113 年 國立中山大學通訊工程研究所乙組《工程數學甲》
第 1 題5 分
Use the Fourier series analysis equation to calculate the coefficients (when ) for the continuous-time periodic signal
with fundamental frequency .
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
此題考查連續時間週期訊號的複指數傅立葉級數係數。若
則係數為
已知 ,因此
本題只要求 的係數。
解題方法
取一個週期 ,依照訊號分段:
令
第二段積分可利用平移性質:
因此
將分子改寫為
代回可得
第 2 題5 分
Let be a continuous-time periodic signal with fundamental frequency and Fourier coefficients . Given that . Find a relationship between the Fourier series coefficients of and the coefficients .
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
採用複指數傅立葉級數表示:
本題使用兩個性質:
- 時間位移:若 ,則
- 時間反轉:若 ,則其傅立葉係數為 。
解題方法
先處理第一項:
令 ,則 的傅立葉係數為 。因此
再利用時間位移性質,可得其第 個傅立葉係數為
第二項為單純的時間延遲:
所以其第 個傅立葉係數為
由於
傅立葉係數具有線性,因此
選項分析
第 3 題5 分
What is the Fourier transform of ?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
採用工程數學常用的傅立葉轉換定義:
本題使用兩個重要公式:
- 基本轉換對:
- 時間平移性質:
題目中的 是以 為基準,向右平移 單位。
解題方法
先令
由於
因此
其傅立葉轉換為
分別計算:
以及
所以
原函數可寫成
根據時間平移性質,
因此
第 4 題5 分
Use the Fourier transform synthesis equation to determine the inverse Fourier transforms of .
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
採用連續時間傅立葉轉換的合成公式:
並使用 Dirac delta 函數的取樣性質:
題目中的三個脈衝分別代表:
- 的直流成分;
- 與 的正、負角頻率成分。
正負頻率脈衝係數相同,會合成餘弦波。
解題方法
代入傅立葉合成公式:
利用 delta 函數的取樣性質,分別計算三項:
因此:
第 5 題5 分
Use the Fourier transform synthesis equation to determine the inverse Fourier transforms of
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
採用連續時間 Fourier transform 的反變換公式:
本題的頻譜在正、負頻率區間大小相等但符號相反。除去 的單一端點外,可視為實數奇函數,因此反變換結果應為「純虛數、奇函數」,可作為驗算依據。
解題方法
將正、負頻率部分配對:
利用
得
第 6 題5 分
What is the Laplace transform of ?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
拉普拉斯轉換定義為
本題訊號為
其中單位階躍函數 代表:
因此,積分範圍從 開始。
解題方法
由拉普拉斯轉換定義,
因為 在 時為 ,所以
積分得
當 時, 在 時趨近於 ,故
選項分析
- (A)
第 7 題5 分
Determine the inverse Laplace transform of
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
本題明確給出收斂域 ,因此採用雙邊拉普拉斯轉換。雙邊拉普拉斯轉換中,收斂域會決定時域訊號是右側訊號 或左側訊號 。
常用公式為
以及
因此,同一個代數形式的 ,因收斂域不同,可能對應不同的時域訊號。
解題方法
先將分母因式分解:
故
作部分分式分解:
比較係數得
因此
解得
所以
接著利用收斂域判斷時域方向。兩個極點為 與 ,題目給定
此收斂域位於最右側極點 的右方,表示兩個部分分式都必須採用右側訊號:
因此
選項分析
(A)
第 8 題5 分
One corner of a rectangular parallelepiped is at (1, 1, 1), and three incident sides extend from this point to (-2, 1, 6), (3, 5, 7) and (0, 1, 6). Please identify the volume of this solid.
(A) 20
(B) 40
(C) 18
(D) 42
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核心觀念
由同一頂點伸出的三條邊向量,可用純量三重積求出所張成立體的體積:
其中絕對值是因為體積必須為正值。
解題方法
設共同頂點為
三條邊的終點分別為
因此三條邊向量為
利用行列式:
第二列只有中間元素非零,沿第二列展開:
第 9 題5 分
Consider the wave equation for a string tied to the x-axis at and at . When the string starts to vibrate, the motion takes place in the xu-plane. Let denote the vertical displacement from the x-axis for and be a real constant. The initial displacement is , and the string is released from rest. Given the product solution , which of the following is/are correct?
