ok423 三元一次連立方程組 1 ok423 三元一次聯立方程式 主題一 解聯立方程式 1. 可用加減消去法或代入消去法求解. 2. 聯立方程式的解可分成三種: (1) 恰有一解. (2) 無限多組解. (3) 無解.
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1 三元一次聯立方程組 陳清海 老師
2 ok423 三元一次連立方程組 1 ok423 三元一次聯立方程式 主題一 解聯立方程式 1. 可用加減消去法或代入消去法求解. 2. 聯立方程式的解可分成三種: (1) 恰有一解. (2) 無限多組解. (3) 無解.
3 2 ok423 三元一次連立方程組 例題 1 x y z 9 解三元一次聯立方程式 2x 3y 4z 29. 3x 2y z 8 Ans:x=2 y=3 z=4 x y z 9 先將聯立方程式編號為 2x 3y 4z 29 3x 2y z 8 然後採用加減消去法求解如下:由 -2-3 消去 x x y z 9 得 y2z 11 y 4z 19 再由 + 消去 y x y z 9 得 y2z 11 2z 8 由 解得 z=4 代回 解得 y=3 再將 y=3 z=4 代回 解得 x=2. 解二 採用代入消去法:由 得 x=9-y-z 代入 消去 x x y z 9 得 y2z 11 y 4z 19 再由 得 y=11-2z 代入 消去 y x y z 9 得 y2z 11 2z 8 由 解得 z=4 代回 解得 y=3 再將 y=3 z=4 代回 解得 x=2.故聯立方程式的解為 x=2 y=3 z=4.
4 ok423 三元一次連立方程組 3 類題 1 x y 2z 3 解三元一次聯立方程式 2x 2y 3z 5. 3x y 2z 5 Ans:x=1 y=0 z=1 x y 2z 3 先將聯立方程式編號為 2x 2y 3z 5 3x y 2z 5 然後採用加減消去法求解如下:由 -2-3 消去 x x y 2z 3 得 4y z 1 4y 4z 4 再由 - 消去 y x y 2z 3 得 4y z 1 3z 3 由 得 z=1 代回 解得 y=0 再將 y=0 z=1 代回 解得 x=1. 例題 2 x y 2z 7 解三元一次聯立方程式 2x y 3z 5. 4x y 7z 10 Ans: 無解 x y 2z 7 先將聯立方程式編號為 2x y 3z 5 4x y 7z 10 然後用加減消去法求解如下:由 -2 及 -4 消去 x x y 2z 7 得 3y z 9 3y z 18 由 - 消去 y
5 4 ok423 三元一次連立方程組 x y 2z 7 得 3y z 9 09 因為沒有 x y z 滿足 式所以原聯立方程式無解. 類題 2 x 2y z 0 解三元一次聯立方程式 3x y 2z 3. x 7y 2z 6 Ans: 無解 x 2y z 0 先將聯立方程式編號為 3x y 2z 3 x 7y 2z 6 然後用加減消去法求解如下:由 -3 及 - 消去 x x 2y z 0 得 5yz 3 5y z 6 由 + 消去 y x 2y z 0 得 5yz 因為沒有 x y z 滿足 式所以原聯立方程式無解. 例題 3 x y z 0 解三元一次聯立方程式 x y 2z 2. 3x y 5z 4 x 2 3t y t z 2 2t Ans: (t 為實數 )即有無限多組解
6 ok423 三元一次連立方程組 5 x y z 0 先將聯立方程式編號為 x y 2z 2 3x y 5z 4 然後用加減消去法求解如下:由 - 及 -3 消去 x x y z 0 得 2y z 2 4y2z 4 由 -2 x y z 0 x y z 0 得 2yz 2 即. 2yz 令 y=t 代入 解得 z=2-2t 再將 y=t z=2-2t 代回 解得 x=2+3t. x 2 3t 可得聯立方程式的解為 y t (t 為實數 ) z 2 2t 即聯立方程式有無限多組解. 類題 3 x 2y z 1 解三元一次聯立方程式 x y 2z 4. 4x y 5z 13 x 2 t y t z 1 t Ans: (t 為實數 )即有無限多組解 x 2y z 1 先將聯立方程式編號為 x y 2z 4 4x y 5z 13 然後用加減消去法求解如下:由 - 及 -4 消去 x x 2y z 1 得 3y 3z 3 9 y 9z 9
7 6 ok423 三元一次連立方程組 由 -3 x 2y z 1 x 2y z 1 得 3y 3z 3 即. y z 令 y=t 代入 解得 z=1+t 再將 y=t z=1+t 代回 解得 x=2-t. x 2 t 可得聯立方程式的解為 y t (t 為實數 ) z 1 t 即聯立方程式有無限多組解. 例題 4 已知二次函數 y=ax 2 +bx+c 的圖形通過 (13)(28)(315) 三點求 a b c 的值. Ans:a=1 b=2 c=0 因為 y=ax 2 +bx+c 的圖形通過 (13)(28)(315) 三點所以可列得聯立方程式並編號為 a b c 3 4a 2b c 8 9a 3b c 15 利用加減消去法由 - 及 - 消去 c a b c 3 得 3a b 5 8a2b 12 由 解得 a=1 b=2 再將 a=1 b=2 代回 解得 c=0.故 a=1 b=2 c=0. 類題 4 已知圓 x 2 +y 2 +dx+ey+f=0 通過 (11)(35)(24) 三點求 d e f 的值. Ans:d=2 e=4 f=8
