b}(\mathbf{k})
这个式子成立的原因是:
1.这个式子的两端都是多项式.
2.定理已经说明存在\mathbf{k}使得其成立.
3.由于\left|A\right|是关于\mathbf{k}的多项式,故只有有限个\mathbf{k}使得\left|A\right|=0,而 (
) 成立当\left|A\right|\neq0,因此有无限个\mathbf{k}使得这个式子成立.

于是我们取\mathbf{k^*}使得Q(\mathbf{k}^{*})\neq0,代入上式即得

A(\mathbf{k}^*)\mathbf{x}(\mathbf{k}^*)=\mathbf{b}(\mathbf{k}^*)

这正说明只要\mathbf{k}满足使唯一解表达式中所有分母同时非零,则\mathbf{k}所对应的解必然满足原方程.
再由于解的形式是多项式相除,定理中的\forall\; \mathbf{k} \quad s.t. \quad \mathbf{x}\in\mathbb{K}指的正是x_n分母非零,证毕.

此定理还可以使用摄动法来证明,作为习题留给读者.

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