要点精讲 把关键道理、证明与典型例子重新过一遍。
1. 克拉默法则的内容:A x = b 当 D = ∣ A ∣ = 0 时唯一解 x j = D D j ★★ 必会 设有 n 个方程、n 个未知量的线性方程组 A x = b ,其中 A 为 n 阶方阵 ,记 D = ∣ A ∣ 。① 非齐次方程组 A x = b 当 D = 0 时有唯一解 x j = D D j ( j = 1 , 2 , … , n ) , 其中 D j 是把系数行列式 D 的第 j 列 换成右端的常数列 b 后所得的行列式。② 齐次方程组 A x = 0 当 D = 0 时只有零解 ;它有非零解 ⟺ D = 0 。③ 适用的条件 系数矩阵必须是方阵 ,而且 D = 0 。如果 D = 0 ,或者方程的个数与未知量的个数不相等,那么克拉默法则失效 ,这时应改用初等行变换,比较 r ( A ) 与增广矩阵的秩 r ( A ∣ b ) (见 §12)。克拉默法则主要是一种理论工具 ,它给出了解的显式行列式表达式;实际计算仍以消元法为主。
证明 / 推导 证 由伴随矩阵公式 A − 1 = ∣ A ∣ A ∗ (见 §10.6)得 x = A − 1 b = D 1 A ∗ b ,它的第 j 个分量为x j = D 1 i = 1 ∑ n ( A ∗ ) j i b i = D 1 i = 1 ∑ n A ij b i , 而 ∑ i = 1 n A ij b i 恰好是把 D 的第 j 列换成 b 以后按第 j 列展开 所得的值,即 D j 。故 x j = D j / D 。■ 举例说明 解 { x 1 + x 2 = 3 x 1 − x 2 = 1 。 这里 D = 1 1 1 − 1 = − 2 = 0 ,D 1 = 3 1 1 − 1 = − 4 ,D 2 = 1 1 3 1 = − 2 ,故 x 1 = D D 1 = 2 , x 2 = D D 2 = 1 。关于齐次的情形 如果把右端换成 0 ,那么由 D = 0 知方程组只有零解 x 1 = x 2 = 0 ;要出现非零解,必须 D = 0 。2. 克拉默法则的另一种证法:用多重线性与换列,比伴随矩阵更为直接 前面用伴随矩阵公式 x = ∣ A ∣ 1 A ∗ b 证明了克拉默法则,那是算出来的结果。下面给出另一种证法:从 D j 的构造出发,即把第 j 列换成 b ,再利用行列式关于列的多重线性 ,一步得到 D j = x j D 。这种证法的好处在于说清了换的为什么偏偏是第 j 列:解 x j 恰好是 b 在列向量组 { α i } 下的第 j 个坐标,换列并拆开以后只剩第 j 项。掌握了这个观点,克拉默法则就不再是一个需要记忆的公式,而是多重线性的必然结果。
证明 / 推导 证 设 A 的各列为 α 1 , … , α n ,则 A x = b 就是 b = x 1 α 1 + ⋯ + x n α n 。把 D j 中第 j 列的 b 用这个式子代入,再对第 j 列用行列式的线性性质拆开,得D j = α 1 , … , 第 j 列 b , … , α n = i = 1 ∑ n x i α 1 , … , 第 j 列 α i , … , α n . 当 i = j 时,行列式中第 j 列是 α i ,而第 i 列本来也是 α i ,两列相同,行列式为零 ;只有 i = j 的那一项不为零,这时行列式恢复为 A 本身,其值为 D 。故 D j = x j D 。当 D = 0 时,两端除以 D ,得 x j = D D j 。这一步同时给出了存在性 ,即这样的 x j 确实是解;也给出了唯一性 ,即任何一个解都必须满足这个式子。3. 含参数方程组的三段讨论:先算 D ( λ ) ,在 D = 0 处再逐个改用秩 克拉默法则最常用于讨论含参数且方程个数等于未知量个数 的方程组解的情况。标准的做法分三步:(1) 计算系数行列式 D ( λ ) ,通常把它化为因式的连乘积;(2) 对使 D ( λ ) = 0 的 λ ,由克拉默法则断定方程组有唯一解 ;(3) 对使 D ( λ ) = 0 的每一个特殊的 λ ,把具体数值代回 ,对增广矩阵作初等行变换,比较 r ( A ) 与 r ( A , b ) ,分别判定它有无穷多解还是无解。必须注意:D = 0 只表明唯一解的结论失效,决不能据此断言无解,每个特殊值都要单独讨论。
