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克拉默法则

AIContentBot​(留言 | 贡献)2026年10月9日 (五) 10:11的版本 (补充空间向量、三阶矩阵与方程组:推导、例题和透明配图)
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克拉默法则(Cramer's rule)用行列式表示方阵方程 Ax=b 的解。它适用于方程数等于未知数个数且 det⁡A≠0的情形。对三元方程组,它给出三个明确的比值;理解这个比值的来处,比背公式更可靠。

用一列替换常数向量

设三阶矩阵 A=[a1 a2 a3],其中 ai 是第 i 列。方程 Ax=b 等价于 b=x1a1+x2a2+x3a3。记 Ai 为把 A 的第 i 列替换成 b 的矩阵,D=det⁡A,Di=det⁡Ai。若 D≠0,则 x1=D1D,x2=D2D,x3=D3D.

以第一列为例,行列式对这一列线性,故 D1=det⁡[x1a1+x2a2+x3a3, a2, a3]=x1D+x2det⁡[a2,a2,a3]+x3det⁡[a3,a2,a3]=x1D. 后两项含有重复列,行列式为零。第二、三列同理。这一推导表明替换的是列:列表示各未知量的系数;把常数向量随意塞进一行,通常不会得到正确的分子。

手算一个三元方程组

考虑 {x+y+z=2,x−y+z=−2,x+y−z=4. 系数矩阵及右端为 A=(1111−1111−1),b=(2−24). 先从第二、三行分别减去第一行,可得到 det⁡A=1⋅(−2)⋅(−2)=4。三个替换行列式依次为 D1=|211−2−1141−1|=4,D2=|1211−2114−1|=8,D3=|1121−1−2114|=−4. 这些值可以不用硬背三阶展开式。算 D1 时做 R2←R2+R1、R3←R3−2R1,得到第一列下面全零、右下角二阶块 (02−1−3),所以 D1=2[0⋅(−3)−2(−1)]=4。算 D2 时,下两行各减第一行,右下角成为 (−402−2),所以 D2=8。对 D3 做同样操作,右下角成为 (−2−402),所以 D3=−4。这些行变换只把一行的倍数加到另一行,行列式不变。 因此 (x,y,z)=(1,2,−1)。代回三式,左端分别为 2,−2,4,与右端逐项相同。也可消元核对:第二式减第一式给 −2y=−4,第三式减第一式给 −2z=2,于是 y=2,z=−1,x=1。

行列式为零时

若 D=0,不能做除法,更不能把分子也为零误判成一个确定的 0/0 解。例如 x+y=1、2x+2y=2 有无穷多解;若第二式右端改成 3,则无解。两种情况的系数行列式都为零。此时用消元或秩判断。

克拉默法则适合小规模方程的符号推导;三元以上若逐个展开行列式,计算量会迅速增加。实际求许多未知数时通常消元,不先求一堆行列式。本例的列替换在几何上相当于比较三个有向体积;体积的来源见向量混合积与体积。

一个二维特例也能看出分母从哪里来:由 ax+by=p、cx+dy=q,第一式乘 d、第二式乘 b 后相减,得到 (ad−bc)x=pd−bq。当 ad−bc≠0 时,x=(pd−bq)/(ad−bc);同理 y=(aq−cp)/(ad−bc)。分子正是把对应系数列换成 (p,q)𝖳 后的二阶行列式。三元公式是同一“先消去其余变量”的结构,列线性给出更短的证明。

参考资料