일차 방정식

일차 방정식의 그래프의 예시 수학에서 **일차 방정식**(一次方程式, linear equation) 또는 **선형 방정식**(線型方程式)은 최고 차수의 항의 차수가 1인 다항 방정식을 뜻한다. 일차 방정식의 변수는 하나뿐일 수도, 둘 이상일 수도 있다. 수학적 모델링에 필요한 비선형 방정식은 흔히 풀기 쉬운 일차 방정식으로 근사하여 다뤄진다.
# 일변수 일차 방정식
변수가 하나뿐인 일차 방정식은 단순히 식을 정리하여 풀이할 수 있다. 하나의 변수 x를 갖는 일차 방정식은 다음과 같은 꼴로 쓸 수 있다. :ax+b=0 그 풀이는 다음과 같은 경우로 나뉜다. * 만약 a\ne0이라면, 유일한 해 x=-b/a를 가진다. * 만약 a=0, b\ne0이라면, 이 방정식은 어떤 해도 가지지 않는다. 즉, 불능 방정식이다. * 만약 a=0, b=0이라면, 이 방정식은 모든 수를 해로 가지며, 부정 방정식에 속한다. 일차 방정식의 예는 다음과 같다. * 3x+15=10x-27의 해는 x=6이다. * 6x-5=6x-6의 해는 존재하지 않는다. * 3x-3=3x-3은 모든 수를 해로 한다. 따라서 해가 무한히 많다.
# 이변수 일차 방정식
두 변수 x,y에 대한 일차 방정식은 x와 y에 대한 일차항과 상수항만을 포함하며, xy,x^2,y^{1/3},\sin x와 같은 비선형항을 포함해서는 안된다. 두 변수의 계수가 모두 0인 경우를 제외하면 평면 위의 직선을 해집합으로 한다. 또한 y의 계수가 0인 경우를 제외하면 일차 함수의 영점을 구하는 문제와 동치이다. 이변수 일차 방정식의 표현 방법은 여러 가지가 있으며, 이는 평면 위의 직선의 방정식을 표현하는 방법과도 같다.
## 일반적인 꼴
모든 이변수 일차 방정식은 다음과 같은 꼴로 나타낼 수 있다. :ax+by+c=0 여기서 a^2+b^2\ne0이어야 한다. 기하학적 관점에서 이 방정식은 고정된 벡터 (a,b)와의 스칼라곱 ax+by이 상수 -c인 벡터 (x,y)의 집합을 나타낸다. 이 방정식은 행렬을 통해 다음과 같이 표현할 수 있다. :\begin{pmatrix}a&b;\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\\y\end{pmatrix}=-c\quad\text{or}\quad\begin{pmatrix}a&b;&c;\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\\y\\\1\end{pmatrix}=0 만약 직선이 놓인 직교 좌표 평면을 복소평면으로 간주한다면, 점은 두 실수의 순서쌍 (x,y) 대신 하나의 복소수 z로 쓸 수 있다. 이 경우 직선의 방정식의 일반 꼴을 다음과 같이 나타낼 수 있다. :\bar Bz+B\bar z+C=0 여기서 B는 0이 아닌 복소수, C는 실수, \bar B는 B의 켤레 복소수이다. 이는 직선의 방정식의 일반 꼴에서 z=x+yi, B=(a+bi)/2, C=c를 취하여 얻을 수 있다.
## 기울기와 y절편이 주어진 경우
기울기 m과 *y*절편 n이 결정하는 직선의 한 방정식은 다음과 같다. :y=mx+n 이는 일반 꼴로부터 m=-a/b, n=-c/b를 취하여 얻을 수 있다. 수직선(*y*축과 평행하는 직선)(기울기가 무한대인 직선)의 방정식은 이러한 꼴로 나타낼 수 없다.
## 한 점과 기울기가 주어진 경우
직선이 지나는 점 (x_1,y_1)과 기울기 m가 결정하는 직선의 한 방정식은 다음과 같다. :y-y_1=m(x-x_1) 수직선의 방정식은 이러한 꼴로 나타낼 수 없다.
## 두 점이 주어진 경우
직선 위에 놓인 두 점 (x_1,y_1)\ne(x_2,y_2)이 결정하는 직선의 한 방정식은 다음과 같다. :(y-y_1)(x_2-x_1)=(x-x_1)(y_2-y_1) 이를 행렬식을 통해 표현하면 다음과 같다. :\begin{vmatrix}x&y;&1\\\x_1&y;_1&1\\\x_2&y;_2&1\end{vmatrix}=0 모든 직선의 방정식은 이러한 꼴로 나타낼 수 있다. 수직선이 아닐 경우 x_1\ne x_2이므로, 다음과 같은 꼴로도 쓸 수 있다. :y-y_1=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}(x-x_1)
## 두 절편이 주어진 경우
*x*절편 x_0와 *y*절편 y_0 (x_0\ne0, y_0\ne0)가 결정하는 직선의 한 방정식은 다음과 같다. :\frac x{x_0}+\frac y{y_0}=1 이는 직선의 방정식의 일반적인 꼴에 x_0=-c/a, y_0=-c/b을 대입하여 얻는다. *x*축에 평행하거나, *y*축에 평행하거나, 원점을 지나는 직선의 방정식은 이러한 꼴로 나타낼 수 없다.
## 매개 변수 방정식
직선을 하나의 매개 변수가 실수 범위에서 변화할 때 이 매개 변수에 의존하는 점이 그리는 궤적으로서 표현할 수 있다. 예를 들어, 점 P=(x_0,y_0)과 그 직선의 방향을 나타내는 벡터 \mathbf u=(a,b)가 결정하는 직선의 한 매개 변수 방정식은 다음과 같다. :\begin{matrix}x=x_0+at\\\y=y_0+bt\end{matrix}\qquad t\in(-\infty,\infty) 이는 다음과 같이 간략히 쓸 수도 있다. :\overrightarrow{PQ}=t\mathbf u\qquad t\in(-\infty,\infty) 여기서 Q=(x,y)이다. 이는 다음과 동치이다. :\overrightarrow{PQ}\times\mathbf u=\mathbf0 여기서 \times는 벡터곱, \mathbf0은 영벡터이다. 또한, 두 점 P=(x_1,y_1)\ne Q=(x_2,y_2)이 결정하는 직선의 한 매개 변수 방정식은 다음과 같다. :\begin{matrix}x=(1-t)x_1+tx_2\\\y=(1-t)y_1+ty_2\end{matrix}\qquad t\in(-\infty,\infty) 이를 간략히 표현하면 다음과 같다. :\overrightarrow{OR}=(1-t)\overrightarrow{OP}+t\overrightarrow{OQ}\qquad t\in(-\infty,\infty) 여기서 R=(x,y)이다. 매개 변수를 사용하지 않는 표현은 다음과 같다. :\overrightarrow{PR}\times\overrightarrow{PQ}=\mathbf0
# 다변수 일차 방정식
일차 방정식은 두 개 이상의 변수를 가질 수도 있다. n개의 변수 x_1,\dots,x_n에 대한 일차 방정식은 다음과 같은 꼴이다. :a_1x_1+a_2x_2+\cdots+a_n x_n+b=0 여기서 a_1,....,a_n,b는 상수이다. 즉, 일차 함수의 영점을 구하는 방정식이다. 이러한 방정식의 해는 a_i가 모두 0인 경우를 제외하면 n차원 유클리드 공간의 아핀 초평면(즉, (n-1)차원 아핀 부분 공간)을 이루게 된다.