8 ok423 三元一次連立方程組 7 因為 x 2 +y 2 +dx+ey+f=0 通過 (11)(35)(24) 三點所以可列得聯立方程式並編號為 d e f 2 0 3d 5e f d 4e f 20 0 利用加減消去法由 - 及 - 消去 f d e f 2 0 得 4d 6e 32 0 d 5e 18 0 由 解得 d=2 e=4 再將 d=2 e=4 代回 解得 f=8.故 d=2 e=4 f=8. 例題 x y z 解三元一次聯立方程式 3. x y z x y z Ans:x=1 1 1 y z 令 A B C x y z A B C 6 將聯立方程式改寫並編號為 2A B C 3 A 2B C 2 然後利用加減消去法 解得 A=1 B=2 C=3. 1 因此 1 x 1 2 y 1 3 z 解得 x=1 y 1 z
9 8 ok423 三元一次連立方程組 類題 x 1 y z 解三元一次聯立方程式 2. x 1 y z x 1 y z Ans: x 4 y 1 z= 令 A B 1 x 1 C 1 y z 將聯立方程式改寫並編號為 A B C 6 A 2B 3C 2 A B 2C 3 然後利用加減消去法 解得 A=3 B=2 C=1. 因此 解得 x1 y 1 1 z 4 x y 1 z=1. 3 2
10 ok423 三元一次連立方程組 9 主題二 克拉瑪公式:三元一次聯立方程式的公式解 a1x b1 y c1z d1 設三元一次聯立方程式 a2x b2 y c2z d2.令 a3x b3 y c3z d3 a b c x a b c a b c d b c d b c d b c y a d c a d c a d c z a b d a b d a b d 可得 x x y y z z. (1) 當 0時此聯立方程式恰有一組解 x y z x y z. 我們將上式稱為克拉瑪公式. (2) 當 0時若 有非 0 的情形 則聯立方程式無解. x y z (3) 當 0時若 0 x y z 則聯立方程式無解或無限多組解.
11 10 ok423 三元一次連立方程組 例題 6 2x y 2z 1 利用克拉瑪公式解聯立方程式 x y z 1. x 2y 3z 0 Ans:x=3 y=3 z=1 因為 ( 4) ( 3) 所以此聯立方程式恰有一組解.又因為 ( 2) ( 3) 0 6 x ( 3) 2 6 y z 所以此聯立方程式恰有一組解 x 3 y 3 z 類題 6-1 已知三平面 3x+2y+z=4 x-2y+z=32x-y+2z=0 交於一點求此交點的坐標 ( 2 ) Ans: 2 2 因為三平面 3x+2y +z=4 x-2y+z=32x-y+2z=0 的交點 3x 2y z 4 就是方程組 x 2y z 3 2x y 2z 0
12 ok423 三元一次連立方程組 11 的解所以利用克拉瑪公式計算如下: ( 3) 4 ( 4) ( 4) x y ( 9) 0 ( 16) 33 z 得聯立方程式的解為 27 9 x y 2 z 故三平面的交點為 ( 2 ). 2 2 類題 6-2 已知三平面 x 3y 2z 2 3x y 2z 1 2x 2y z 2 交於 點 (abc) 求 a 的值. Ans: x 由克拉瑪公式可知: a 並計算如下: ( 9) ( 4) ( 3) 4 15 x x 故 a
13 12 ok423 三元一次連立方程組 例題 2x y z 1 已知聯立方程式 x y 2z 2有無限多組解求 a b 的值. ax 2y z b Ans:a=7 b=5 因為聯立方程式有無限多組解所以 a 2 1 即 2-2a-2-8-(1)-(a)=0 整理得 a-7=0 解得 a=7. 2x y z 1 現在將聯立方程式編號為 x y 2z 2 7x 2y z b 利用加減消去法由 -2 及 +7 3y 5z 3 得 x y 2z 2 9y 15z b 14 再由 +3 消去 y 3y 5z 3 得 x y 2z 2 0 b 5. 因為聯立方程式有無限多組解 所以 式為 0=0 的形式即 b=5. 故由上面的討論可得: a=7 b=5. 類題 7 x 2y z 3 已知聯立方程式 3x y z 1無解求 a 的值. ax 3y z 4 Ans:5 因為聯立方程式無解所以 a 3 1
14 ok423 三元一次連立方程組 13 即 1-2a+9-(3)-6-(a)=0 整理得 a+5=0 解得 a=5. 例題 8 甲 乙兩家共用一口井.用甲家繩子 1 條乙家繩子 4 條連結起來取水正好到達水面;用甲家繩子 3 條乙家繩子 1 條連結起來取水距水面還有 3 尺;用甲家繩子 2 條乙家繩子 2 條連結起來取水離水面還有 6 尺.只知甲家繩子均等長乙家繩子也均等長問井深及甲 乙兩家的繩子各幾尺長? Ans: 井深 48 尺甲家繩長 12 尺乙家繩長 9 尺設井深 x 尺甲家繩子長 y 尺乙家繩子長 z 尺.由題意可列得三元一次聯立方程式 x y 4z x y 4z 0 x 3 3y z 整理得 x 3y z 3.因為 x 6 2y 2z x 2y 2z x ( 6) 0 ( 12) 12 y ( 6) ( 6) 0 9 z 所以此聯立方程式的解為 x 48 y 12 z 故井深 48 尺甲家繩長 12 尺乙家繩長 9 尺.
