遇到不会解的方程组,可以试试这个办法!

作者: anteras

来源: 果壳少年

发布日期: 2018-04-28

本文介绍了如何通过平面直角坐标系来直观地解决二元一次方程组的问题,并讨论了方程组解的三种可能性及其几何解释。文章还进一步探讨了三元一次方程组在三维空间中的表现,以及代数和几何结合的重要性。

鲁迅曾经说过:“这世界上没有什么是平面直角坐标系解决不了的,如果有,就建个三维的。”这当然只是个玩笑,但平面直角坐标确实是个伟大的发明。它的重要之处在于能把代数和几何联系起来。而二元一次方程组,恰好就是一个很好的实例。比如两个二元一次方程构成的方程组,它的解有三种可能性:唯一解,无解或无穷多解。但是我们要如何更直观地得出这个结论呢?

比如说,我们有这么一个二元一次方程组:我们先试着把第一个方程在平面直角坐标系上画出来。满足这个方程的(x,y)组合有无数种,比如(3,0), (1,1), (-1,2)等等。找四五个点画到平面直角坐标系上,就会变成这样。可以看出,满足条件的点构成了一条直线——也就是说,一个二元一次方程的所有解在平面直角坐标系下可以用直线表示。而第二个方程的解也可以用类似的方法画出来。

当我们把两个方程对应的直线都画在坐标系上的时候,就可以一眼看出方程组的解了:正好就是两条直线的交点(1,1),也就是x=1,y=1。

鹅妹子嘤 ! 这样就不用经过消元的步骤,直接得到方程组的解了。那为什么方程组的解有三种可能性呢?我们可以再看一个无解的例子:把这个方程组的两个方程画出来之后,就会发现它们是两条平行线,没有交点。而无穷多解的例子则对应两条直线重合的情况。

由于平面上两条直线的关系只有相交、平行、重合三种,因此两个二元一次方程构成的组也就只有唯一解、无解和无穷多解三种。比起用代数方法解方程组和看两条直线的交点,几何法是不是更直观一点呢?

如果推广到三元一次方程,又是什么样的情形呢?一个三元一次方程可以对应到三维空间中的一个平面。因此三元一次方程组的解也可以通过几个平面相交的方法看出来,这需要很强的空间想象力。

比如下图的交点,就是三个平面所代表的方程组的解。但如果推广到四元、五元,那就完全没办法想象了。所幸这种情况下代数的方法仍然适用:可以证明,在很多情况下,n个n元一次方程组都有唯一解。所以说,将代数和几何结合起来的意义就在于此:在简单的情况下通过几何的方法获得直观的结论,再推广到复杂的情况下用代数的方法证明。

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