五百年前的回眸,換來今世的擦肩而過:聯立方程組是否有解的代數和幾何解釋

2021-03-01 Mr. Why說數學

給小學生講解數學問題的解決方法,我幾乎不用方程。原因有二:其一是,我一直覺得用方程解決問題屬於直線思維,是懶人的方法,讓孩子們過早接觸方程,會限制他們思維能力的開發;其二是,方程作為一項解題工具,我實在不知道有啥好講的,呵呵!

不過,在很多孩子的催促下,我還是想到了一些可以講解的方程知識,那就是關於聯立方程組是否有解幾何解釋

很多孩子對數學之所以難以有深入的理解,一個重要的原因就是無法從直觀上去理解抽象的數學問題。說的通俗一點就是,他們看到代數問題不會聯繫到幾何,看到幾何問題也無法轉為代數的角度去思考。當然,在代數和幾何之間可以做到思維的切換自如,是需要花費一些功夫的。我在很多文章裡示範過代數問題的幾何解釋,許多讀者看完之後感覺非常直觀,幫助了他們對很多問題有了不一樣的認識和理解。那麼,今天我再從幾何的角度來解釋一下如何理解聯立方程組是否有解這個問題。

先看一組聯立方程:


我們將①×2-②,推出:0=8-5=3。說明該聯立方程組不存在x和y同時滿足①、②兩式,於是我們可以得到該聯立方程組「無解」。

再看另一組聯立方程:


我們將①×2-②,推出:方程①與方程②完全一樣。說明該聯立方程組不存在固定的x和y同時滿足①、②兩式,於是我們可以得到該聯立方程組有「無窮多解」。

這個時候估計很多同學會問:這不合常理啊,我們遇到的大部分聯立方程組都是有解的!那麼,在什麼樣的情況下,聯立方程組是有解的呢?

我們假設如下一般化的聯立方程:


通常,我們都是用加減法來進行消元解方程組的。比如,為了消去y,我們可以①×d、②×b,得到:


將③-④得到:


用同樣的方法,我們還可以得到:


因此,當滿足下面的條件時:


聯立方程組會存在唯一的解,即:


上面的解釋對嗎?對!但有麼有什麼可以補充呢?有。因為沒有解釋當出現下面這種情況時,聯立方程組會如何?


大部分的數學教科書解釋到這裡基本就停止展開討論了,這是不夠嚴謹的處理,對充滿求知慾的孩子而言也是不負責的。

那麼又該如何處理呢?現在,我們從幾何的角度來解釋這個問題。

對①式進行變形得到:


在笛卡爾坐標系中,我們可以將這個等式表示為一條直線,即:

其中,-(a/b)叫做這條直線的「斜率」,s/b叫做這條直線在y軸上的「截距」。

我們來分類討論一下。

(一)當a=0∧b=0∧s=0時,有:


這說明,所有的(x,y)都能使得式子成立。因此,滿足式子ax+by=s的圖形是整個平面

(二)當a=0∧b=0∧s≠0時,有:


    顯而易見,任何(x,y)都無法滿足上面的等式,也就是滿足式子ax+by=s的圖形不存在。假如以點的集合來看,這個圖形就是空集

(三)當a=0∧b≠0時,有:


因為b≠0,所以不管x是多少,y=s/b都成立,而且是一條平行於x軸的直線,即水平直線。如下圖所示:


(四)當a≠0∧b=0時,有:


因為a≠0,所以不管y是多少,x=s/a都成立,而且是一條平行於y軸的直線,即鉛垂線。如下圖所示:


(五)當a≠0∧b≠0時,有:


因此,滿足式子ax+by=s的圖形是一條斜率為-(a/b),y軸截距為s/b的直線。這條直線既不是水平的,也不是鉛直的,而是一條傾斜的直線。如下圖所示:


討論完了所有的情況,我們再回頭來看聯立方程組。現在,重點來了,我們把①式和②式的五種情況同時放在一個表格裡來看:


我們仔細觀察上面的表格可以發現,標為紅顏色的「一點」,其實就是ad﹣bc≠0的幾種情況。但細心的你肯定已經觀察到了,表格裡還有一個問號,代表「傾斜直線與傾斜直線」的交集。根據條件,我們可以得到一個等式:


這個等式代表什麼呢?回顧我們的聯立方程組:


我們發現,經過變化可以得到:


我們看到,這就代表著兩條直線的斜率相等啊!

也就是說,ad-bc=0代表了兩條直線斜率相等,也就是說這兩條直線是平行的,它們的交集就是空集;而ad-bc≠0代表兩條直線斜率不相等,所以它們最終會相交於一點,即聯立方程組有唯一解。

以最開始的聯立方程組為例:


這兩個方程,分別代表著兩條直線,在笛卡爾坐標系中就是:


講完這個的時候,我脫口而出:「也許本來就是兩個世界的人,怎麼可能以五百年前的回眸,換來今世的一次擦肩而過呢?」只見很多學生在下面竊笑!


