以前我们学习过代入消元法解线性方程组,比如这个四元方程组:
解的过程比较复杂,如果未知数继续增加,代入消元法会更痛苦。有没有一种方法能够通过方程直接写出解呢?
还真有这样的方法,这就是数学家加百列·克拉默发现的克拉默法则
下面先给出它的定义:
定理(克拉默法则). 有
可以看到,通过方程,我们可以直接将解写为两个行列式的商的形式。
2 克拉默法则的发展史
虽然规则最终冠以了克拉默的名字,但是为此付出的绝不止他一个人,下面我们就走近历史,看看克拉默法则发展的故事。
2.1 莱布尼茨的建议
在十七世纪数学家笛卡尔提倡使用
可以解得:
再进一步观察,还可以看到分母都为
数学家莱布尼茨指出,这个规律可能与未知数的位置有关,为此他给未知数加上了索引,用
解变为:
2.2 克拉默的研究
后来瑞士数学家克拉默根据这一线索,对这个方程组进行了进一步修改,他用字母
这就是克拉默本人给出的克拉默法则,他将这个结论发表在了1750年出版的《代数曲线分析》上。
2.3 大神们的改良
虽然克拉默已经给出了规律,但是由于结论太冗长了,并没有被推广开。后来又经过拉普拉斯等人的努力,发展出了行列式理论。
根据行列式的运算规则,可以将分子分母写成行列式的形式,如三阶方程的第三个未知数
写成行列式的形式后得到:
方程变为:
在1750年克拉默发表文章时,因为行列式技术还不成熟,因此他只给出了结论,没有给具体的证明过程。今天我们就来帮他完善一下证明过程。
首先来看二元的情况:
看成是由两个方程组成,这样在几何上,它们可以看作是两条直线,方程组是求两个直线的交点。
这也是我们前面学习的代入消元法,而我们说过克拉默法则与代入消元法不同,我们换种思路,我们竖着看这个方程,每一列都用一个向量来表示:
我们可以在平面中画出这几个二维向量:
现在我们需要找出一个相等的量帮助我们求未知数,这里我们可以用相等的面积。
可以看到图中的两个平行四边形是同底同高的平行四边形,它们的面积相等。因此有:
这一组我们可以得到:
对于n个未知数的方程组是这样
第一步:使用行列式的数乘法则,将系数
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