聯立方程|代入法及消元法

文章摘要

本文涵蓋 解聯立方程 的核心技巧—— 這是 DSE 卷一甲部(1)及(2)經常出現的課題,佔 4–6 分。你將學習 代入法、消元法 及 圖像法 解二元一次方程組。你亦會學習如何將 文字題 轉化為聯立方程, 以及如何識別 特殊情況(唯一解、無解及無限解)。 文章包括逐步例題、DSE 應試技巧、練習題及 10 題功課(附詳細題解)。 這些是 必備技能,在 DSE 試卷中經常出現。

學習目標

完成本文後,你應能夠:

  • 運用 代入法 解聯立方程。
  • 運用 消元法 解聯立方程。
  • 運用 圖像法 解聯立方程。
  • 將 文字題 轉化為聯立方程。
  • 識別 特殊情況:唯一解、無解及無限解。
  • 選擇 最有效的方法解題。

1. 引言

聯立方程 每年 都在 DSE 卷一甲部(1)及(2)出現。題目可能要求你:

  • 解二元一次方程組
  • 解含有分數或小數的方程組
  • 將文字題轉化為聯立方程並求解
  • 判斷方程組有唯一解、無解還是無限解

這些都是必備技能,亦會在進階課題中出現。及早掌握!

DSE 應試提示

聯立方程的題目通常以 短答題 形式出現在甲部(1)及(2),每題 3–4 分,測試你的代數運算能力。

2. 代入法(Substitution Method)

代入法 是先解其中一條方程,得出一個變量以另一個變量表示, 然後代入另一條方程。

步驟

  1. 解其中一條方程,用一個變量表示另一個變量(例如將 \( y \) 用 \( x \) 表示)。
  2. 將此表達式 代入 另一條方程。
  3. 解所得方程,求出餘下變量。
  4. 代回 求另一個變量。

例題

解:\( \begin{cases} y = 2x + 3 \\ 3x + 2y = 15 \end{cases} \)

題解

將 \( y = 2x + 3 \) 代入 \( 3x + 2y = 15 \):

\( 3x + 2(2x + 3) = 15 \)

\( 3x + 4x + 6 = 15 \)

\( 7x = 9 \)

\( x = \frac{9}{7} \)

代回:\( y = 2(\frac{9}{7}) + 3 = \frac{18}{7} + \frac{21}{7} = \frac{39}{7} \)

答案:\( x = \frac{9}{7}, y = \frac{39}{7} \)

3. 消元法(Elimination Method)

消元法 是將兩條方程相加或相減,以消去其中一個變量。

步驟

  1. 將方程排列,使同類項對齊。
  2. 將一條或兩條方程乘以常數,使其中一個變量的係數 相等且相反。
  3. 相加或相減 兩條方程,消去一個變量。
  4. 解所得方程,求出餘下變量。
  5. 代回 求另一個變量。

例題

解:\( \begin{cases} 2x + 3y = 12 \\ 4x - 3y = 6 \end{cases} \)

題解

將兩條方程相加,消去 \( y \):

\( (2x + 3y) + (4x - 3y) = 12 + 6 \)

\( 6x = 18 \)

\( x = 3 \)

代回:\( 2(3) + 3y = 12 \) → \( 6 + 3y = 12 \) → \( 3y = 6 \) → \( y = 2 \)

答案:\( x = 3, y = 2 \)

DSE 記憶口訣

消元法:使其中一個變量的係數相等且相反,然後相加消去!

4. 圖像法(Graphical Method)

圖像法 是將兩條方程在同一坐標平面上繪畫。 兩條直線的交點就是方程組的解。

例題

以圖像法解:\( \begin{cases} y = 2x + 1 \\ y = -x + 4 \end{cases} \)

題解

在同一坐標平面上繪畫兩條直線:

直線 1:\( y = 2x + 1 \)(斜率 = 2,y 截距 = 1)

直線 2:\( y = -x + 4 \)(斜率 = -1,y 截距 = 4)

兩條直線相交於 \( (1, 3) \)。

答案:\( x = 1, y = 3 \)

DSE 常見陷阱

使用圖像法時,需要 準確繪圖——即使微小的繪圖誤差也可能導致錯誤答案。此方法在 DSE 中較少出現,但可能以短題形式考核。

5. 特殊情況

情況一:唯一解

大部分方程組都有 唯一解——兩條直線相交於一點。

例題

\( y = 2x + 1 \) 和 \( y = -x + 4 \) → 相交於 \( (1, 3) \)

情況二:無解

若兩條直線 平行(斜率相同,y 截距不同),則 無解。

例題

\( y = 2x + 1 \) 和 \( y = 2x + 3 \) → 平行 → 無解

情況三:無限解

若兩條直線 重合(同一條直線),則 無限解。

例題

\( y = 2x + 1 \) 和 \( 2y = 4x + 2 \) → 同一條直線 → 無限解

6. 文字題

解文字題時,將情境 轉化為聯立方程組, 然後用代入法或消元法求解。

文字題解題步驟

  1. 找出 兩個未知數並設變量。
  2. 轉化 情境為兩條方程。
  3. 解 方程組。
  4. 在題意中 驗算 答案。

例題

題目:兩個數之和為 20,差為 4。求這兩個數。

題解

設兩個數為 \( x \) 和 \( y \)。

\( x + y = 20 \) (方程 1)