五百年前的回眸要換來今世的一次擦肩而過,這可不是一件容易的事情哦!

祝大家學習快樂!

相關焦點

  • 玩轉線性代數(21)線性方程組解的判斷與求法
    討論內容:線性方程組的解的判斷與矩陣的秩,矩陣方程的解法記錄:7.1線性方程組解的討論我:「上節課真夠費腦子的,今天好多了,引入了矩陣的秩後,下面來討論一下矩陣的秩與線性方程組的解的判斷.」小明:「如何判斷矩陣方程Ax=B是否有解呢?」我:「這個問題好,我來分析一下.」問題:AX=B的解的存在性.
  • 中國的半符號代數,美妙的天元術和四元術
    中國的古典數學,特別是代數學,曾經有學多輝煌的成就。宋元數學發展中一個最深刻的動向是代數符號化的嘗試,這就是「天元術」和「四元術」的發明。天元術和四元術都是用專門的記號來表示未知數,從而列方程、解方程的方法,它們是代數學的重要進步。
  • 數學家許晨陽:站在代數與幾何的交界處
    代數幾何是兩種數學分支的融合,一端是代數——關於方程的研究,另一端是幾何——關於形狀的研究。代數幾何所做的就是將抽象的代數中解決問題的方法應用到幾何中複雜而具體的形狀、曲面、空間和曲線。許晨陽曾經這樣解釋:「代數幾何是我們想用代數的方法來看幾何,拿這個工具來交換幾何的靈魂。」代數幾何的基本問題是對一組多項式方程的解集進行分類,簡單說來就是對空間進行分類。
  • 2021年初中物理知識學習技巧:代數法
    中考網整理了關於2021年初中物理知識學習技巧:代數法,希望對同學們有所幫助,僅供參考。   代數法——待定係數法   代數法也叫待定係數法。   具體步驟   1.設a、b、c、d等未知數,分別作為待配平的化學方程式兩端各項化學式的係數。
  • 向量代數與空間解析幾何終結篇:結束代數與幾何
    向量代數與空間解析幾何算是比較費腦的一章,因為圖形要動腦來想。所以對於空間想像力弱的同學,學習這一章就很痛苦。但是這也沒有辦法,這也是為了後來的多元積分做鋪墊,扛過去就好了。在對這章做最後總結之前,先來公布一下上一節的答案。題目在小編的上一篇文章:大學高數:空間曲線及其方程中。1.(1)在平面解析幾何中,方程組表示兩直線的交點;在空間解析幾何中,方程組表示兩平面的交線。
  • 2019年中考數學二元一次方程組
    (2)二元一次方程的解集 對於任何一個二元一次方程,令其中一個未知數取任意二個值,都能求出與它對應的另一個未知數的值.因此,任何一個二元一次方程都有無數多個解.由這些解組成的集合,叫做這個二元一次方程的解集。 4.二元一次方程組的解:二元一次方程組可化為 使方程組中的各個方程的左、右兩邊都相等的未知數的值,叫做方程組的解。
  • 高一物理勻變速直線運動解題技巧—方程組問題巧解
    今天老李給大家帶來的是勻變速直線運動方程組問題解題思路詳解。勻變速直線運動的基本題型有4種:直接應用公式的題型、方程組問題、追及相遇問題、圖像問題。而其中方程組問題是同學們最為頭疼的一類題型。所謂方程組問題就是用一個表達式解不出來,需要幾個表達式聯立求解的題型。
  • 二元一次方程組是初中數學非常重要的知識點,不會的保存
    從概念上我們可以看出判定一個方程是二元一次方程必須同時滿足三個條件:1.方程兩邊的代數式都是整式——分母中不能含有字母;2.有兩個未知數——「二元」;3.含有未知數的項的最高次數為1——「一次」.二.二元一次方程的解使二元一次方程兩邊的值相等的兩個未知數的一組取值叫做二元一次方程的解.在寫二元一次方程解的時候我們用大括號聯立表示.
  • 巧解二元一次方程組:整體代入法在二元一次方程組中的應用
    整體代入法:就是把其中某些部分看成一個整體,用新字母代替(即換元),則能使複雜的問題簡單化,明朗化。該方法在減少多項式項數,降低多項式結構複雜程度或簡化方程組等方面能起到獨到作用。下面我們就來看幾道應用整體代入法解方程組的例子。
  • 7數提分策略,新體驗二元一次方程組的解法前生今世,解法再審視
    注意:1、「元」:未知數; 2、數學思維:轉化歸納2.解二元一次方程組的基本方法:代入消元法和加減消元法(1)用代入消元法解二元一次方程組的一般過程:①、變形:用一個未知數的代數式表示另一個未知數.②、代入:用上面的代數式代替另一個方程中的相應未知數,得到一個一元一次方程,並求得一個未知數的值.③、再代:把這個未知數的值代入任意一個二元一次方程,求的另一個未知數的值.④、寫解:寫出方程組的解,並用大括號括在一起.
