114 年 國立中央大學資訊工程學系碩士班《離散數學與線性代數》
第 1 題
Given a linear transformation from to (with respect to standard bases)
Now let and be non-standard bases for and , respectively. If the matrix representation of the same linear transformation (with respect to and ) is
what is ? ( % is the modulo operation. rounds to the smaller nearest integer.)
(a) 0
(b) 1
(c) 2
(d) 3
(e) 4
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對任意 ,矩陣的對應欄向量為 。
第 2 題
Let the Gram-Schmidt QR factorization of the matrix
be , where is an orthogonal matrix and is an upper triangular matrix.
What is ? (% is the modulo operation. rounds to the smaller nearest integer.)
(a) 0
(b) 1
(c) 2
(d) 3
(e) 4
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設 的三個行向量為 。Gram-Schmidt 分解中:
第二個正交向量為
故
第 3 題
Assume and . Let . What is ? (% is the modulo operation. rounds to the smaller nearest integer.)
(a) 0
(b) 1
(c) 2
(d) 3
(e) 4
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核心觀念
- 矩陣多項式:對於任意方陣 與一元多項式 ,定義
- 特徵多項式與 Cayley‑Hamilton 定理: 的特徵多項式 會使得 。
- 冪等矩陣:若 ,則對所有正整數 ,都有 。
- 模運算:題目要求先取絕對值、向下取整,再對 5 取餘數。
解題方法
- 求特徵多項式
因此
- 應用 Cayley‑Hamilton
由此可得對任意正整數 ,。特別地
- 計算矩陣多項式
所以
第 4 題
Let and the unitary matrix that diagonalizes be . Let . What is ? (% is the modulo operation. rounds to the smaller nearest integer.)
(a) 0
(b) 1
(c) 2
(d) 3
(e) 4
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第 5 題
Which of the following vectors belong to the nullspace of ?
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
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題目將 矩陣再轉置為 ,與四維選項不相容;依選項判斷,合理假設 為題示未轉置的 矩陣。
令 ,由 得
第 6 題
A and B are both square matrices. Which of the following statements are true?
(a) If is the eigenvalue of A and is the eigenvalue of B, then is the eigenvalue of AB.
(b) AB and BA have the same eigenvalues.
(c) AB and BA have the same eigenvectors.
(d) If , then A and B have the same eigenvalues.
(e) If ( is 's Hermitian Transpose), then A and have the same eigenvalues.
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(a) 錯。兩矩陣的特徵向量未必相同,因此特徵值不能直接相乘。例如
的特徵值為 , 的特徵值為 ,但 的特徵值為 。
(b) 對。由行列式恆等式
可知 與 的特徵多項式相同,故特徵值及其代數重數皆相同。
(c) 錯。即使特徵值相同,特徵向量也未必相同。例如
第 6 題
A and B are both square matrices. Which of the following statements are true?
(a) If is the eigenvalue of A and is the eigenvalue of B, then is the eigenvalue of AB.
(b) AB and BA have the same eigenvalues.
(c) AB and BA have the same eigenvectors.
(d) If , then A and B have the same eigenvalues.
(e) If ( is 's Hermitian Transpose), then A and have the same eigenvalues.
