代入消元法

📘 二元一次方程组·
⭐⭐
·步骤、适用条件

🎯 学习目标

  • 理解代入消元法的基本思想和适用条件
  • 掌握用代入消元法解二元一次方程组的完整步骤
  • 能正确应用该方法解决实际问题中的简单方程组

📚 核心概念

代入消元法是解二元一次方程组的一种常用方法,其核心思想是“消元”——通过将一个未知数用另一个未知数表示,代入另一个方程,从而把二元方程组转化为一元一次方程来求解。

适用条件:方程组中至少有一个方程的某个未知数的系数为1或-1(或容易变形为系数为1),这样便于用一个变量表示另一个变量。

基本步骤如下:

  1. 变形:从其中一个方程中解出一个未知数(如 xxyy),写成如 x=ay+bx = ay + b 的形式;
  2. 代入:将这个表达式代入另一个方程中,替换对应的未知数;
  3. 求解:解所得的一元一次方程,得到一个未知数的值;
  4. 回代:将求得的值代入之前变形的表达式中,求出另一个未知数;
  5. 检验(可选但推荐):将解代入原方程组验证是否成立。

例如,对于方程组 {x+y=52xy=1\begin{cases} x + y = 5 \\ 2x - y = 1 \end{cases},我们可以从第一个方程解出 x=5yx = 5 - y,再代入第二个方程,从而消去 xx,只保留 yy

📝 关键公式

  • 代入表达式:若方程中有 x+ay=bx + ay = b,则可变形为 x=bayx = b - ay
    • 示例:由 x+2y=7x + 2y = 7x=72yx = 7 - 2y
  • 代入后的一元方程:将 x=f(y)x = f(y) 代入另一方程 cx+dy=ecx + dy = e,得 c(f(y))+dy=ec(f(y)) + dy = e
    • 示例:将 x=3yx = 3 - y 代入 2x+y=52x + y = 5,得 2(3y)+y=52(3 - y) + y = 5

💡 经典例题

例题1(基础):解方程组

{x+y=6xy=2\begin{cases} x + y = 6 \\ x - y = 2 \end{cases}

  1. 从第一个方程解出 xxx=6yx = 6 - y
  2. x=6yx = 6 - y 代入第二个方程:(6y)y=2(6 - y) - y = 2
  3. 化简得:62y=26 - 2y = 2,解得 2y=4-2y = -4,所以 y=2y = 2
  4. 回代:x=62=4x = 6 - 2 = 4
  5. 所以原方程组的解是 {x=4y=2\begin{cases} x = 4 \\ y = 2 \end{cases}

例题2(稍难):解方程组

{2x+y=83x2y=5\begin{cases} 2x + y = 8 \\ 3x - 2y = 5 \end{cases}

  1. 从第一个方程解出 yyy=82xy = 8 - 2x(因为 yy 的系数是1,便于表示)。
  2. y=82xy = 8 - 2x 代入第二个方程:3x2(82x)=53x - 2(8 - 2x) = 5
  3. 去括号:3x16+4x=53x - 16 + 4x = 5,合并同类项得 7x=217x = 21,所以 x=3x = 3
  4. 回代:y=82×3=2y = 8 - 2 \times 3 = 2
  5. 所以解为 {x=3y=2\begin{cases} x = 3 \\ y = 2 \end{cases}

⚠️ 易错点

  • 符号错误:在移项或去括号时忘记变号。例如,(ab)-(a - b) 应等于 a+b-a + b,不是 ab-a - b避免方法:去括号时逐项检查符号。
  • 代入不彻底:只替换部分变量,导致仍含两个未知数。避免方法:确保被代入的方程中目标变量全部被替换。
  • 回代错方程:求出一个未知数后,回代到错误的方程中计算另一个未知数。避免方法:始终回代到第一步变形得到的表达式中。
  • 忽略检验:得出解后不验证,可能因计算失误得不到正确答案。建议:养成代入原方程组检验的习惯。
  • 强行使用代入法:当两个方程都不易解出单一变量时(如系数都不是±1),仍坚持用代入法会很麻烦。建议:此时考虑加减消元法更高效。

💡 例题

1

p,p,q,q,r,r,ss为实数,且满足p+q+r+s=8p +q + r + s = 8

pq+pr+ps+qr+qs+rs=12.pq + pr + ps + qr + qs + rs = 12.

。求s.s.的最大可能值。

  1. 将等式p+q+r+s=8,p + q + r + s = 8,两边平方,得
p2+q2+r2+s2+2(pq+pr+ps+qr+qs+rs)=64.p^2 + q^2 + r^2 + s^2 + 2(pq + pr + ps + qr + qs + rs) = 64.

,所以p2+q2+r2+s2=64212=40.p^2 + q^2 + r^2 + s^2 = 64 - 2 \cdot 12 = 40.。 2. 由柯西–施瓦茨不等式,

(12+12+12)(p2+q2+r2)(p+q+r)2.(1^2 + 1^2 + 1^2)(p^2 + q^2 + r^2) \ge (p + q + r)^2.

。 3. 于是3(40s2)(8s)2.3(40 - s^2) \ge (8 - s)^2.。展开得1203s26416s+s2,120 - 3s^2 \ge 64 - 16s + s^2,,即4s216s560.4s^2 - 16s - 56 \le 0.。 4. 两边同除以4,得s24s140.s^2 - 4s - 14 \le 0.。 5. 对应方程x24x14=0x^2 - 4x - 14 = 0的根为

x=2±32,x = 2 \pm 3 \sqrt{2},

,所以s2+32.s \le 2 + 3 \sqrt{2}.。 6. 当p=q=r=22,p = q = r = 2 - \sqrt{2},时取等号,因此ss的最大值为2+32.\boxed{2 + 3 \sqrt{2}}.

2

(x,y)(x, y)是方程组

x+{y}=2.4,{x}+y=5.1.\begin{aligned} \lfloor x \rfloor + \{y\} &= 2.4, \\ \{x\} + \lfloor y \rfloor &= 5.1. \end{aligned}

的一个解。求xy.|x - y|.的值。

  1. 看第一个方程:
x+{y}=2.4.\lfloor x \rfloor + \{y\} = 2.4.

。 2. 因为x\lfloor x \rfloor是整数,而0{y}<1,0 \le \{y\} < 1,,所以只能是x=2\lfloor x \rfloor = 2{y}=0.4.\{y\} = 0.4.。 3. 同理,由第二个方程得{x}=0.1\{x\} = 0.1y=5.\lfloor y \rfloor = 5.。 4. 所以

x=x+{x}=2.1x = \lfloor x \rfloor + \{x\} = 2.1

,进而

y=y+{y}=5.4,y = \lfloor y \rfloor + \{y\} = 5.4,

,因此xy=2.15.4=3.3.|x-y| = |2.1-5.4| = \boxed{3.3}.