  • 世尊前五百世父親居然是同一個人
    有一次,佛陀在去祇陀園的路上遇到一位婆羅門老人。這位老人一見到佛陀,就情不自禁地喊「我的兒子,我的兒子!」還朝著佛陀撲過去,想抱住佛陀。 這時,旁邊的比丘上前阻攔,不讓他這麼做。「你們不要攔他,否則,他會立刻吐血而死。」佛陀對比丘們說。比丘們於是讓開,這位老人忙著上前,緊抱著佛陀的脖子,就像是久別重逢的父親終於見到自己的兒子一樣,急切地喊「我的兒子,我的兒子啊!」
  • 代數幾何兩種方法解二次函數中的面積極值問題
    (1)連結BD,點M是線段BD上一動點(點M不與端點B,D重合),過點M作MN⊥BD交拋物線於點N(點N在對稱軸的右側),過點N作NH⊥x軸,垂足為H,交BD於點F,點P是線段OC上一動點,當MN取得最大值時,求HF+FP+PC/3的最小值;這是一道壓軸題中的第一問中的前一問,實際問(1)是個雙極值問題,今天我們分別用代數和幾個兩種方法來解一下求MN最大值時,N及相關點的坐標
  • 二元一次方程組:不要把方法教成技能,把思想教成題型
    提到《二元一次方程組》這一章,有些老師會說:「方程無非是概念、解法和應用這三部分嘛,基本技能加一些變形技巧,實際問題多練練,沒什麼難的,就不用你來點撥啦!」我有以下幾個觀點:代入消元和加減消元不僅應用在解方程組,消元是一種廣泛應用的代數變形策略,代入、加減不一定是為了消元;與二元一次方程組有關的實際問題更加去題型化,不能再像講實際問題與一元一次方程那樣按題型分類訓練,那樣不利於發展學生的模型思想;二元一次方程組的解有幾種情況,這個探究可以也應該結合圖形來認識
  • 函數圖像——代數和幾何之間的轉換
    我們把一元函數在平面直角坐標系中對應的所有點的集合稱為函數的圖像,建立代數和幾何的聯繫。一次函數y=kx+b的形式,在平面直角坐標系中的圖像是一條直線。二次函數在平面直角坐標系中的圖像是一條拋物線。更高次的多項式函數的圖像也都是一條連續的曲線。
  • 七年級數學下學期《二元一次方程組》典型題、易錯題分析講解
    題目中常見的語言表達有這些情況,我們來對照例題逐一說明一下,也歡迎大家踴躍補充:1、「一個方程組的解也是另一個方程的解……」解題思路:一種思路是把x,y用含k的代數式表示出來;另一種思路是把k看成未知數,然後消掉它,用得到的新方程與「另一個方程
  • 七年級下冊數學,代入法解二元一次方程組,這樣豈不是更容易理解
    回顧一元一次方程的解法,藉此探索二元一次方程組的解法,這次課我們來認識代入法解一元二次方程。本文結合生活實際,再配上圖讓大家生動形象地了解代入法。我們把梨用字母y 來表示,蘋果用字母x來表示,這樣不難得到兩個二元一次方程:y = x + 10;x + y = 200。將未知數的個數由多化少,逐一解決的思想,叫做消元思想。用「代入」的方法進行「消元」,這種解方程組的方法稱為代入消元法,簡稱代入法。
  • 伽羅瓦理論:影響代數、幾何、物理、化學等眾多學科的天才之作
    二次、三次、四次方程的根都可以用它的係數的代數式 (即只含有限項的加、減、乘、除和開方五種代數運算的表達式)來表示,五次及五次以上方程到底是否也行,這個問題吸引了眾多的著名數學家,一開始大家信心滿滿地向五次方程發起衝擊,但是卻遇到了各種挫折。
  • 中考數學專題複習:第7講二元一次方程組及其應用
    類型二 二元一次方程(組)的解法【解後感悟】二元一次方程的解法,把一個未知數的代數式表示另一個末知數是解題的關鍵.對於二元一次方程組的解法,方程組中未知數的係數較小時可用代入法,當未知數的係數相等或互為相反數時用加減消元法較簡單.
  • 《四元玉鑑》解四元方程,比西方早五百多年,無奈近代落後一百年
    我們先來看看18世紀,歐洲各國,對待科學家數學家的態度吧。1705年,牛頓被封為爵士,英王安妮和王子特地步行到劍橋大學參加授爵典禮,以示重視。而俄國沙皇兩次聘請大數學家歐拉到彼得堡講學。歐拉向普魯士腓特烈大帝,推薦拉格朗日接任自己之位,腓特烈大帝立即寫信稱:「歐洲最大之王,希望歐洲最大的數學家在他的宮廷中。」