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数学
题目

设有齐次线性方程组 (1+a)x1+x2+x3+x4=0 2x1+(2+a)x2+2x3+2x4=0 3x1+3x2+(3+a)x3+3x4=0 4x1+4x2+4x3+(4+a)x4=0 ,试问a取何值时,该方程组有非零解,并求出其通解.

设有齐次线性方程组
(1+a)x1+x2+x3+x4=0
2x1+(2+a)x2+2x3+2x4=0
3x1+3x2+(3+a)x3+3x4=0
4x1+4x2+4x3+(4+a)x4=0
,试问a取何值时,该方程组有非零解,并求出其通解.

题目解答

答案


方程组的系数行列式为:
|A|=
.
1+a 1 1 1
2 2+a 2 2
3 3 3+a 3
4 4 4 4+a
.
=a3(a+10)
,
由克莱姆法则知:
当|A|=0时,即a=0或a=-10时,方程组有非零解,
①当a=0时,
对系数矩阵A作初等行变换,有:
A=
1 1 1 1
2 2 2 2
3 3 3 3
4 4 4 4
ri-r1(i=2,3,4)
.
.
1 1 1 1
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
.

由于r(A)=1<4,因而方程组有无穷多解,
取x2,x3,x4为自由变量,则:
x1=-x2-x3-x4,
令:(x2,x3,x4)T为单位向量组,解得其基础解系
η1=(-1,1,0,0)T,η2=(-1,0,1,0)T,η3=(-1,0,0,1)T,
于是所求方程组的通解为:
x=k1η1+k2η2+k3η3,其中k1,k2,k3为任意常数.
②当a=-10时,
对A作初等行变换,有:
A=
-9 1 1 1
2 -8 2 2
3 3 -7 3
4 4 4 -6
underrightarrowri-ir1(i=2,3,4)
-9 1 1 1
20 -10 0 0
30 0 -10 0
40 0 0 -10
underrightarrow-
1
20
r2,-
1
30
r3,-
1
40
r4
-9 1 1 1
-2 1 0 0
-3 0 1 0
-4 0 0 1

underrightarrowr1-r2-r3-r4
0 0 0 0
-2 1 0 0
-3 0 0 0
-4 0 0 1
,
由于r(A)=3<4,因而方程组有无穷多解,
取x1为自由变量,则方程组的同解方程组为:
x2=2x1
x3=3x1
x4=4x1
,
令:x1=1,得其基础解系为:
η=(1,2,3,4)T,
所以所求方程组的通解为:x=kη,其中k为任意常数.

解析

步骤 1:计算系数行列式
首先,我们需要计算方程组的系数行列式,以确定方程组是否有非零解。系数行列式为:
|A|=
.
1+a
1
1
1
2
2+a
2
2
3
3
3+a
3
4
4
4
4+a
.
步骤 2:计算行列式的值
通过计算,我们得到行列式的值为:
|A|=a^3(a+10)
步骤 3:确定方程组有非零解的条件
当行列式的值为0时,方程组有非零解。因此,我们需要解方程:
a^3(a+10)=0
解得:a=0 或 a=-10
步骤 4:求解a=0时的通解
当a=0时,系数矩阵变为:
A=
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
4
4
4
4
对矩阵A进行初等行变换,得到:
A=
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
由于r(A)=1<4,因而方程组有无穷多解。取x_2,x_3,x_4为自由变量,则:
x_1=-x_2-x_3-x_4
令:(x2,x3,x4)T为单位向量组,解得其基础解系:
η1=(-1,1,0,0)T,η2=(-1,0,1,0)T,η3=(-1,0,0,1)T
于是所求方程组的通解为:
x=k_1η_1+k_2η_2+k_3η_3,其中k_1,k_2,k_3为任意常数。
步骤 5:求解a=-10时的通解
当a=-10时,系数矩阵变为:
A=
-9
1
1
1
2
-8
2
2
3
3
-7
3
4
4
4
-6
对矩阵A进行初等行变换,得到:
A=
0
0
0
0
-2
1
0
0
-3
0
1
0
-4
0
0
1
由于r(A)=3<4,因而方程组有无穷多解。取x_1为自由变量,则方程组的同解方程组为:
x2=2x1
x3=3x1
x4=4x1
令:x_1=1,得其基础解系为:
η=(1,2,3,4)^{T}
所以所求方程组的通解为:
x=kη,其中k为任意常数。

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