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输入计算

数学公式

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结果

唯一解
x = 2, y = 3, z = -1
由简化行阶梯形矩阵求得
1
简化行阶梯形矩阵 [A | b]
1 0 0 2
0 1 0 3
0 0 1 -1

本工具采用列主元高斯-约旦消元法。当方程组存在唯一解时,系数部分会化为单位矩阵,右侧一列即为 (x, y, z) 的值。

这个计算器能做什么

本工具采用高斯消元法,并一直化简到简化行阶梯形(即高斯-约旦消元法),用来求解含 x、y、z 三个未知数的三元一次方程组。当方程组存在唯一解时,它会直接给出结果;如果无解(矛盾方程组)或有无穷多解(相关方程组),它也会明确告诉你属于哪种情况。

使用方法

依次填入系数矩阵 A 的九个系数,以及等号右侧的三个常数项 b。每个方程的形式为 \(a_{i1}\cdot x + a_{i2}\cdot y + a_{i3}\cdot z = b_i\)。点击计算后,计算器会返回方程组的解,并附上最终的简化矩阵,方便你逐步对照消元过程。

算法原理

算法从增广矩阵 \([A \mid b]\) 出发,在每一列中选取绝对值最大的元素作为主元(即列主元法,用于提升数值稳定性),先把主元所在行归一化,再消去其余各行在该列上的元素。处理完三列之后,若方程组有唯一解,系数部分就会化为单位矩阵,而最后一列正是 \((x, y, z)\) 的值。通过比较 A 的秩与 \([A \mid b]\) 的秩,即可判定方程组的解的类型。

$$\left[\begin{array}{ccc|c} a_{11} & a_{12} & a_{13} & b_{1} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} & b_{2} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} & b_{3} \end{array}\right] \;\xrightarrow{\text{Gauss-Jordan}}\; \left[\begin{array}{ccc|c} 1 & 0 & 0 & x \\ 0 & 1 & 0 & y \\ 0 & 0 & 1 & z \end{array}\right]$$
三维空间中相交于一点的三个平面
每个方程都是一个平面;唯一解就是三个平面相交的那个点。
通过行变换化为含单位矩阵块的简化行阶梯形的增广矩阵
高斯-约当消元法将增广矩阵化为 \([I \mid x]\),直接得出解。

计算实例

以 \(2x + y - z = 8\)、\(-3x - y + 2z = -11\)、\(-2x + y + 2z = -3\) 为例。经过消元后得到 \(x = 2\)、\(y = 3\)、\(z = -1\)。可以代回验证:

$$2\times 2 + 3 - (-1) = 8$$

结果正确。

常见问题

如果没有唯一解会怎样?结果面板会显示「无解」或「无穷多解」,状态栏也会同步标明对应情形。

方程的输入顺序会影响结果吗?不会。列主元法会在内部自动调整行的次序,因此无论你按什么顺序输入,最终答案都一样。

系数可以是小数或负数吗?可以,支持任意实数。

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