\( x - y = 4 \) (方程 2)

相加:\( 2x = 24 \) → \( x = 12 \)

代回:\( 12 + y = 20 \) → \( y = 8 \)

答案:兩個數為 \( 12 \) 和 \( 8 \)。

7. 例題

例題 1:代入法

題目:解 \( \begin{cases} x - 2y = 5 \\ 3x + y = 8 \end{cases} \)。

題解

由方程 1:\( x = 2y + 5 \)

代入方程 2:\( 3(2y + 5) + y = 8 \)

\( 6y + 15 + y = 8 \)

\( 7y = -7 \)

\( y = -1 \)

代回:\( x = 2(-1) + 5 = 3 \)

答案:\( x = 3, y = -1 \)

例題 2:消元法

題目:解 \( \begin{cases} 3x + 4y = 10 \\ 2x - 4y = 0 \end{cases} \)。

題解

相加:\( 5x = 10 \) → \( x = 2 \)

代回:\( 3(2) + 4y = 10 \) → \( 6 + 4y = 10 \) → \( 4y = 4 \) → \( y = 1 \)

答案:\( x = 2, y = 1 \)

例題 3:無解

題目:解 \( \begin{cases} 2x + y = 5 \\ 4x + 2y = 8 \end{cases} \)。

題解

將方程 1 乘以 2:\( 4x + 2y = 10 \)

相減:\( (4x + 2y) - (4x + 2y) = 10 - 8 \)

\( 0 = 2 \)(假)

答案:無解

8. DSE 風格練習題

甲部(1)及(2)風格

題目 1 MC
解 \( \begin{cases} x + y = 10 \\ x - y = 4 \end{cases} \)。
A. \( (3, 7) \)     B. \( (7, 3) \)     C. \( (6, 4) \)     D. \( (4, 6) \)

題目 2 MC
解 \( \begin{cases} 2x + y = 8 \\ x - 2y = -1 \end{cases} \)。
A. \( (1, 6) \)     B. \( (2, 4) \)     C. \( (3, 2) \)     D. \( (4, 0) \)

題目 3 短答
用代入法解 \( \begin{cases} 3x - y = 5 \\ x + 2y = 4 \end{cases} \)。

題目 4 短答
兩個數之和為 32,差為 8。求這兩個數。

題目 5 MC
以下哪個方程組 無限解?
A. \( y = 2x + 1, y = 2x + 3 \)     B. \( y = 2x + 1, y = -x + 4 \)     C. \( y = 2x + 1, 2y = 4x + 2 \)     D. \( y = 2x + 1, y = 3x + 1 \)

9. 題解

題目 1: B. \( (7, 3) \)
相加:\( 2x = 14 \) → \( x = 7 \)
代回:\( 7 + y = 10 \) → \( y = 3 \)
題目 2: C. \( (3, 2) \)
由方程 1:\( y = 8 - 2x \)
代入方程 2:\( x - 2(8 - 2x) = -1 \)
\( x - 16 + 4x = -1 \) → \( 5x = 15 \) → \( x = 3 \)
\( y = 8 - 2(3) = 2 \)
題目 3: \( x = 2, y = 1 \)
由方程 1:\( y = 3x - 5 \)
代入方程 2:\( x + 2(3x - 5) = 4 \)
\( x + 6x - 10 = 4 \) → \( 7x = 14 \) → \( x = 2 \)
\( y = 3(2) - 5 = 1 \)
題目 4: \( 20 \) 和 \( 12 \)
設兩個數為 \( x \) 和 \( y \)。
\( x + y = 32 \),\( x - y = 8 \)
相加:\( 2x = 40 \) → \( x = 20 \),\( y = 12 \)
題目 5: C. \( y = 2x + 1, 2y = 4x + 2 \)
\( 2y = 4x + 2 \) 化簡為 \( y = 2x + 1 \) → 同一條直線 → 無限解。

基礎練習

點擊下列鏈接查閱:
 練習編 - 聯立方程|代入法及消元法

重點總結

你必須記住的重點
  • 代入法:解其中一條方程,用一個變量表示另一個變量,然後代入另一條方程。
  • 消元法:使其中一個變量的係數相等且相反,然後相加消去。
  • 圖像法:繪畫兩條直線——交點就是解。
  • 唯一解:兩條直線相交於一點。
  • 無解:兩條直線平行(斜率相同,截距不同)。
  • 無限解:兩條直線重合(同一條直線)。
  • 這課題保證在 DSE 卷一甲部(1)及(2)有 4–6 分——掌握這些技巧!

複習清單

  • 代入法:解其中一條方程,代入另一條
  • 消元法:對齊、乘以常數、相加/相減
  • 圖像法:繪畫直線,讀取交點
  • 唯一解:一個交點
  • 無解:平行直線
  • 無限解:同一條直線
  • 文字題:小心轉化為兩條方程
  • 代入兩條方程驗算答案