举例说明 讨论 ⎩ ⎨ ⎧ λ x 1 + x 2 + x 3 = 1 , x 1 + λ x 2 + x 3 = λ , x 1 + x 2 + λ x 3 = λ 2 的解。解. 系数行列式 D = λ 1 1 1 λ 1 1 1 λ = ( λ + 2 ) ( λ − 1 ) 2 ,计算时把各列加到第一列,提出公因子 ( λ + 2 ) ,再化为三角形。(1) 当 λ = 1 且 λ = − 2 时: D = 0 ,由克拉默法则知方程组有唯一解 。(2) 当 λ = 1 时: 三个方程都化为 x 1 + x 2 + x 3 = 1 ,这时 r ( A ) = r ( A , b ) = 1 < 3 ,方程组有无穷多解 ,通解为 x = ( 1 , 0 , 0 ) T + k 1 ( − 1 , 1 , 0 ) T + k 2 ( − 1 , 0 , 1 ) T 。(3) 当 λ = − 2 时: 系数矩阵每列元素之和为 0 ,故三个方程的左端相加得 0 ,而右端相加得 1 + ( − 2 ) + 4 = 3 = 0 ,两者矛盾。这时 r ( A ) = 2 = r ( A , b ) = 3 ,方程组无解 。4. D = 0 时的两种可能:为什么这时必须弃用克拉默法则而改用秩★ 要懂 常有人误以为D = 0 就意味着无解。事实上,当 D = 0 时系数矩阵 A 不可逆,方程组要么无解,要么有无穷多解 ;克拉默法则中的 x j = D j / D 因分母为零而不能再用来求解。但是各个 D j 未必都为零,由此还留下一条判据:如果 D = 0 而某个 D j = 0 ,那么方程组无解 。如果 D 与各个 D j 全为零,那么这条判据不给出结论,判别的依据就完全在于秩 :方程组有解 ⟺ r ( A ) = r ( A , b ) 。下面举两个只有右端不同、而 D 同为零的方程组,说明同样是 D = 0 ,结果可以完全不同,由此便可明白 D = 0 时为什么必须改用秩来判定。
证明 / 推导 证 设 A 为 n 阶方阵,D = ∣ A ∣ ,所论的方程组为 A x = b 。① 有解的判别依据. 把 A 按列分块,记 A = ( α 1 , … , α n ) 。方程组 A x = b 写成向量的形式就是x 1 α 1 + x 2 α 2 + ⋯ + x n α n = b . 因此方程组有解,当且仅当 b 可由 α 1 , … , α n 线性表示。若 b 可以这样表示,则把它添进这个列向量组不会改变秩。故 r ( A ) = r ( A , b ) 。反之,设 r ( A ) = r ( A , b ) 。这时 α 1 , … , α n 的极大无关组也是 α 1 , … , α n , b 的极大无关组。故 b 可由它线性表示。这就证明了有解的充要条件是 r ( A ) = r ( A , b ) 。② D = 0 时唯一解不可能出现. 由 D = 0 得 r ( A ) < n 。故齐次方程组 A x = 0 的自由未知量个数 n − r ( A ) ≥ 1 ,从而它有非零解 η 。设 x 0 是 A x = b 的一个解,则对任意常数 k 有A ( x 0 + k η ) = A x 0 + k A η = b + 0 = b , 即 x 0 + k η 全都是解。因 η = 0 ,不同的 k 给出不同的解,故解有无穷多个。这就证明了:只要有一个解,就必有无穷多个解。与①合起来,当 D = 0 时方程组或者无解,或者有无穷多解。唯一解的情形不可能出现。③ D = 0 时 D j 仍有一点用处. 在克拉默法则的另一种证法中,曾由行列式的多重线性得到恒等式D j j = x j D = 1 , 2 , … , n 其中 x 是方程组的任意一个解。那里的推导并没有用到 D = 0 。于是当 D = 0 时,只要方程组有解,就必有 D j = 0 对一切 j 成立。取它的逆否命题,便得到一条可以直接使用的判据。若 D = 0 而某个 D j = 0 ,则方程组无解。 