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求解含三个未知数的二元线性方程组:通解推导与Python实现

心靈之曲

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发布时间:2026-01-07 16:06:46

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来源于php中文网

原创

求解含三个未知数的二元线性方程组:通解推导与Python实现

本文详解如何正确求解变量数多于方程数的线性系统(如2方程3未知数),指出`np.linalg.inv()`不适用的原因,演示参数化通解推导,并提供基于numpy的稳健实现方案。

当方程个数少于未知数个数(如本例中 2 个方程、3 个未知数)时,该线性系统是欠定的(underdetermined),不存在唯一解,而是一族无穷多解——其解集构成一个一维仿射子空间(即一条直线)。此时,无法直接使用 np.linalg.inv() 或 np.linalg.solve() 求“唯一解”,因为系数矩阵 $ M_1 \in \mathbb{R}^{2\times3} $ 不是方阵,不可逆,且 np.linalg.solve() 要求系数矩阵为方阵且满秩。

你原代码中的错误在于:

np.linalg.inv(M1).dot(v1)  # ❌ 报错:inv() 仅支持方阵

M1 是 $2\times3$ 矩阵,np.linalg.inv() 会直接抛出 LinAlgError。

✅ 正确思路是:将一个变量设为自由参数(如令 $z = t$),代入消元,得到用 $t$ 表示的 $x, y$ 表达式(通解)

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对原方程组: $$ \begin{cases} 10x + 5y + 0.5z = 100 \ x + y + z = 100 \end{cases} $$

令 $z = t$($t \in \mathbb{R}$),代入得: $$ \begin{cases} 10x + 5y = 100 - 0.5t \ x + y = 100 - t \end{cases} $$

解此二元方程组(可用 NumPy 的 linalg.solve,因系数矩阵 now 是 $2\times2$):

import numpy as np

def solve_underdetermined_system():
    # 自由参数 t 的取值范围(例如整数解约束可限定 t)
    t_values = np.linspace(0, 100, 101)  # 示例:t ∈ [0, 100] 步长1

    solutions = []
    for t in t_values:
        # 构造约化后的 2×2 系数矩阵和右侧向量
        A_reduced = np.array([[10., 5.],
                              [1.,  1.]])
        b_reduced = np.array([100. - 0.5*t,
                              100. - t])

        try:
            xy = np.linalg.solve(A_reduced, b_reduced)  # ✅ 可行:A_reduced 是方阵
            x, y = xy[0], xy[1]
            solutions.append((x, y, t))
        except np.linalg.LinAlgError:
            continue  # 数值奇异时跳过

    return np.array(solutions)

# 获取前5组解示例
sol_arr = solve_underdetermined_system()
print("前5组解 (x, y, z):")
for i in range(min(5, len(sol_arr))):
    print(f"解 {i+1}: x ≈ {sol_arr[i,0]:.2f}, y ≈ {sol_arr[i,1]:.2f}, z = {sol_arr[i,2]:.0f}")

? 关键注意事项

  • 若问题隐含整数解约束(如经典的“百鸡问题”变体),需进一步筛选 $t$ 使 $x,y,z$ 均为非负整数;
  • np.linalg.lstsq() 可用于求最小二乘意义下的“最优”特解(如范数最小解),但不改变解集结构;
  • 符号计算推荐 sympy:sp.solve([10*x+5*y+0.5*z-100, x+y+z-100], [x,y]) 直接返回含 $z$ 的参数化解。

总结:面对欠定系统,放弃寻找“唯一解”的执念,转而构建参数化通解;NumPy 是强大工具,但必须匹配数学本质——用对函数、选对维度,才是正确实践之道。

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