15 14 ok423 三元一次連立方程組 類題 8 麵粉批發:低筋麵粉一斤 中筋麵粉三斤 高筋麵粉二斤售價 215 元 ; 低筋麵粉二斤 中筋麵粉一斤 高筋麵粉三斤售價也是 215 元;低筋麵粉三斤 中筋麵粉二斤 高筋麵粉一斤售價則為 200 元.問:低筋 中筋 高筋麵粉一斤各售多少元? Ans: 低筋 30 元中筋 35 元高筋 40 元設低筋麵粉一斤 x 元 中筋麵粉一斤 y 元 高筋麵粉一斤 z 元.由題意可列得聯立方程式並編號為 x 3y 2z 215 2x y 3z x 2y z 200 利用加減消去法由 -2 及 -3 x 3y 2z 215 得 5y z 215 7y 5z 445 由 解得 y=35 z=40 再將 y=35 z=40 代回 解得 x=30.故低筋麵粉一斤 30 元中筋麵粉一斤 35 元高筋麵粉一斤 40 元. 例題 9 饅頭店特賣炭烤小饅頭每天中午 12 點時出爐限量 100 個每位顧客最多只能買 3 個;購買 1 個 2 個或 3 個小饅頭的價錢分別為 元.已知今天小饅頭銷售一空買饅頭的顧客共有 50 位總共賣得 531 元問購買 1 個 2 個或 3 個小饅頭的顧客各多少人? Ans:19 人 12 人 19 人設購買 1 個 2 個或 3 個小饅頭的顧客人數分別為 x y z 人.由題意可列得聯立方程式並編號為 x y z 50 x 2y 3z x 11y 15z 531 利用加減消去法由 - 及 -6 得
16 ok423 三元一次連立方程組 15 x y z 50 y2z 50 5y9z 231 再將 -5 相加得 z=19 即 z=19 並可推得 y=12 x=19.故購買 1 個 2 個或 3 個小饅頭的顧客人數分別為 人. 類題 9 相傳包子是三國時白羅家族發明的.孔明最喜歡吃他們所做的包子因此白羅包子店門庭若市一包難求必須一大早去排隊才買得到.事實上白羅包子店只賣一種包子每天限量供應 999 個且規定每位顧客限購三個;而購買一個 兩個或三個包子的價錢分別是 分錢.在那三國戰亂的某一天包子賣完後老闆跟老闆娘有如下的對話:老闆說 : 賺錢真辛苦一個包子成本就要 5 分錢今天到底賺了多少錢? 老闆娘說: 今天共賣了 7195 分錢只有 432 位顧客買到包子. (1) 請問當天白羅包子店淨賺多少錢? (2) 聰明的你請幫忙分析當天購買一個 兩個及三個包子的人數各多少人? Ans:(1) 2200 分錢 (2) 95 人 107 人 230 人 (1) =2200 分錢. (2) 設購買 1 個 2 個或 3 個包子的人數分別為 x y z 人.由題意可列得聯立方程式並編號為 x y z 432 x 2y 3z 999 8x 15y 21z 7195 利用加減消去法由 - 及 -8 得 x y z 432 y 2 z 567 7y13z 3739 再將 -7 得 z=230 即 z=230 並可推得 y=107 x=95.故購買 1 個 2 個或 3 個包子的人數分別為 人.