(A) The wave equation of this string is elliptic.
(B) All the boundary conditions belong to Dirichlet conditions.
(C) The initial condition yields .
(D) This is referred to as a boundary-value problem.
(E) One of the boundary conditions yields .
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核心觀念
本題考查波動方程的分類、邊界條件與初始條件,以及分離變數法。
波動方程為
其中 表示波速的平方,採標準設定 。改寫為
對二階偏微分方程
若 ,則為雙曲型;本題中
因此
所以本題為雙曲型方程。
解題方法
1. 固定端點所給的邊界條件
弦在 與 綁在 軸上,表示兩端的垂直位移永遠為零:
這是直接指定函數值的條件,因此兩者皆為 Dirichlet 邊界條件。
若採用乘積解
則
對非零解而言,必須有
2. 釋放時的初始條件
初始位移為 ,因此
「弦由靜止狀態釋放」表示初始速度為零:
由
可得
由於 為非零的空間模態,故
3. 分離變數結果
代入波動方程:
除以 ,得到
因此
配合固定端點條件
第 10 題5 分
Assume the product solution to the wave equation in Question 9 is found as . If the initial displacement is a sinusoidal wave with the amplitude of and the frequency of , which of the following is/are correct?
(A) There exists a trivial solution.
(B) arbitrary integer.
(C) .
(D) There is no motion at and all other points vibrate vertically over time.
(E) The vertical displacement is reversed () when ,
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核心觀念與參數確定
一維波動方程式之分離變數特解形式為 。
代入初始位移條件():
已知初始波形條件:
- 振幅 。
- 正弦波之空間頻率 。
將 代入波動方程式 :
解寫為 。
各選項判斷
第 11 題5 分
Consider the differential equation with the initial condition of , where and are positive real constants. Which of the following is INCORRECT?
(A) This is a linear differential equation.
(B) This is a Bernoulli's equation.
(C) None of the critical points are attractors.
(D) When , .
(E) The solution interval is .
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考慮方程式
1. 形式判斷
- 左側是一階導數,右側含有 ,故為非線性常微分方程,非線性 ⇒ (A) 錯。
- 可寫成
符合 Bernoulli 形式 (),故 (B) 正確。
2. 臨界點與穩定性
設定 :
線性化 ,得 。
- 在 : → 不穩定(repeller)。
- 在 : → **穩定吸引子
第 12 題5 分
Given , which of the following is correct?
(A) There are two distinct eigenvalues.
(B) The stationary point is a repeller.
(C) All solutions will converge onto the origin.
(D) One of the eigenvalues is .
(E) One of the solution vectors is .
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觀念重點
對於線性微分方程組 ,系統解之性質與原點駐點(Stationary Point)之幾何型態,完全由矩陣 之特徵值(Eigenvalues)決定。
詳細推導與分析
- 求矩陣 之特徵值:
設 ,特徵方程式為:
由一元二次方程式求根公式:
解得相異實特徵值:
第 13 題5 分
Define the matrix as , where and are nonzero vectors in . Which of the following statements are true?
(A) rank(A) may be 2.
(B) is an eigenvector of .
(C) is an eigenvalue of .
(D) The linear equation has infinitely many solutions.
(E) The linear equation with has infinitely many solutions.
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核心觀念
矩陣 是兩個非零向量的外積。對任意 ,
其中 是純量,因此 永遠是向量 的純量倍數。重要結果如下:
- 的所有欄向量皆為 的純量倍數,所以 。
- ,因此 是 的特徵向量, 是對應特徵值。
- 等價於 ,其解集合為與 垂直的子空間。
以下依本題研究所線性代數題目的標準設定 判斷。
解題方法
直接利用分解式
分析矩陣的秩、特徵向量以及線性方程組。對於非齊次方程 ,先檢查 是否屬於 的欄空間,因為
選項分析
(A) may be 。
矩陣 的第 欄為
每一欄都是 的純量倍數,因此
又因為 ,至少有一個 ,所以至少有一欄 。故
秩不可能為 。
因此(A)錯誤。
(B) is an eigenvector of 。
計算 :
若 是特徵向量,必須存在純量 使得
由於 ,這要求 與 平行。題目只知道 非零,並未保證兩者平行。
例如取
則
不是 的純量倍數。因此 不一定是特徵向量。
因此(B)錯誤。
(C) is an eigenvalue of 。
直接計算 :
因為 ,符合特徵值與特徵向量的定義:
第 14 題5 分
Define the matrix as , where is a unit vector in , meaning . Which of the following statements are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) has eigenvalues that are complex with non-zero real components.
