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数学
题目

线性方程组 } x_1 + 2x_2 + x_3 = 3 x_1 - x_2 - x_3 = 2 x_1 - x_2 + x_3 = 1 只有唯一解。A 对B 错

线性方程组 $\begin{cases} x_1 + 2x_2 + x_3 = 3 \\ x_1 - x_2 - x_3 = 2 \\ x_1 - x_2 + x_3 = 1 \end{cases}$ 只有唯一解。 A 对 B 错

题目解答

答案

我们来逐步分析这个线性方程组是否有唯一解。

题目给出的线性方程组是:

$\begin{cases}x_1 + 2x_2 + x_3 = 3 \quad \text{(1)}\\x_1 - x_2 - x_3 = 2 \quad \text{(2)}\\x_1 - x_2 + x_3 = 1 \quad \text{(3)}\end{cases}$

我们要判断这个方程组是否只有唯一解。线性方程组有唯一解的条件是:系数矩阵的秩等于增广矩阵的秩,且等于未知数的个数(即满秩)。

第一步:写出系数矩阵和增广矩阵

系数矩阵 $ A $ 为:

$A = \begin{bmatrix}1 & 2 & 1 \\1 & -1 & -1 \\1 & -1 & 1\end{bmatrix}$

常数项为:$ \begin{bmatrix} 3 \\ 2 \\ 1 \end{bmatrix} $

增广矩阵 $ [A|b] $ 为:

$[A|b] = \left[\begin{array}{ccc|c}1 & 2 & 1 & 3 \\1 & -1 & -1 & 2 \\1 & -1 & 1 & 1\end{array}\right]$

第二步:使用高斯消元法化简增广矩阵

我们对增广矩阵进行行变换。

原增广矩阵:

$\left[\begin{array}{ccc|c}1 & 2 & 1 & 3 \\1 & -1 & -1 & 2 \\1 & -1 & 1 & 1\end{array}\right]$

第1步:消去第2行和第3行的第一个元素(使它们变为0)

令 $ R_2 = R_2 - R_1 $,$ R_3 = R_3 - R_1 $:

$R_2: [1-1, -1-2, -1-1, 2-3] = [0, -3, -2, -1]$
$R_3: [1-1, -1-2, 1-1, 1-3] = [0, -3, 0, -2]$

得到:

$\left[\begin{array}{ccc|c}1 & 2 & 1 & 3 \\0 & -3 & -2 & -1 \\0 & -3 & 0 & -2\end{array}\right]$

第2步:消去第3行的第二个元素

令 $ R_3 = R_3 - R_2 $:

$R_3: [0-0, -3-(-3), 0-(-2), -2-(-1)] = [0, 0, 2, -1]$

得到:

$\left[\begin{array}{ccc|c}1 & 2 & 1 & 3 \\0 & -3 & -2 & -1 \\0 & 0 & 2 & -1\end{array}\right]$

这是一个阶梯形矩阵,现在我们来判断秩。

  • 系数矩阵的秩:主元在第1、2、3列,有3个非零行 → 秩为3
  • 增广矩阵的秩:最后一列没有出现矛盾行(如 [0 0 0 | c], c≠0),所以秩也是3
  • 未知数个数为3

因此,系数矩阵和增广矩阵的秩都等于3,等于未知数个数,所以方程组有唯一解。

第三步:验证是否真的可以解出唯一解(可选)

我们可以回代求解:

从最后一行:$ 2x_3 = -1 \Rightarrow x_3 = -\frac{1}{2} $

第二行:$ -3x_2 - 2x_3 = -1 $

代入 $ x_3 = -\frac{1}{2} $:

$-3x_2 - 2(-\frac{1}{2}) = -1 \Rightarrow -3x_2 + 1 = -1 \Rightarrow -3x_2 = -2 \Rightarrow x_2 = \frac{2}{3}$

第一行:$ x_1 + 2x_2 + x_3 = 3 $

代入:

$x_1 + 2\cdot\frac{2}{3} + (-\frac{1}{2}) = 3 \Rightarrow x_1 + \frac{4}{3} - \frac{1}{2} = 3$

通分:$ \frac{8}{6} - \frac{3}{6} = \frac{5}{6} $

$x_1 + \frac{5}{6} = 3 \Rightarrow x_1 = 3 - \frac{5}{6} = \frac{18}{6} - \frac{5}{6} = \frac{13}{6}$

所以解为:
$x_1 = \frac{13}{6},\quad x_2 = \frac{2}{3},\quad x_3 = -\frac{1}{2}$

代入原方程验证:

  1. $ \frac{13}{6} + 2\cdot\frac{2}{3} + (-\frac{1}{2}) = \frac{13}{6} + \frac{4}{3} - \frac{1}{2} = \frac{13}{6} + \frac{8}{6} - \frac{3}{6} = \frac{18}{6} = 3 $ ✅

  2. $ \frac{13}{6} - \frac{2}{3} - (-\frac{1}{2}) = \frac{13}{6} - \frac{4}{6} + \frac{3}{6} = \frac{12}{6} = 2 $ ✅

  3. $ \frac{13}{6} - \frac{2}{3} + (-\frac{1}{2}) = \frac{13}{6} - \frac{4}{6} - \frac{3}{6} = \frac{6}{6} = 1 $ ✅

全部成立,说明解正确。

结论:

该线性方程组有唯一解,因此题目的说法“只有唯一解”是正确的。

答案:A 对

$\boxed{\text{A 对}}$

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