17 16 ok423 三元一次連立方程組 主題三 三平面幾何關係的代數判定 a1x b1 y c1z d1 三元一次聯立方程式 a2x b2 y c2z d2 之解的幾何意義為三平面 a3x b3 y c3z d3 a x b y c z d a x b y c z d a x b y c z d 的共同交點 (1) 當 0時此聯立方程式恰有一組解 x y z x y z 三平面恰交於一點如右圖所示. L E 1 E 2 E 3 三平面恰交於一點 (2) 當 0且 有非 0 的情形時三平面的關係有下圖 2 種情 形: x y z E 3 E 2 E 1 二平面平行且與第三平面分別交於一直線 E 3 E 2 E 1 三平面兩兩交於一直線但沒有共同交點 (3) 當 x y z 0 時三平面的關係有下圖 5 種情形:
18 ok423 三元一次連立方程組 17 E 3 E 2E1 三平面重合 E 3 E 2 E1 二平面重合且與第三平面平行 E 3 E 2 E 1 三平面平行 E 3 E 2 E 1 二平面重合且與第三平面交於一直線 E 3 E 1 E 2 平面兩兩不重合且相交於一直線 a1x b1 y c1z d1 三元一次聯立方程式 a2x b2 y c2z d2 的解與幾何關係有以下的結論: a3x b3 y c3z d3 聯立方程式的解 幾何關係 0 恰有一解三平面恰交於一點 x 0 有非 0 的情形 y z x y z 0 無解 無解 無限多組解 三平面沒有共同交點 三平面沒有共同交點 三平面交於一直線或一平面
19 E 1 E3 18 ok423 三元一次連立方程組 例題 10 判定三平面 E1:x+2y+3z=4 E2:2x+3y+z=5 E3:4x+6y+2z=6 的相交情形. Ans:E2 與 E3 平行且與 E1 分別交於一直線因為 E2 的法向量 (231) 與 E3 的法向量 (462) 平行且二平面相異所以 E2 與 E3 互相平行.又因為 E1 的法向量 (123) 和二平面的法向量不平行所以 E1 和 E2 與 E3 二平面分別交於一直線.三平面相交的情形如下圖所示. E 1 E 2 E 3 類題 10 判定三平面 E1:x-y+2z=4 E2:2x-2y-2z=5 E3:2x-2y+4z=8 的相交情形. Ans:E1 與 E3 重合且與 E2 交於一直線因為 E3 的方程式可以改寫成 E1:x-y+2z=4 即 E1 與 E3 是兩個重合平面.又因為 E2 的法向量 (222) 和二平面的法向量不平行所以 E2 和 E1 與 E3 二平面同時交於一直線.三平面相交的情形如下圖所示. E 2
20 ok423 三元一次連立方程組 19 例題 11 判定三平面 E1:x+y-2z=3 E2:2x-y+z=1 E3:x+4y-7z=8 的相交情形. Ans: 三平面兩兩不重合且相交於一直線 因為三平面 E1 E2 E3 的法向量 n1 (11 2) n 2 (2 11) n 3 (14 7) 均不互相平行所以此三平面的相交情形只有 3 種. 因此我們只需求出三平面的交點個數 就可以判定它們的相交情形是 3 種情形中的哪一種. 現在將三平面的方程式聯立起來並編號為 x y 2z 3 2x y z 1 x 4y 7z 8 利用加減消去法 由 -2 及 - 消去 x 得 x y 2z 3 3y 5z 5 3y 5z 5 再由 + 消去 y 得 x y 2z 3 3y 5z x y 2z 3 即 3y 5z 5. 令 y=5t 代入 解得 z=1+3t 再將 y=5t z=1+3t 代回 解得 x=1+t. 可得聯立方程式有無限多組解 x1t 其解為 y 5t (t 為實數 ). z 1 3t 因此在幾何上此三平面兩兩不重合且相交於一直線 L 如下圖所示.
21 20 ok423 三元一次連立方程組 E 3 E 1 L E 2 類題 11 判定三平面 E1:x+2y-3z=1 E2:x+y-2z=2 E3:x+4y-5z=8 的相交情形. Ans: 三平面兩兩交於一直線但沒有共同交點 因為三平面 E1 E2 E3 的法向量 n1 (12 3) n 2 (11 2) n 3 (14 5) 均不互相平行所以此三平面的相交情形只有 3 種. 現在將三平面的方程式聯立起來並編號為 x 2y 3z 1 x y 2z 2 x 4y 5z 8 利用加減消去法由 - 及 - 消去 x 得 x 2y 3z 1 y z 1 2y 2z 7 再由 +2 消去 y 得 x 2y 3z 1 y z 因為沒有 x y z 滿足 式所以聯立方程式無解. 因此在幾何上此三平面兩兩交於一直線 但沒有共同交點如下圖所示.
