2019全国高中数学联赛浙江初赛第4题

题目:设三条不同的直线$l_1:ax+2by+3(a+b+1)=0$,$l_2:bx+2(a+b+1)y+3a=0$,$l_3:(a+b+1)x+2ay+3b=0$,则它们相交于一点的充分必要条件为______.

:答案是$2a+2b+1=0$.
解析:三条直线交于一点,当且仅当关于$x,y$的线性方程组
$$
\begin{cases}
ax+2by=-3(a+b+1)\\
bx+2(a+b+1)y=-3a\\
(a+b+1)x+2ay=-3b
\end{cases}
$$
有且仅有一组解.该线性方程组的增广矩阵
$$
B_{1}=
\begin{pmatrix}
a&2b&-3(a+b+1)\\
b&2(a+b+1)&-3a\\
a+b+1&2a&-3b
\end{pmatrix}
$$
将矩阵$B_{1}$进行初等变换:
\begin{align*}
B_{1}&= \begin{pmatrix}
a&2b&-3(a+b+1)\\
b&2(a+b+1)&-3a\\
a+b+1&2a&-3b
\end{pmatrix} \\&\xrightarrow[\mbox{第}3\mbox{列乘以}\left(-\frac{1}{3}\right)]{\mbox{第}2\mbox{列乘以}\frac{1}{2}}
\begin{pmatrix}
a&b&a+b+1\\
b&a+b+1&a\\
a+b+1&a&b
\end{pmatrix}=B_{2}
\\&\xrightarrow{\mbox{第}1\mbox{行乘以}-1\mbox{加
到第}3\mbox{行上}}
\begin{pmatrix}
a&b&a+b+1\\
b&a+b+1&a\\
b+1&a-b&-a-1
\end{pmatrix}=B_{3}
\\&\xrightarrow{\mbox{第}2\mbox{行乘以}-1\mbox{加到第}3\mbox{行上}}
\begin{pmatrix}
a&b&a+b+1\\
b&a+b+1&a\\
1&-2b-1&-2a-1
\end{pmatrix}=B_{4}
\\&\xrightarrow[\mbox{第}3\mbox{行乘以}-a\mbox{加到第}1\mbox{行上}]{\mbox{第}3\mbox{行乘以}-b\mbox{加到第}2\mbox{行上}}
\begin{pmatrix}
0&2ab+a+b&2a^{2}+2a+b+1\\
0&2b^2+a+2b+1&2ab+a+b\\
1&-2b-1&-2a-1
\end{pmatrix}=B_{5}.
\end{align*}
则该线性方程组有且仅有一解当且仅当矩阵$B_{2}$($B_{5}$)的秩为$2$,且矩阵$B_{2}$($B_{5}$)的前两个列向量形成的$3\times 2$子矩阵的秩也为$2$.

先求线性方程组有且仅有一解的必要条件:
因为$3\times 3$矩阵$B_{2}$的秩为$2$,故$\det B_{2}=0$,即
\begin{align*}
\det B_{2}&=3ab(a+b+1)-a^3-b^3-(a+b+1)^3
\\&=-(2a+2b+1)[a^2+b^2+(a+b+1)^2-ab-b(a+b+1)-(a+b+1)a]
\\&=-(2a+2b+1)\left[\frac{(a-b)^2+(a+1)^2+(b+1)^2}{2}\right]
\\&=0,
\end{align*}

$$
\frac{(a-b)^2+(a+1)^2+(b+1)^2}{2}=0
$$
时,$a=b=-1$.此时矩阵$B_{2}(B_{5})$的前两个列向量形成的$3\times 2$子矩阵的秩为$1$,矛盾.故只能有$2a+2b+1=0$.将这条关系代入矩阵$B_{5}$,得
$$
B_{5}=
\begin{pmatrix}
0&-2a^2-a-\cfrac{1}{2}&2a^2+a+\cfrac{1}{2}\\
0&2a^2+a+\cfrac{1}{2}&-2a^2-a-\cfrac{1}{2}\\1&2a&-2a-1
\end{pmatrix}
$$
由于$\forall a\in \mathbf{R},2a^2+a+\cfrac{1}{2}\neq 0$,故矩阵$B_{5}$的秩为$2$,且矩阵$B_{5}$的前两个列向量形成的子矩阵的秩也为$2$.综上所述,三条直线交于一点的必要条件是$2a+2b+1=0$.

再说明$2a+2b+1=0$是线性方程组有且仅有一解的充分条件:
当$2a+2b+1=0$时,可得矩阵
$$
B_{5}=
\begin{pmatrix}
0&-2a^2-a-\cfrac{1}{2}&2a^2+a+\cfrac{1}{2}\\
0&2a^2+a+\cfrac{1}{2}&-2a^2-a-\cfrac{1}{2}\\1&2a&-2a-1
\end{pmatrix},
$$
可得矩阵$B_{5}$的秩为$2$,且矩阵$B_{5}$的前两个列向量形成的$3\times 2$子矩阵的秩也为$2$,故线性方程组有且只有一个解.

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