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求解含交叉项的四元二次方程组技术问询

求解给定方程组

咱们来一步步解这个方程组:
$$\begin{cases} x^{2} + y^{2} = 4 \ z^{2} + t^{2} = 9 \ xt + yz = 6 \end{cases}$$

你一开始的思路特别准确,咱们接着把它补全:

  1. 先将前两个方程左右两边相乘:
    $$(x{2}+y{2})(z^{2} + t^{2})=4\times9=36$$

  2. 应用拉格朗日恒等式(就是你提到的拉格朗日公式):$(a2+b2)(c2+d2)=(ac+bd)2+(ad-bc)2$,代入变量后得到:
    $$(xt + zy)^{2} + (zx -ty)^{2}=36$$

  3. 把第三个方程$xt + yz = 6$代入上式:
    $$6^2 + (zx -ty)^{2} =36$$
    化简后直接得出:
    $$(zx -ty)^{2} = 0 \implies zx = ty$$

到这里咱们需要分两种情况讨论,避免遗漏解:

情况1:$x \neq 0$

由$zx=ty$可以推出$z=\frac{ty}{x}$,把这个代入第三个方程$xt + yz =6$:
$$xt + y\times\frac{ty}{x} =6$$
通分后提取公因子$t$,再代入$x2+y2=4$:
$$\frac{t(x2+y2)}{x}=6 \implies \frac{4t}{x}=6$$
整理得到:
$$t=\frac{3x}{2}$$

再把$t=\frac{3x}{2}$代回$z=\frac{ty}{x}$,就能得到:
$$z=\frac{3y}{2}$$

咱们验证一下这个结果是否满足第二个方程:
$$z2+t2=\left(\frac{3y}{2}\right)2+\left(\frac{3x}{2}\right)2=\frac{9}{4}(x2+y2)=\frac{9}{4}\times4=9$$
完全符合要求!

这种情况下,所有解可以用参数方程表示(方便涵盖所有可能的$(x,y)$):
$$\begin{cases} x=2\cos\theta \ y=2\sin\theta \ z=3\sin\theta \ t=3\cos\theta \end{cases} \quad (\theta \text{为任意实数})$$

情况2:$x = 0$

当$x=0$时,由第一个方程$x2+y2=4$可得$y=\pm2$。
结合$zx=ty$,因为$x=0$,所以$0=ty$;再代入第三个方程$xt + yz=6$,得到$yz=6$:

  • 若$y=2$,则$2z=6 \implies z=3$,此时$ty=0$且$y=2\neq0$,所以$t=0$,验证$z2+t2=9$成立;
  • 若$y=-2$,则$-2z=6 \implies z=-3$,同理$t=0$,验证也成立。

这两个具体解其实也包含在上面的参数方程里(当$\theta=\frac{\pi}{2}$和$\theta=\frac{3\pi}{2}$时),所以所有解可以统一用参数形式表示。

内容的提问来源于stack exchange,提问作者Hasan Heydari

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