22 ok423 三元一次連立方程組 21 E 3 E 2 E 1 例題 12 試就實數 a 的值判定三平面 E1:x-y+z=1 E2:3x+2y-z=2 E3:x+4y-3z=a 的相交情形. Ans:a=4 時三平面兩兩不重合且相交於一直線 a 4 時三平面 兩兩交於一直線但沒有共同交點 因為三平面 E1 E2 E3 的法向量 n1 (1 11) n 2 (32 1) n 3 (14 3) 均不互相平行所以此三平面的相交情形只有 3 種. 現在將三平面的方程式聯立起來並編號為 x y z 1 3x 2y z 2 x 4y 3z a 利用加減消去法由 -3 及 - 消去 x 得 x y z 1 5y 4z 5 5y 4z a 1 x y z 1 再由 - 得 5y 4z 5 0a 4 x y z 1 即 5y 4z 5 a 4. (1) 當 a=4 時令 z=5t 代入 解得 y=1+4t 再將 y=1+4t z=5t 代回 解得 x=t. xt 可得聯立方程式有無限多組解其解為 y 1 4t(t 為實數 ). z 5t
23 22 ok423 三元一次連立方程組 因此當 a=4 時三平面兩兩不重合且相交於一直線 如下圖所示. E 3 E 1 E 2 (2) 當 a 4 時因為沒有 x y z 滿足 式所以原聯立方程式無解. 因此當 a 4 時三平面兩兩交於一直線但沒有共同交點 如下圖所示. E 3 E 2 E 1 類題 12 下列哪個 a 的值使得平面 E1:x-2y+z=1 E2:2x-3y-z=2 E3:x-3y+az=4 兩兩相交於一直線但沒有共同的交點? (1) a=1(2) a=2(3) a=3(4) a=4(5) a=5. Ans:(4) 因為三平面 E1 E2 E3 的法向量 n1 (1 21) n 2 (2 3 1) n 3 (1 3 a) 均不互相平行 所以將三平面的方程式聯立起來並編號為 x 2y z 1 2x 3y z 2 x 3y az 4 因為三平面兩兩相交於一直線 但沒有共同的交點所以方程組無解. 利用加減消去法由 -2 及 - 消去 x 得
24 ok423 三元一次連立方程組 23 x 2y z 1 y 3z 0 y ( a 1) z 3 再由 + 消去 y 得 x 2y z 1 y3z 0 ( a4) z 3. 因為當 a-4=0 即 a=4 時 式為 0=3 表示聯立方程式無解. 故正確的選項為 (4). 解二 因為三平面兩兩相交於一直線但沒有共同的交點 表示將三平面的方程式聯立起來的聯立方程式 x 2y z 1 2x 3y z 2 無解所以 0. x 3y az 計算 a ( a4 ) ( 3) a 由 a-4=0 解得 a=4. 故正確的選項為 (4). a 例題 13 x y z ax 已知聯立方程式 x y z ay 除了 x=0 y=0 z=0 的解之外尚有其他解. x y z az (1) 求 a 的值. (2) 就 a 值討論聯立方程式的幾何意義. Ans:(1) 0 或 3 (2) a=0 時三平面重合 ;a=3 時三平面兩兩不重合且相交於一直線 x y z ax 將 x y z ay x y z az 改成 1 a x y z 0 x 1 a y z 0 x y 1 a z 0
25 24 ok423 三元一次連立方程組 因為除了 x=0 y=0 z=0 的解之外尚有其他解 1a 1 1 所以 0即 1 1a a 1a 1 1 (1) 計算 1 1a 1 2 a (3 a ) a 因此 a 2 (3 a) 0解得 a=0 或 3. (2) 當 a=0 時聯立方程式為 x y z 0 x y z 0表示三個重合的平面. x y z 0 2x y z 0 當 a=3 時聯立方程式為 x 2y z 0 x y 2z 0 表示三個兩兩不平行的平面. 因為聯立方程式有無限多組解 所以此三平面相交於一直線如下圖所示. E 3 E 1 E 2 類題 13 ax y z 1 就 a 值討論聯立方程式 x ay z 1 的幾何意義. x y az 1 1 Ans:a 1 且 a 2 時三平面交於一點 ( a 2 1 a 2 1 a 2 );a=1 時三平面重合 ;a=2 時三平面兩兩交於一直線但沒有共同交點 a 計算 1 a 1 ( a 1) ( a 2) x 1 a 1 ( a 1) 1 1 a 1 1 a
26 ok423 三元一次連立方程組 ( a 1) y a 1 1 a a 1 ( a1) z a (1) 當 a 1 且 a 2 即 0時 聯立方程式恰有一解 ( ) a2 a2 a 即三平面交於一點 ( ). a2 a2 a2 x y z 1 (2) 當 a=1 時聯立方程式為 x y z 1 x y z 1 表示三個重合平面. 2x y z 1 (3) 當 a=2 時聯立方程式為 x 2y z 1 x y 2z 1 2 因為 ( a 1) 9 0所以聯立方程式無解 x 表示三平面兩兩交於一直線但沒有共同交點 如下圖所示. E 3 E 2 E 1
