網友周伯欣轉來2017年大學學測的一道線性代數問題:
設 為等差數列,且
為實數,若方程組
有解,則
網友周伯欣分享了他的解答:https://goo.gl/photos/WVfF3Kg5LzWNcHUSA並問道:周老師有興趣談談今年大學學測的一次方程組題目嗎?
既然這是大學學測的考題,我應該設想自己是一個正準備於今年秋季進入大學校園的有為青年 (但我要承認這有點困難,今早天氣稍微轉涼起床時差一點閃到腰),白話文是我還沒學過大學線性代數 (當然也沒看過周老師的教學光碟)。閒話休提,第一句話說 為等差數列,意思是說頭加尾等於兩倍的中,譬如
,
,餘此類推 (且慢,那麼
?)。第二句話說
為實數,這話像是蛋糕上的蠟燭,裝飾品不用理它。第三句話說若方程組
有解,則
這句話講到重點──那就是說方程組可能無解。相信我,紐約時報每篇文章的重點與立場都在最後一句話。
底下是我的解答:如果我們相信孟子的人性本善說,那麼出題老師必定能體諒應考學子的辛勞,不太可能出一道需要龐大計算的問題。因此,我假設出題老師是一位慈眉善目的長者,他先透露方程組可能無解,暗示我們至少有一條方程式是多餘的。不僅如此,這位慈善的長者還特意安排方程組的係數按順序排列 然後
,接著
。我們知道等差數列滿足
,如果方程組有解,即方程組是一致的,第一式與第三式之和必然等價於第二式:
也就是說 ,即
。
註解
如果問題改成:求出 使得方程組有解,也就是問方程組有解的充分條件,那麼上面回答必要條件的解法若不增添解釋便有疏漏。高斯消去法是線性聯立方程組的標準解法。提取係數與等號右邊的常數,寫出增廣矩陣並執行列運算:先交換第二、三列,第三列乘以
,再將第三列減去第一列與第二列。過程如下:
上面最後一個步驟使用了等差數列性質 。列梯形式的第一個係數列
與第二個係數列
不為零列而且這兩個係數列是線性獨立的 (請讀者自行驗證),因此線性聯立方程組有解的充要條件為
(見“高斯消去法”),或
。上面我提供的解法本質上其實就是高斯消去法。
謝謝周老師指教!
从逻辑完整性的角度讲还需要再验证 k=-5 时原方程确实有解,而不能满足于一个未经过检验的必要条件。