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核心觀念
- 特徵值與特徵向量:若 ,則 為 的特徵值, 為對應的特徵向量。
- 相似矩陣:若 ( 可逆),則 與 只是一種基底變換,保留相同的特徵多項式,因此具有相同的特徵值。
- 可交換與特徵值關係:若 ,則 、 可同時對角化(若皆可對角化),此時 與 共享特徵值與特徵向量。
- 酉(Hermitian)矩陣: 為 的共軛轉置。若 ,則 為正常矩陣(normal matrix),其可酉相似於對角矩陣,且 與 具有相同的特徵值的共軛對。
解題方法
逐一驗證每個敘述的真偽,若敘述在一般情況下不成立,須給出反例;若成立,給出嚴謹的證明或已知定理。
(a) 若 為 的特徵值、 為 的特徵值,則 為 的特徵值
分析
此說法在一般情況下錯誤。
若 為 的特徵向量,,而 為 的特徵向量,,無法保證 同時是 的特徵向量,亦無法保證 。
反例
取 ,。
- 的特徵值為 , 的唯一特徵值為 。
- ,其特徵值仍為 ,不等於 或 的非零值(雖然結果仍是 ,但若改為 為非零特徵值的矩陣則會失敗)。
更直接的反例:(特徵值 ),(特徵值 ),則 ,其特徵值仍為 ,卻不等於任意 (若 則 ,此例不反駁,但若換 為 ,其特徵值 ,則 仍僅有特徵值 ,與 同樣成立,但無法保證一般情形)。
因此 不成立。
(b) 與 具有相同的特徵值
分析
對任意方陣 , 與 必有相同的特徵值(包括代數重數),但可能缺少零特徵值的相同次數。事實上,若 為 的特徵值,則存在非零向量 使 ,左乘 得 ,故 也是 的特徵值。若 ,則 的零特徵值對應的 可能不同,但零仍是兩者共同的特徵值。
證明(簡潔)
特徵多項式 ,利用 (Sylvester determinant 定理)可得相等,故特徵值相同(重數亦相同)。
結論:此敘述正確。
第 7 題
A is an symmetric matrix. Which of the following statements are true?
(a) If exists, must be symmetric.
(b) A must have a complete set of (N) orthonormal eigenvectors.
(c) If , its eigenvalues must be 0 and 1.
(d) If the sum of each individual column of A is 1, then one of its eigenvalues is 1.
(e) If B is also an symmetric matrix. AB must be symmetric.
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(a) 正確。由 ,
故 為對稱矩陣。
(b) 正確。由實對稱矩陣的譜定理, 必可正交對角化,因此具有 個正交歸一的特徵向量。
(c) 正確。若 ,則
第 8 題
We are processing two-dimensional data on the X-Y plane. Which of the following are true?
(a) One particle is initially located at the point A (0,-1) and on the unit circle. It goes straight to B on the unit circle as shown in the figure, and , where O is the origin (0,0). The particle is then reflected and reaches on the unit circle with . The particle keeps reflecting and reaches point on the unit circle and so on. The coordinate of is .
(b) The point A (0,-1) is linearly transformed by . After N linear transformations (i.e., ), the position is . .
(c) Following (B), the distance between and is M. The distance between and is N. .
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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解題方法
依附圖第 3 頁,粒子從單位圓上的 出發,經過右上方的 後反射;圖上標示 ,且 (a) 主張 。第 3 頁的 (b) 主張 ;第 4 頁另給出 的矩陣與 (d)、(e) 的敘述。以下依圖中這些條件逐項判斷。
幾何選項追蹤圓周角度;矩陣冪選項利用 化簡;(d) 追蹤矩陣作用後的角度;(e) 則用奇異值求變換後橢圓的最遠、最近距離。
核心觀念
- 單位圓上弦與半徑形成等腰三角形;反射時,入射角等於反射角。
- 矩陣冪可利用低次冪的規律化簡;點與點的距離以向量差的長度計算。
- 代表旋轉, 代表對稱;矩陣連乘時,從最右側矩陣開始作用。
- 線性變換將單位圓映成橢圓;變換矩陣的最大、最小奇異值,分別是橢圓上距原點最遠、最近的距離。
選項分析
(a) 錯。
因 ,三角形 是等腰三角形,故 ,而圓心角為
依圖中方向, 的圓周角位置為 , 為 。在 反射後,,因此相鄰落點沿圓周每次前進 ; 的角度為 。所以
因此
與選項所述座標不同,故錯。
(b) 錯。
令 。由
可得 。而
因此 ,選項錯。
(c) 錯。
由 ,
第 9 題
Let the matrix
be processed by row operations to form
Which of the following are true?
(a) .
(b) After row operations, can become .
(c) If , then , where is the cross product.