27 26 ok423 三元一次連立方程組 重要精選考題 基礎題 1. 判定三平面 E1:x+2y+3z=1 E2:2x+3y+4z=2 E3:3x+5y+7z=3 的相交情形. Ans: 三平面兩兩不重合且相交於一直線 因為三平面 E1 E2 E3 的法向量 n1 (1 23) n 2 (234) n 3 (357) 均不互相平行所以此三平面的相交情形只有 3 種. 現在將三平面的方程式聯立起來並編號為 x 2y 3z 1 2x 3y 4z 2 3x 5y 7z 3. 利用加減消去法由 -2 及 -3 消去 x 得 x 2y 3z 1 y 2z 0 y 2z 0. 令 z=t 代入 解得 y=2t 再將 y=2t z=t 代回 解得 x=1+t. x1t 可得聯立方程式有無限多組解其解為 y 2t (t 為實數 ). z t 因此在幾何上此三平面兩兩不重合且相交於一直線 L 如下圖所示. E 3 E 1 L E 2
28 ok423 三元一次連立方程組 已知空間中四平面 E1:x-2y+3z=5 E2:2x+y-3z=3 E3:3x+y+2z=8 E4:x+3y+4z=k 恰交於一點求實數 k 的值. Ans:12 x 2y 3z 5 由聯立方程式 2x y 3z 3 解得 3x y 2z 8 (xyz)=(112)即三平面 E1 E2 及 E3 恰交於一點 (112).由題意得知點 (112) 在平面 E4 上將 (112) 代入 E4 的方程式得 1+3+8=k 解得 k= x y 2z 3 已知聯立方程式 2x 2y z 1 有無限多組解求 a b 的值. 3x ay z b Ans:a=1 b=4 因為聯立方程式有無限多組解 所以 a 1 展開得 2-3-4a+12-a-2=0 整理得 5a=5 解得 a=1. x y 2z 3 代入原聯立方程式得 2x 2y z 1 3x y z b 利用加減消去法由 -2 及 -3 消去 x 得 x y 2z 3 4y 5z 5 4y 5z b 9. 因為聯立方程式有無限多組解 所以由 和 可得 b-9=5 解得 b=4.
29 28 ok423 三元一次連立方程組 4. 設 a 為實數關於三平面 x+y-z=12x+3y+az=3 x+ay+3z=2. (1) 若三平面兩兩不重合且相交於一直線則 a 的值為何? (2) 若三平面兩兩交於一直線但沒有共同交點則 a 的值為何? Ans:(1) 2(2) a 2 計算 2 3 a 2 1 a 2 a a 3 1 a1 4 = (a+3)(a-2). 因為當 0時三平面恰交於一點所以考慮 0 即 a=2 或 3 的情形: x y z 1 (1) 當 a=2 時聯立方程式為 2x 3y 2z 3 x 2y 3z 2 利用加減消去法由 -2 及 - 消去 x x y z 1 得 y4z 1 y4z 1 由聯立方程式得知有無限多組解. 因為三平面的法向量均不互相平行 所以此三平面兩兩不重合且相交於一直線. x y z 1 (2) 當 a=3 時聯立方程式為 2x 3y 3z 3 x 3y 3z 2 利用加減消去法由 -2 及 - 消去 x x y z 1 得 y z 1 4y 4z 1 並由 得 y-z= 1 4.由聯立方程式得知無解. 因為三平面的法向量均不互相平行 所以此三平面兩兩交於一直線但沒有共同交點.
30 ok423 三元一次連立方程組 29 k 3 5 kx 3y 5z 已知 1 2 k ( k 3)( k 15) 且聯立方程式 x 2y kz 3k 3 3 k 3x 3y kz 3k 恰有一組解求 (1) 實數 k 的範圍. (2) 聯立方程式的解. Ans:(1) k 3 且 k 15(2) x=0 y=0 z=3 (1) 因為聯立方程式恰有一組解所以 0 即 k k ( k 3)( k 15) k 故 k 3 且 k 15. (2) 計算行列式: x 3k 2 k 3 k 2 k 0 3k 3 k k 3 k 15 5 k k k 3 1 k k 0 y k 3 3k k 3 k k 3 15 k k k 3 z k 3 3 3k 3 3 k 利用克拉瑪公式得其解為 x x y z 3 0 y 0 z 3. 2x y z 0 6. 已知聯立方程式 3x y 4z 0 除了 x=0 y=0 z=0 外 5x 2y kz 0 還有其他組解求 (1) 實數 k 的值. (2) x 2 +y+z 的最小值. Ans:(1) 3(2) 1
31 30 ok423 三元一次連立方程組 (1) 由題意得知聯立方程式中的三個平面至少有二個交點 因此聯立方程式有無限多組解 計算 k k 因為當 0聯立方程式恰有一解 所以當聯立方程式有無限多組解時 0 故 k 3. 2x y z 0 (2) 將 k=3 代入聯立方程式得 3x y 4z 0 5x 2y 3z 0 利用加減消去法由 + 及 -2 消去 y 2x y z 0 得 5x 5z 0 x z 0. 令 x=t 代入 得 z=t 再代入 得 y=t 即聯立方程式的解為 x=t y=t z=t t 為實數. 因此 x 2 +y+z=t 2 +t+t=t 2 +2t=(t+1) 2-1 故當 t=1 時 x 2 +y+z 有最小值 某公司有甲 乙 丙三條生產線現欲生產三萬個產品如果甲 乙 丙 三條生產線同時開動則需 10 小時;如果只開動乙 丙兩條生產線則需 15 小時;如果只開動甲生產線 15 小時則需再開動丙生產線 30 小時才 能完成所有產品.問如果只開動乙生產線則需多少小時才能生產三萬個 產品? Ans:20 小時 設甲 乙 丙獨立生產時分別需要 x y z 小時 x y z 由題意列得聯立方程式 y z x z 解得 x=30 y=20 z=60.
