卡在這題?用 AI 解開它
Algebra · real student question

用代入消去法解聯立方程式 3x + 2y + 5z = 7,x + 2y + 5z = 4,−x + 3y + z = 2,3x + 4y + 5z = 32。

Question

用代入消去法解下列線性聯立方程式:

{3x+2y+5z=7(1)x+2y+5z=4(2)−x+3y+z=2(3)3x+4y+5z=32(4)\begin{cases}3x+2y+5z=7 & (1)\\ x+2y+5z=4 & (2)\\ -x+3y+z=2 & (3)\\ 3x+4y+5z=32 & (4)\end{cases}

Step-by-step solution

  1. 先注意這是一組超定的方程式。 方程式有四個,未知數卻只有三個。這樣的方程組通常無解:第四式比未知數能吸收的條件多出一條,所以有一部分工作就是先判斷這些式子究竟相不相容。

  2. 從第 (2) 式解出 x。 由 x+2y+5z=4x+2y+5z=4 得 x=4−2y−5zx=4-2y-5z。挑第 (2) 式很自然,因為那裡 xx 的係數是 11,不會帶出分數。

  3. 代入其餘三式。 代入 (1):3(4−2y−5z)+2y+5z=73(4-2y-5z)+2y+5z=7 化為 4y+10z=54y+10z=5,記作 (A)。代入 (3):−(4−2y−5z)+3y+z=2-(4-2y-5z)+3y+z=2 給出 5y+6z=65y+6z=6,記作 (B)。代入 (4):3(4−2y−5z)+4y+5z=323(4-2y-5z)+4y+5z=32 給出 2y+10z=−202y+10z=-20,記作 (C)。

  4. 解 (A) 與 (C) 這一組。 用 (A) 減 (C) 消去 zz:(4y+10z)−(2y+10z)=5−(−20)(4y+10z)-(2y+10z)=5-(-20),即 2y=252y=25,得 y=252y=\frac{25}{2}。再代回 (C) 得 25+10z=−2025+10z=-20,所以 z=−92z=-\frac92。

  5. 把這組值代進 (B) 檢驗。 5(252)+6(−92)=1252−27=712=35.55\left(\frac{25}{2}\right)+6\left(-\frac92\right)=\frac{125}{2}-27=\frac{71}{2}=35.5,可是 (B) 要求的是 66。三個化簡後的式子無法同時成立。

  6. 下結論,並用秩再確認一遍。 由於這組方程式推出的結果與另一式互相矛盾,它們不相容。係數矩陣的秩是 33,而增廣矩陣的秩是 44,這正是無解的 Rouché–Capelli 判別條件。更具體地說,(1)−(2)(1)-(2) 迫使 x=32x=\frac32,(4)−(1)(4)-(1) 迫使 y=252y=\frac{25}{2},再由 (2) 迫使 z=−92z=-\frac92;把這組值代入第 (3) 式得到 −32+752−92=632=31.5-\frac32+\frac{75}{2}-\frac92=\frac{63}{2}=31.5,而不是 22。

Answer

這組方程式不相容:無解。\text{這組方程式不相容:無解。}

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