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数学 · 矩阵

用矩阵解联立方程

你会求逆矩阵,把两条方程写成矩阵却像跳了一大步。

用矩阵解两条联立方程,是先写成AX = B,求出A⁻¹,再算X = A⁻¹B。逆矩阵一定要放在左边。

这一课把读出阶、矩阵乘法和求逆矩阵合在一起用,属于SPM数学矩阵一章。

怎样写出矩阵方程?

先把两条方程排整齐,让x和y在每条方程里位置相同,再收集系数。

对于3x + 2y = 13和4x + 3y = 18:

| 3  2 | | x |   | 13 |
| 4  3 | | y | = | 18 |

左边乘出来,第1行是3x + 2y,第2行是4x + 3y,和原来的方程一致。这就是AX = B。

例子:解出来

A的两行是(3, 2)和(4, 3)。行列式是3(3) − 2(4) = 1。

所以A⁻¹的两行是(3, −2)和(−4, 3)。

两边都在左边乘上逆矩阵:X = A⁻¹B。

  • x = 3(13) + (−2)(18) = 39 − 36 = 3
  • y = (−4)(13) + 3(18) = −52 + 54 = 2

所以x = 3,y = 2。

代回原方程检查:3(3) + 2(2) = 13,4(3) + 3(2) = 18。两条都吻合。

文字题的例子

两支笔和三本笔记簿共RM13。一支笔和两本笔记簿共RM8。设p为一支笔的价钱,n为一本笔记簿的价钱。

方程是2p + 3n = 13和p + 2n = 8。系数矩阵的两行是(2, 3)和(1, 2),行列式是2(2) − 3(1) = 1。

逆矩阵的两行是(2, −3)和(−1, 2)。于是p = 2(13) − 3(8) = 2,n = −1(13) + 2(8) = 3。

一支笔RM2,一本笔记簿RM3。 检查:2(2) + 3(3) = 13,2 + 2(3) = 8。

会丢分的错误

常见的失误,是把逆矩阵放错边,写成X = BA⁻¹。B是2 × 1的列,A⁻¹是2 × 2,这个乘积不存在。

错误做法 正确做法
步骤 X = BA⁻¹ X = A⁻¹B
阶 2 × 1乘2 × 2 2 × 2乘2 × 1
结果 没有定义 一个2 × 1的列(x, y)

乘之前先检查阶,就能抓住这个错误。

自我检测

用矩阵解3x + y = 11和5x + 2y = 18。

答案

系数矩阵的两行是(3, 1)和(5, 2)。行列式是3(2) − 1(5) = 1。

逆矩阵的两行是(2, −1)和(−5, 3)。

x = 2(11) + (−1)(18) = 22 − 18 = 4。y = (−5)(11) + 3(18) = −55 + 54 = −1。

x = 4,y = −1。 检查:3(4) + (−1) = 11,5(4) + 2(−1) = 18。

接下来学什么?

用矩阵练习检验四项矩阵技巧。在二阶矩阵运算辅导器 (英文)里试自己的方程,并把错误记进错题记录与试卷错误复盘。

如果想让老师检查你的写法和过程,可以了解线上一对一数学补习。

常见问题

怎样把两条方程写成矩阵方程?

把x和y的系数放进一个2 × 2矩阵,未知数x和y排成一列,右边的常数放进另一列。左边乘出来,必须得到原来的两条方程。

为什么逆矩阵一定要乘在左边?

未知数的那一列在系数矩阵的右边。要消去系数矩阵,就要把它的逆矩阵直接放在前面,两边都这样做。放到后面,乘积就不存在。

行列式是零怎么办?

那样系数矩阵没有逆矩阵,这个方法行不通。方程要么无解,要么有无穷多个解。要写明行列式为零。

答案还要检查吗?

要。把x和y代进两条原方程。检查不到一分钟,却能抓到逆矩阵里的符号错误。

如果你用消元法能解出方程,却在这里丢了方法分,一对一数学课可以让老师陪你练矩阵的写法,练到顺手。

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