32 ok423 三元一次連立方程組 31 故只開動乙生產線需 20 小時才能生產三萬個產品. 進階題 8. 假設坐標空間中三相異平面 E 1 E 2 3 試問以下哪些點也同時在此三平面上? E 皆通過 A 120 與 B 學測 (1) 222.(2) 111.(3) 4 22.(4) 240.(5) Ans:(2). 題意知三平面共線僅需驗證向量是否成比例即知是否在線上 亦即在三平面上.令 P(120) Q(302) PQ =(422)=2(211) (A) :令 A(222) PA=(302) // PQ. (B) :令 B(111) PB =(211)// PQ. (C) :令 C(422) PC =(542) // PQ. (D) :令 D(240) PD =(120) // PQ. (E) :令 E(542) PE =(462) // PQ. 兩點 x 2y az 1 9. 設 a b c 為實數下列有關聯立方程式 3x 4y bz 1的敘述 2x 10y 7z c 哪些是正確的? (1) 若此聯立方程式有解則必定恰有一組解. (2) 若此聯立方程式有解則 11a3b 7. (3) 若此聯立方程式有解則 c 14. (4) 若此聯立方程式無解則 11a3b 7. (5) 若此聯立方程式無解則 c 學測 Ans:(4)(5) = z= a b =28+30a+4b-8a-42-10b=22a-6b =4c c+10=28-2c 2 10 c
33 32 ok423 三元一次連立方程組 (A) 若此線性方程組有解 則可能恰有一組解或無限多解 (B)(C) 若此線性方程組有解 則 11a-3b 7 或 (11a-3b=7c=14) (D) 若此線性方程組無解 則 =0 即 11a-3b=7 (E) 若此線性方程組無解 則 =0 z 0 即 c 14 a1x b1 y c1z d1 10. 已知 x=4 y=2 z=3 是聯立方程式 a x b y c z d a x b y c z d a1x 2b1 y 3c1 z 4d1 求聯立方程式 a x 2b y 3c z 4d a x 2b y 3c z 4d Ans:x=16 y=4 z=4 的解 唯一的一組解 令 a b c a b c a b c x d b c d b c d b c y a d c a d c a d c z a b d a b d a b d 則 a 2b 3c a2 2b2 3c2 6 a 2b 3c a1 4d 1 3c 1 a 4d 3c 12 y a 4d 3c y 4d 2b 3c x 4d2 2b2 3c2 24 x 4d 2b 3c a1 2b1 4d1 a 2b 4d 8 z a 2b 4d 因為 x=4 y=2 z=3 為第一個聯立方程式唯一的一組解 x 所以 0且 y 4 z 2 3. 因此第二個聯立方程式的解為 x 24x 24 x y 12y 12 y z 8z 8 z z.
