当 a 取何值时,线性方程组[}x_1 + x_2 + x_3 + x_4 = 0 x_2 + x_3 + x_4 = 1 3x_1 + 2x_2 + x_3 + ax_4 = -1 -x_1 + (a-2)x_2 = 0](1) 有唯一解;(2) 无解;(3) 有无穷多解。在有无穷多解时求出其通解。
当 $a$ 取何值时,线性方程组
$
\begin{cases}
x_1 + x_2 + x_3 + x_4 = 0 \\
x_2 + x_3 + x_4 = 1 \\
3x_1 + 2x_2 + x_3 + ax_4 = -1 \\
-x_1 + (a-2)x_2 = 0
\end{cases}
$
(1) 有唯一解;
(2) 无解;
(3) 有无穷多解。在有无穷多解时求出其通解。
题目解答
答案
对系数矩阵 $A$ 和增广矩阵 $\bar{A}$ 进行初等行变换,得
$\bar{A} \sim \begin{pmatrix}1 & 1 & 1 & 1 & 0 \\0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\0 & 0 & -1 & a-2 & 0 \\0 & 0 & 0 & a-2 & -1\end{pmatrix}$
情况分析:
-
当 $a \neq 2$ 时,
$\text{rank}(A) = \text{rank}(\bar{A}) = 4$,方程组有唯一解。 -
当 $a = 2$ 时,
$\bar{A} \sim \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & -1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & -1 \end{pmatrix}$,
$\text{rank}(A) = 3$,$\text{rank}(\bar{A}) = 4$,方程组无解。
结论:
$\boxed{\begin{array}{ll}\text{当 } a \neq 2 \text{ 时,方程组有唯一解;} \\\text{当 } a = 2 \text{ 时,方程组无解。}\end{array}}$
(注:方程组无有无穷多解的情况。)
解析
本题考查线性方程组解的判定以及求解,解题思路是先对增广矩阵进行初等行变换化为行阶梯形矩阵,然后根据系数矩阵和增广矩阵的秩的关系来判断方程组解的情况,最后在有无穷多解时求出通解。
- 首先写出增广矩阵$\bar{A}$:
已知线性方程组$\begin{cases}x_1 + x_2 + x_3 + x_4 = 0 \\x_2 + x_3 + x_4 = 1 \\3x_1 + 2x_2 + x_3 + ax_4 = -1 \\-x_1 + (a - 2)x_2 = 0\end{cases}$,其增广矩阵$\bar{A}=\begin{pmatrix}1&1&1&1&0\\0&1&1&1&1\\3&2&1&a&-1\\-1&a - 2&0&0&0\end{pmatrix}$。 - 对增广矩阵$\bar{A}$进行初等行变换:
- 第三行减去第一行的$3$倍,第四行加上第一行,可得$\begin{pmatrix}1&1&1&1&0\\0&1&1&1&1\\0&-1&-2&a - 3&-1\\0&a - 1&1&1&0\end{pmatrix}$。
- 第三行加上第二行,第四行减去第二行的$(a - 1)$倍,得到$\begin{pmatrix}1&1&1&1&0\\0&1&1&1&1\\0&0&-1&a - 2&0\\0&0&-a + 2&-a + 2&-(a - 1)\end{pmatrix}$。
- 第四行加上第三行的$(a - 2)$倍,最终化为$\begin{pmatrix}1&1&1&1&0\\0&1&1&1&1\\0&0&-1&a - 2&0\\0&0&0&a - 2&-1\end{pmatrix}$。
- 根据行阶梯形矩阵判断解的情况:
- 有唯一解的情况:
当$a\neq 2$时,系数矩阵$A$和增广矩阵$\bar{A}$的秩都为$4$,即$\text{rank}(A)=\text{rank}(\bar{A}) = 4$,根据线性方程组解的判定定理,当系数矩阵的秩等于增广矩阵的秩且等于未知数的个数时,方程组有唯一解。 - 无解的情况:
当$a = 2$时,增广矩阵进一步化为$\begin{pmatrix}1&1&1&1&0\\0&1&1&1&1\\0&0&-1&0&0\\0&0&0&0&-1\end{pmatrix}$,此时$\text{rank}(A) = 3$,$\text{rank}(\bar{A}) = 4$,因为$\text{rank}(A)\neq\text{rank}(\bar{A})$,根据线性方程组解的判定定理,方程组无解。 - 有无穷多解的情况:
由于无论$a$取何值,都不会出现$\text{rank}(A)=\text{rank}(\bar{A})\lt 4$的情况,所以方程组无有无穷多解的情况。
- 有唯一解的情况: