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数学
题目

6.设A=(}-1&1&10&-2&01&1&-1),已知线性方程组AX=b有两个不同的解,a=____.

6.设$A=\left(\begin{matrix}-1&1&1\\0&-2&0\\1&1&-1\end{matrix}\right)$,$b=\left(\begin{matrix}a\\1\\1\end{matrix}\right)$,已知线性方程组$AX=b$有两个不同的解,a=____.

题目解答

答案

为了确定使得线性方程组 $AX = b$ 有两个不同解的 $a$ 的值,我们需要分析系数矩阵 $A$ 和增广矩阵 $[A|b]$ 的秩。一个线性方程组有多个解当且仅当系数矩阵的秩等于增广矩阵的秩,且这个秩小于变量的个数。 首先,我们找到系数矩阵 $A$ 的秩: \[ A = \begin{pmatrix} -1 & 1 & 1 \\ 0 & -2 & 0 \\ 1 & 1 & -1 \end{pmatrix} \] 我们对 $A$ 进行行初等变换: 1. 将第三行加到第一行: \[ \begin{pmatrix} 0 & 2 & 0 \\ 0 & -2 & 0 \\ 1 & 1 & -1 \end{pmatrix} \] 2. 将第二行加到第一行: \[ \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & 0 \\ 1 & 1 & -1 \end{pmatrix} \] 矩阵现在处于行阶梯形式。非零行的个数是 2,因此 $A$ 的秩是 2。 接下来,我们形成增广矩阵 $[A|b]$: \[ [A|b] = \begin{pmatrix} -1 & 1 & 1 & a \\ 0 & -2 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & -1 & 1 \end{pmatrix} \] 我们对 $[A|b]$ 进行相同的行初等变换: 1. 将第三行加到第一行: \[ \begin{pmatrix} 0 & 2 & 0 & a+1 \\ 0 & -2 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & -1 & 1 \end{pmatrix} \] 2. 将第二行加到第一行: \[ \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & a+2 \\ 0 & -2 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & -1 & 1 \end{pmatrix} \] 为了使增广矩阵的秩为 2,最后一行的第一列必须为零,这意味着 $a + 2 = 0$。因此,$a = -2$。 当 $a = -2$ 时,增广矩阵变为: \[ \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & -1 & 1 \end{pmatrix} \] 这个矩阵的秩是 2,与系数矩阵 $A$ 的秩相同。由于秩是 2 且有 3 个变量,系统有多个解。 因此,$a$ 的值是 $\boxed{-2}$。

解析

本题考察线性方程组解的存在性与唯一性定理,关键在于通过矩阵的秩来判断解的情况:线性方程组$AX=b$有无数个解(包括两个不同解)的充要条件是系数矩阵$A$的秩等于增广矩阵$[A|b]$的秩,且均小于未知数个数(此处为3)。

步骤1:求系数矩阵$A$的秩

给定矩阵:
$A=\begin{pmatrix}-1&1&1\\0&-2&0\\1&1&-1\end{pmatrix}$
进行行初等变换:

  • 第1行加第3行:$R_1=R_1+R_3$,得$\begin{pmatrix}0&2&0\\0&-2&0\\1&1&-1\end{pmatrix}$
  • 第1行加第2行:$R_1=R_1+R_2$,得$\begin{pmatrix}0&0&0\\0&-2&0\\1&1&-1\end{pmatrix}$
    非零行共2行,故$\text{rank}(A)=2$。

步骤2:求增广矩阵$[A|b]$的秩并确定$a$

增广矩阵:
$[A|b]=\begin{pmatrix}-1&1&1&a\\0&-2&0&1\\1&1&-1&1\end{pmatrix}$
进行相同行初等变换:

  • 第1行加第3行:$R_1=R_1+R_3$,得$\begin{pmatrix}0&2&0&a+1\\0&-2&0&1\\1&1&-1&1\end{pmatrix}$
  • 第1行加第2行:$R_1=R_1+R_2$,得$\begin{pmatrix}0&0&0&a+2\\0&-2&0&1\\1&1&-1&1\end{pmatrix}$

为使$\text{rank}([A|b])=2$,需第1行第4列元素为0(否则该行非零,秩为3),即:
$a+2=0\implies a=-2$

验证

当$a=-2$时,增广矩阵秩为2,与$\text{rank}(A)$相等且小于3,故方程组有无数个解(包含两个不同解)。

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