34 ok423 三元一次連立方程組 33 a1x b1 y c1z d1 11. 設聯立方程式 ( L) : a x b y c z d a x b y c z d 恰有一組解 (456) 且聯立方程式 (2a1 3 b1 ) x 4b1 y c1 z d1 ( L) : (2a2 3 b2 ) x 4b 2 y c2 z d2 也恰有一組解 ( ) 求 的值. (2a3 3 b3 ) x 4b3 y c3 z d3 Ans:2 在聯立方程式 (L) 中 a b c 若 a b c a b c 在聯立方程式 (L) 中 d1 b1 c1 x x d2 b2 c2 則 x 4. d b c a 3b 4b c a 3b 4b c a 3b 4b c a 4b c a 4b c a 4b c a b c a b c a b c ( ) 4 d1 4b1 c1 d1 b1 c1 且 d 4b c 4 d b c 4. x d 4b c d b c x 4x 4 故 x a1 x b1 y c1z 設聯立方程式 L : a2x b2 y c2z 0所表示的三平面互異有一組解 (123). a3x b3 y c3z 0 a1x b1 y c1z d1 若聯立方程式 L: a x b y c z d a x b y c z d 有一解 (321) 則下列哪些選項為聯立方程式 L 的解? (1) (123)(2) (567)(3) (678)(4) (202)(5) ( ). Ans:(2)(4)(5)
35 34 ok423 三元一次連立方程組 因為聯立方程式 L 中三個平面互異 且至少有兩個交點 (000) 與 (123) 所以三平面交於一直線且此直線的方向向量為 v (123). a1 b1 c1 因為聯立方程式 L 有無限多組解所以 a b c 0. 於是聯立方程式 L 不是無解就是無限多組解 a b c 但是因為 (321) 為 L 的一組解所以 L 有無限多組解. 因此三平面交於一直線且此線與 v (123) 平行. 由直線的參數式得三平面的交線參數式為 x3 t y 2 2 t (t 為實數 ). z 1 3 t 將各選項代入檢查得僅選項 (2)(4)(5) 的點在交線上. 故正確的選項為 (2)(4)(5). 13. 設 a 是不為零的實數且三元一次聯立方程式 x3 y5 2 3 y 5 z 4 3 有解試問下列哪些選項是正確的? x z 2 a y 1 z 2 3 (1) a 2. (2) 原聯立方程式有唯一解. x3 y5 2 3 (3) 聯立方程式 有無窮多解. x z 2 a x z 2 a (4) 聯立方程式 有唯一解. y 1 z 2 3
36 ok423 三元一次連立方程組 35 x3 y5 2 3 (5) 聯立方程式 有無窮多解. y 5 z 4 3 Ans:(2)(3)(5) 96 指甲 由 x3 y5 z 4 k 2 3 x=2k+3y=3k+5z=k+4 代入 3k 5 1 k k+2=k+2 k 為任意數 (1) 代入 2k 3 k 4 2 a 2k+3=a(k+2) k= 3 2 a a 2 a 2 (2) 當 a 2a 0 時 原方程組恰有一組解 (3) 由 得 3x-2y+1=0 法向量 v1 =(3 20) 由 得 x-ay+2a=0 法向量 v3 =(1 a0) 此兩法向量不平行 兩平面恰交於一直線 故有無限多解 (4) 與 (3) 同理 有無限多解 (5) 有無窮多解 : x=2k+3y=3k+5z=k+4k 為任意實數 14. 設 ABC 的三頂點坐標分別為 A B C (1) 求通過 A B C 三點的平面方程式. (2) 求 ABC 的外心坐標. 96 指甲 Ans:(1) x+y+z=20(2) (398) (1) 設 E:ax+by+cz=d A(2715) 代入得 2a+7b+15c=1 B(1163) 代入得 C(1073) 代入得 - a-b=0 b=a a+16b+3c=1 10a+7b+3c=1.
37 36 ok423 三元一次連立方程組 代入 17a+3c=1 3c=1-17a 代入 2a+7a+5(1-17a)=1 a= 1 20 b= 1 20 c= 1 20 故得 E:x+y+z=20 (2) 外心 O 到三頂點等距離且在平面 ABC 上 設 O(pqr) 則 (p+2) 2 +(q-7) 2 +(r-15) 2 =(p-1) 2 +(q-16) 2 +(r-3) 2 =(p-10) 2 +(q-7) 2 +(r-3) 2 4p-14q-30r+278 =2p-32q-6r+266 =20p-14q-6r+158 6p+18q-24r+12=0 18p-18q+108=0 p+3q-4r+2=0 p-q+6=0 代入 p+3(p+6)-4r+2=0 r=p+5 代入 E 得 p+(p+6)+(p+5)=20 p=3q=9r=8 故外心為 O(398) 15. 一礦物內含 A B C 三種放射性物質放射出同一種輻射.已知 A B C 每公克分別會釋放出 1 單位 2 單位 1 單位的輻射強度又知 A B C 每過半年其質量分別變為原來質量的 倍.於一年前測得此礦物的 4 輻射強度為 66 單位而半年前測得此礦物的輻射強度為 22 單位 且目前此礦物的輻射強度為 8 單位求目前此礦物中 A B C 物質 之質量分別為多少公克. 100 學測 Ans: A : 4公克 B : 1公克 C : 2公克 設目前此礦物中 A B C 物質的質量分別為 x y z 公克 則半年前此礦物中 A B C 物質的 質量分別為 2x 3y 4z 公克
38 ok423 三元一次連立方程組 37 且一年前此礦物中 A B C 物質的質量分別為 4x 9y 16z 公克 則 4x 18y 16z 66 (1) 2x 6y 4z 22 (2) x 2y z 8 (3) (1)-(2) 2 6y+8z=22 3y+4z=11 (4) (2)-(3) 2 2y+2z=6 y+z=3 (5) (4)-(5) 3 z=2 代入 (5) y+2=3 y=1 代入 (3) x+2+2=8 x=4 故目前此礦物中 A B C 物質的質量分別為 公克
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