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輸入計算

數學公式

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結果

x = 2, y = 3, z = -1
x 2
y 3
z -1
det(A) -1

這個計算器能做什麼

這個工具可以解出三元一次聯立方程式,也就是含有 x、y、z 三個未知數的三條線性方程式。你只要把方程式整理成下列標準形式,再輸入各項係數即可:

$$a_1x + b_1y + c_1z = d_1$$
$$a_2x + b_2y + c_2z = d_2$$
$$a_3x + b_3y + c_3z = d_3$$

計算器會算出 x、y、z 的唯一解,並同時顯示係數矩陣的行列式 \(\det(A)\)。任何實數係數都適用,包括負數、分數與小數。

使用方式

每一列代表一條方程式。請依序填入 x 前面的係數(a)、y 的係數(b)、z 的係數(c),最後再填等號右邊的常數(d)。輸入前記得先把所有變數移到等號左邊、常數移到右邊。舉例來說,若方程式寫成 \(5 = 2x - y\),請先改寫成 \(2x - y + 0z = 5\) 再輸入。

公式說明

本工具採用克拉瑪公式(Cramer's rule)求解。首先計算係數矩陣 A 的行列式;接著針對每一個變數,將 A 中對應的那一行換成常數行 d,再取該矩陣的行列式。最後相除就能得到各變數的值:

$$x = \dfrac{\det(A_x)}{\det(A)},\quad y = \dfrac{\det(A_y)}{\det(A)},\quad z = \dfrac{\det(A_z)}{\det(A)}$$

如果 \(\det(A) = 0\),克拉瑪公式便失效——此時方程組沒有唯一解(可能無解,也可能有無限多組解),計算器會特別標示出來。

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計算 3x3 行列式的薩呂斯法則對角線
用薩呂斯法則算 3×3 行列式:將向下的對角線相加,減去向上的對角線。
克拉默法則中的係數矩陣 A 及三個替換了行的矩陣
克拉默法則:每個變數等於 \(\det(A_i)\) 除以 \(\det(A)\),其中 \(A_i\) 是將一行替換為常數項的矩陣。

範例演算

求解 \(2x + y - z = 8\)、\(-3x - y + 2z = -11\)、\(-2x + y + 2z = -3\)。

計算得 \(\det(A) = -1\)。套用克拉瑪公式後,\(\det(A_x) = -2\)、\(\det(A_y) = -3\)、\(\det(A_z) = 1\),因此 \(x = 2\)、\(y = 3\)、\(z = -1\)。可以驗算:$$2(2)+3-(-1)=8 \checkmark$$

解釋您的結果

3×3 系統中的每個方程描述三維空間中的一個平面。解是所有三個平面相交的地方,而行列式 \(D=\det(A)\) 的值告訴您您處於以下三種情況中的哪一種。

\(D\neq0\):唯一解

當係數行列式非零時,三個平面恰好在一點相交。克萊默法則返回單個 \((x,y,z)\),該序數三元組是唯一同時滿足所有三個方程的值集。這是一個一致的、獨立的系統。輸出 \(x=D_x/D\)、\(y=D_y/D\)、\(z=D_z/D\) 是精確的(在舍入誤差範圍內),可以通過代入原始方程來驗證。

\(D=0\):無唯一解

當 \(D=0\) 時,矩陣是奇異的,克萊默法則無法進行除法。存在兩個子情況:

  • 不一致 — 無解。平面沒有公共點(例如,兩個或多個平行,或它們形成三棱柱排列,其中沒有單個點位於所有三個平面上)。系統沒有解。
  • 相依 — 無窮多個解。平面共享一條直線(或重合)。在這裡,方程不是獨立的,存在無窮多個 \((x,y,z)\) 三元組族,通常用自由參數描述。

行列式單獨無法區分這兩者;您必須檢查方程(例如,通過行約化)以查看它們是矛盾的還是冗餘的。

閱讀 x、y、z 輸出

三個返回的數字是使每個方程成立的坐標。一個值可以是負數、零或分數。如果計算器報告 \(D=0\),請謹慎對待答案,重新檢查系統,而不是信任一個除法結果。

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定義與詞彙表

係數矩陣 \(A\)
3×3 陣列,包含每個方程左側乘以 \(x, y, z\) 的數字:行是方程,列對應 \(x\)、\(y\) 和 \(z\)。
常數向量 \(d\)
方程等於的右側值的列 \((d_1, d_2, d_3)\)。
行列式 \(\det(A)\)(也稱為 \(D\))
從方陣計算的單一標量,衡量矩陣是否可逆。\(\det(A)\neq0\) 表示存在唯一解。
克萊默法則
一種通過將每個變量寫成行列式比率來求解平方線性系統的方法:\(x=D_x/D\)、\(y=D_y/D\)、\(z=D_z/D\),其中 \(D_x, D_y, D_z\) 來自用 \(d\) 替換匹配列。
薩呂斯法則
3×3 矩陣行列式的快速計算方法:將從左上到右下運行的三條對角線求和,並減去從右上到左下運行的三條對角線。
奇異矩陣
行列式為 \(0\) 的方陣;它沒有逆矩陣,因此克萊默法則無法產生唯一解。
唯一解
恰好一個 \((x,y,z)\) 滿足系統;當 \(D\neq0\) 時發生。
一致系統
至少有一個解(一個或無窮多個)的系統。
相依系統
一致系統,因為方程不是全部獨立而有無窮多個解。
不一致系統
根本沒有解的系統;其方程相互矛盾。
每行 \(a, b, c, d\)
在第 \(i\) 行內,\(a_i\) 是 \(x\) 係數,\(b_i\) 是 \(y\) 係數,\(c_i\) 是 \(z\) 係數,\(d_i\) 是右側的常數。

常見問題

如果 \(\det(A)\) 等於零怎麼辦?代表這三個平面無法交於同一點,因此找不到唯一的 (x, y, z)。此時方程組不是矛盾(無解)就是相依(無限多解)。

可以輸入小數或分數嗎?可以——請直接輸入小數(例如用 0.5 取代 1/2)。

克拉瑪公式準確嗎?對於 3×3 的方程組來說,這個方法不僅精確,在一般情況下也相當穩定。不過若係數非常大或矩陣接近奇異,最後幾位小數可能會出現些微捨入誤差。

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