乐思数学通 › 考研数学(一) › 第 9 章 行列式

克拉默法则

§9.3 · 核心概念🌱 基础篇 →

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前置诊断

① 直接前置(需先掌握)行列式的概念与性质行列式的计算

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: 当 时唯一解 ★★ 必会

设有 个方程、 个未知量的线性方程组 ,其中 为 阶方阵,记 。

① 非齐次方程组 当 时有唯一解其中 是把系数行列式 的第 列换成右端的常数列 后所得的行列式。

② 齐次方程组 当 时只有零解;它有非零解 。

③ 适用的条件 系数矩阵必须是方阵,而且 。如果 ,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 与增广矩阵的秩 (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 (见 §10.6)得 ,它的第 个分量为
而 恰好是把 的第 列换成 以后按第 列展开所得的值,即 。故 。
举例说明解 。 这里 ,,,故 。关于齐次的情形 如果把右端换成 ,那么由 知方程组只有零解 ;要出现非零解,必须 。

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 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 的构造出发,即把第 列换成 ,再利用行列式关于列的多重线性,一步得到 。这种证法的好处在于说清了换的为什么偏偏是第 列:解 恰好是 在列向量组 下的第 个坐标,换列并拆开以后只剩第 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 的各列为 ,则 就是 。把 中第 列的 用这个式子代入,再对第 列用行列式的线性性质拆开,得

当 时,行列式中第 列是 ,而第 列本来也是 ,两列相同,行列式为零;只有 的那一项不为零,这时行列式恢复为 本身,其值为 。故 。当 时,两端除以 ,得 。这一步同时给出了存在性,即这样的 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 ,在 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 ,通常把它化为因式的连乘积;(2) 对使 的 ,由克拉默法则断定方程组有唯一解;(3) 对使 的每一个特殊的 ,把具体数值代回,对增广矩阵作初等行变换,比较 与 ,分别判定它有无穷多解还是无解。必须注意: 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 的解。

解. 系数行列式 ,计算时把各列加到第一列,提出公因子 ,再化为三角形。

(1) 当 且 时: ,由克拉默法则知方程组有唯一解。
(2) 当 时: 三个方程都化为 ,这时 ,方程组有无穷多解,通解为 。
(3) 当 时: 系数矩阵每列元素之和为 ,故三个方程的左端相加得 ,而右端相加得 ,两者矛盾。这时 ,方程组无解。

4. 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 就意味着无解。事实上,当 时系数矩阵 不可逆,方程组要么无解,要么有无穷多解;克拉默法则中的 因分母为零而不能再用来求解。但是各个 未必都为零,由此还留下一条判据:如果 而某个 ,那么方程组无解。如果 与各个 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 。下面举两个只有右端不同、而 同为零的方程组,说明同样是 ,结果可以完全不同,由此便可明白 时为什么必须改用秩来判定。
证明 / 推导证 设 为 阶方阵,,所论的方程组为 。

① 有解的判别依据. 把 按列分块,记 。方程组 写成向量的形式就是

因此方程组有解,当且仅当 可由 线性表示。若 可以这样表示,则把它添进这个列向量组不会改变秩。故 。反之,设 。这时 的极大无关组也是 的极大无关组。故 可由它线性表示。这就证明了有解的充要条件是 。

② 时唯一解不可能出现. 由 得 。故齐次方程组 的自由未知量个数 ,从而它有非零解 。设 是 的一个解,则对任意常数 有

即 全都是解。因 ,不同的 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 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 时 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

其中 是方程组的任意一个解。那里的推导并没有用到 。于是当 时,只要方程组有解,就必有 对一切 成立。取它的逆否命题,便得到一条可以直接使用的判据。若 而某个 ,则方程组无解。 例中的方程组(乙)即是如此, 而

由此立即断定它无解。方程组(甲)则有 ,这条判据给不出结论。

必须注意,这条判据只能单向使用。 与各 全为零时,方程组仍可能无解。例如

其系数矩阵的三列完全相同。故每个 中都有两列相同, 与各 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 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 :

(甲) :第二式是第一式的 倍,故 ,方程组有无穷多解,解集是整条直线 。

(乙) :左端成比例而右端不成比例,故 ,方程组无解,两个方程表示两条平行直线。

结论. 同样是 ,甲有无穷多解,乙无解,仅凭 无法分辨,只有比较 与 才能判定。由此可见,克拉默法则只解决 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 个 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 在理论证明中是不可代替的:由于 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 中 是整数方阵, 是整数向量,且 ,则方程组的唯一解 的每个分量都是整数。

证. 因为 ,所以由克拉默法则得 。而 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 ,于是 。证毕。

验证. 取 ,它的 ,取 ,则 ,,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。
💡 小知识
克拉默法则以 18 世纪瑞士数学家加布里埃尔·克拉默命名,他在 1750 年研究平面代数曲线时提出了它。用来手算大方程组,这个法则优雅却低效;但它在现代换了一种方式活了下来:在符号计算与理论证明里,克拉默法则给出的显式公式常常比数值消元更有用。

基础例题

从最基础开始,循序渐进;先独立尝试,再展开完整解答。

例 1 用克拉默法则解方程组 难度 1第一步,算系数行列式 (要求 才能用克拉默法则):

第二步,把系数行列式的第 列换成右端常数列 ,得 :

第三步,由 :

代回验证: ✓, ✓。故 。
例 2 用克拉默法则解方程组 难度 2系数行列式(按第一列展开):

依次把第 列换成右端 :

故 代回三式均成立()。
例 3 问 取何值时,齐次方程组 有非零解? 难度 2核心判据:齐次方程组 有非零解 系数行列式 。先算 :

把第 行的 倍分别加到第 行(倍加不变):

令 得 。所以当 时方程组有非零解(此时第三个方程与第一个相同,方程「退化」); 时只有零解。
例 4 讨论 取何值时,方程组 有唯一解,并求出该解。 难度 2唯一解的充要条件是系数行列式 。 算 :

故 且 ,即 时有唯一解。此时


即唯一解为 。( 或 时 ,需另用秩判定,不属于唯一解情形。)

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 则 ____。

练习 2 · 选择题

若齐次方程组 有非零解,则 ( )。
  • A
  • B
  • C
  • D

练习 3 · 选择题

设线性方程组 含 个方程、 个未知数,则它有唯一解的充要条件是( )。
  • A
  • B
  • C
  • D

练习 4 · 选择题

设 元非齐次线性方程组的系数行列式 ,且 ,则解 ( )。
  • A
  • B
  • C
  • D

练习 5 · 选择题

关于克拉默法则,下列说法正确的是( )。
  • A当 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 有非零解的充要条件是
  • D当 时方程组可能有无穷多解