例中的方程组(乙)即是如此,D = 0 而D 1 = 1 3 1 2 = − 1 = 0 , 由此立即断定它无解。方程组(甲)则有 D 1 = D 2 = 0 ,这条判据给不出结论。 必须注意,这条判据只能单向使用。D 与各 D j 全为零时,方程组仍可能无解。例如⎩ ⎨ ⎧ x + y + z = 1 , x + y + z = 1 , x + y + z = 2 , 其系数矩阵的三列完全相同。故每个 D j 中都有两列相同,D 与各 D j 全为零。但第一个方程与第三个方程互相矛盾,方程组无解。由此再一次看出,当 D = 0 时必须回到秩上来判定。■ 举例说明 下面两个方程组的系数行列式都是 D = 1 2 1 2 = 0 :(甲) { x + y = 1 2 x + 2 y = 2 :第二式是第一式的 2 倍,故 r ( A ) = r ( A , b ) = 1 ,方程组有无穷多解 ,解集是整条直线 x + y = 1 。(乙) { x + y = 1 2 x + 2 y = 3 :左端成比例而右端不成比例,故 r ( A ) = 1 = r ( A , b ) = 2 ,方程组无解 ,两个方程表示两条平行直线。结论. 同样是 D = 0 ,甲有无穷多解,乙无解,仅凭 D 无法分辨,只有比较 r ( A ) 与 r ( A , b ) 才能判定。由此可见,克拉默法则只解决 D = 0 这一特殊而完美的情形,其余情形都要交给秩来处理。5. 克拉默法则的价值在于理论:显式公式能证明消元法证不了的结论 用克拉默法则手算大型方程组,形式虽整齐但效率很低,要计算 n + 1 个 n 阶行列式,因此实际计算中让位于高斯消元法。但是它给出的显式的商的公式 x j = D j / D 在理论证明中是不可代替的:由于 D , D j 都是系数与常数项的多项式 ,因此可以直接对解的代数性质作出结论,例如解是否为整数、是否连续依赖于参数、符号如何等等,这是数值消元法做不到的。下面关于整系数方程组何时必有整数解的结论,就是这一显式公式的一个典型应用。
举例说明 命题. 设线性方程组 A x = b 中 A 是整数方阵,b 是整数向量,且 det A = ± 1 ,则方程组的唯一解 x 的每个分量都是整数。证. 因为 det A = ± 1 = 0 ,所以由克拉默法则得 x j = det A D j = ± D j 。而 D j 是把整数矩阵的某一列换成整数向量后所得的行列式,按定义它由整数经加、减、乘运算而成,故 D j ∈ Z ,于是 x j = ± D j ∈ Z 。证毕。验证. 取 A = ( 2 1 1 1 ) ,它的 det A = 1 ,取 b = ( 3 , 2 ) T ,则 x 1 = 3 2 1 1 = 1 ,x 2 = 2 1 3 2 = 1 ,两者果然都是整数。这一类关于解的整数性或有理性的证明,最能体现克拉默法则的作用。随堂练习 先用基础题热身,再按年份从新到旧挑战本知识点的其余真题。
练习 1 · 填空题
用克拉默法则解方程组 { 2 x 1 + 3 x 2 = 8 , x 1 + 2 x 2 = 5 , 则 x 1 = ____。
练习 2 · 选择题
若齐次方程组 { k x 1 + x 2 = 0 , x 1 + k x 2 = 0 有非零解,则 k = ( )。
练习 3 · 选择题
设线性方程组 A x = b 含 n 个方程、n 个未知数,则它有唯一解 的充要条件是( )。
练习 4 · 选择题
设 4 元非齐次线性方程组的系数行列式 D = 3 ,且 D 1 = 3 , D 2 = 6 , D 3 = − 3 , D 4 = 0 ,则解 ( x 1 , x 2 , x 3 , x 4 ) = ( )。
A ( 1 , 2 , − 1 , 0 ) B ( 3 , 6 , − 3 , 0 ) C ( 1 , 2 , 1 , 0 ) D ( − 1 , − 2 , 1 , 0 ) 练习 5 · 选择题
关于克拉默法则,下列说法正确 的是( )。
A 当 D = 0 时方程组一定无解B 克拉默法则可用于方程个数与未知数个数不等的方程组C 齐次方程组 A x = 0 有非零解的充要条件是 ∣ A ∣ = 0 D 当 D = 0 时方程组可能有无穷多解