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核心觀念
矩陣
稱為 Householder 反射矩陣。本題主要考查:
- 投影矩陣 的性質;
- 正交矩陣的判定;
- 反射矩陣的逆矩陣與特徵值;
- 行列式的計算。
令
由 可得
因此 是投影到 所張成方向的投影矩陣。
解題方法
先計算 :
所以
另外,因為 ,所以
因此 是對稱矩陣,且滿足
選項分析
(A)
由前述計算,
若 ,則必須有 。但
因為 是單位向量,必定為非零向量,所以 。
故 (A) 錯誤。
(B)
因為 ,且 ,所以
因此 是正交矩陣,(B) 正確。
(C)
由
可知 的逆矩陣就是自身:
第 15 題5 分
Let denote the null space of , and denote the range space of . Suppose , , and both and are non-zero. Define . Suppose , , , . Which of the following statements are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
本題考查矩陣的值域、零空間與正交補空間之間的關係:
因此,若 且 ,則 與 必互相正交,即
事實上,若 ,則
解題方法
由 ,可利用平方範數公式:
因為交叉項 。
令
由 且 :
所以
由 且 :
所以
由 得 ,代入 :
第 16 題5 分
Let be an orthogonal basis for an inner product space. Suppose , , . If is a vector with the properties , , and the orthogonal projection of onto is , then which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查正交基底下的向量表示、內積、向量長度平方,以及正交投影公式。
若 為正交基底,且
則有:
以及
向量 在 上的正交投影為
解題方法
已知
因此
由 ,且基底彼此正交,
所以
再由正交投影條件,
題目給定投影為 ,因此
利用 :
代入 、:
因此
第 17 題5 分
Let be a linear transformation, and and be ordered bases for and , respectively. Suppose is the matrix representing relative to and , and
If , then which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
矩陣 表示線性轉換 相對於定義域基底 與值域基底 的表示矩陣,因此對任意 ,
其中:
- 是 相對於基底 的座標向量;
- 是 相對於基底 的座標向量。
矩陣 的第 欄就是 在基底 下的座標。
解題方法
題目要求計算
先求 相對於基底 的座標:
因此,
逐列計算:
所以
第 18 題5 分
Let
Which of the following vectors are in the column space of ?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
對實矩陣 ,有重要關係:
理由是 ,且
因此
兩者秩相同,故其 column space 相同。
所以本題只需判斷各向量是否屬於 。
又因為
可先求 的零空間。
解題方法
令
由 得
因此
由前兩式可得
以及
代入第三式:
所以
令 ,則
因此
故向量
屬於 的充要條件為
第 19 題5 分
Define . Suppose , where and is the semicircle (). Which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查複數線積分的參數化計算:
題目給定
表示沿著上半圓由 逆時針走到 。雖然題目使用 ,但此曲線並未閉合,應依照給定參數直接計算。
解題方法
先將函數拆開:
令
因此
代入複數線積分公式:
分別計算:
以及
故
第 20 題5 分
Define . Suppose , where and is the positively oriented circle . Which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查:
- 複變函數的極點位置判斷
- 留數定理
- 正向(逆時針)閉合曲線的積分公式
若函數在曲線 內含有孤立奇點 ,則留數定理為
題目給定
因此奇點為
解題方法
曲線為圓
圓心是 ,半徑是 。
分別計算兩個極點到圓心 的距離:
對 ,
所以 在圓內。
對 ,
所以 在圓外。
因此曲線 只包住極點 。
在 的留數為
由留數定理,