5. λ取怎样的数值时,线性方程组 λx_(1)+x_(2)+2x_(3)-3x_(4)=2, λ^2x_(1)-3x_(2)+2x_(3)+x_(4)=-1, λ^3x_(1)-x_(2)+2x_(3)-x_(4)=-1有解?
题目解答
答案
解析
本题考察线性方程组有解的判定条件:线性方程组$Ax=b$有解的充要条件是系数矩阵$A$的秩等于增广矩阵$\overline{A}=[A|b]$的秩$(\text{rank}(A)=\text{rank}(\overline{A}))$。
步骤1:写出系数矩阵$A$和增广矩阵$\overline{A}$
给定线性方程组:
$\begin{cases}\lambda x_1 + x_2 + 2x_3 - 3x_4 = 2 \\\lambda^2 x_1 - 3x_2 + 2x_3 + x_4 = - -1 \\\lambda^3 x_1 - x_2 + 2x_3 - x_4 = -1\end{cases}$
系数矩阵$A$和增广矩阵$\overline{A}$为:
$A=\begin{bmatrix}\lambda & 1 & 2 & -3 \\\\\lambda^2 & -3 & 2 & 1\\\lambda^3 & -1 & 2 & -1\end{bmatrix},\quad\overline{A}=\begin{bmatrix}\lambda & 1 & 2 & -3 & 2\\\\\lambda^2 & -3 & 2 & 1 & -1\\\lambda^3 & -1 & 2 & -1 & -1\end{bmatrix}$
步骤2:取子矩阵$B$计算行列式
为分析$A$的子矩阵(如前3列构成的矩阵$B$),计算其行列式判断秩的变化:
$\det(B)=\begin{vmatrix}\lambda & 1 & 2\\\lambda^2 & -3 & 2\\\lambda^3 & -1 &2\end{vmatrix}$
按行列式展开法则:
$\det(B)=\lambda\begin{vmatrix}-3&2\\-1&2\end{vmatrix}-1\begin{vmatrix}\lambda^2&2\\\lambda^3&2\end{vmatrix}+2\begin{vmatrix}\lambda^2&-3\\\lambda^3&-1\end{vmatrix}$
$=\lambda(-6+2)-1(2\lambda^2-2\lambda^3)+2(-\lambda^2+3\lambda^3)$
$=-4\lambda-2\lambda^2+2\lambda^3-2\lambda^2+6\lambda^3$
$=8\lambda^3-4\lambda^2-4\lambda=4\lambda(2\lambda+1)(\lambda-1)$
步骤3:分类讨论$\lambda$的取值
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当$\lambda\neq0,-\frac{1}{2},1$时:
$\det(B)\neq0$,故$\text{rank}(B)=3$,从而$\text{rank}(A)=3$($\text{rank}(\overline{A})=3$,方程组有解。 -
当$\lambda=0$时:
此时方程组化为:
$\begin{cases}x_2+2x_3-3x_4=2\\-3x_2+2x_3+x_4=-1\\-x_2+2x_3-x_4=-=--1\end{cases}$
增广矩阵行变换后,系数矩阵与增广矩阵秩均为2,有解。 -
当$\lambda=-\frac{1}{2}$或$\lambda=1$时:
行变换后发现$\text{rank}(A)=2<\text{rank}(\overline{A})=3$,方程组无解。