(d) The system of linear equations
has a unique solution.
(e) The system of linear equations
has a unique solution.
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列運算等同於左乘可逆矩陣,因此保持欄向量間的線性關係、線性方程組的解與唯一性。
(a) 皆為 非方陣,行列式無定義,故錯誤。
(b) 由 得
題示另一矩陣 則有
零空間不同,兩者不可能列等價,故錯誤。
(c) 向量長度與叉積大小不受一般列運算保持。例如取
則 ,但
所以
第 10 題
Which of the determinants of the following matrices are zero?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
判斷行列式是否為零,可利用以下性質:
- 若矩陣的列向量(或行向量)線性相依,行列式為 。
- 奇數階反對稱矩陣 滿足 ,因此 。
- 三對角矩陣的行列式可用遞迴式計算。若主對角線元素為 ,相鄰上下對角線元素為 ,則
解題方法與選項分析
(A) 奇數階反對稱矩陣
此矩陣的主對角線皆為 ,且每個非對角元素都滿足 ,所以 。因此
故 ,(A) 的行列式為零。
(B) 行向量線性相依
第四列是第一列的 倍:
因此矩陣的行向量線性相依,行列式為 。(B) 的行列式為零。
(C) 三對角矩陣遞迴
令 表示左上角 子矩陣的行列式。對此三對角矩陣,第一個對角元素為 ,後續對角元素為 ,而上下對角線元素的乘積為 。因此
且對 ,
逐步計算得
For questions 11 and 12, matrix describes a binary relation :
第 11 題
About relation , which of the following statements are true?
(A) is reflexive.
(B) is anti-symmetric.
(C) is transitive.
(D) is a partial ordering relation.
(E) The transitive closure of is symmetric.
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核心觀念
矩陣 的第 列第 欄為 ,表示 ,也就是 。判斷各性質時,使用以下定義:
- 自反:每個元素都與自身相關,即 對所有 成立。
- 反對稱:若 且 ,則必須有 。等價地,對所有 , 與 不可同時為 。
- 遞移:若 且 ,則必須有 。
- 偏序:同時滿足自反、反對稱、遞移。
- 遞移閉包:加入所有由關係中的路徑可到達的有序對,使關係成為遞移關係。
解題方法
先檢查對角線判斷自反,再檢查非對角位置的成對元素是否同時為 ,判斷反對稱。判斷遞移時,找一組 、,但 不成立的反例即可否定。遞移閉包則可用有向路徑判斷:若有從 到 的路徑,則 會出現在閉包中。
選項分析
(A) is reflexive. 正確。
矩陣對角線為
因此每個元素都與自身相關, 是自反關係。
(B) is anti-symmetric. 正確。
第 12 題
Let be the transitive closure of , and each element is a set. If reflects operators’ behavior on , what are possible operators?
(A)
(B)
(C)
(D) Set difference
(E)
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第 13 題
Consider the divisibility relation (i.e., ) and the poset , where . We can conclude that:
(A) is a total order.
(B) is a well order.
(C) has a greatest lower bound.
(D) is a lattice.
(E) has a maximal element.
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核心觀念
本題考偏序集中的全序、良序、最大元、極大元,以及格的定義。
在整除偏序 中, 表示 。對正整數而言:
- 與 可比較,表示 或 。
- 是 的下界,表示對每個 都有 ;其中最大的下界稱為最大下界。
- 若每一對元素都有最大下界與最小上界,則偏序集是格。
- 最大元必須大於等於所有元素;極大元只要求沒有比它更大的不同元素。
解題方法
先注意 恰為 的所有正因數。對這個集合中的任意兩個元素 :
- 最大下界是 。
- 最小上界是 。
因為 都是 的因數,所以 與 也都是 的因數,仍屬於 。因此 是格。
整個集合的下界必須整除每個元素;其中最大的下界為 ,所以 有最大下界 。此外, 是 中所有元素的倍數,因此是最大元,也必然是極大元。
選項分析
第 14 題
In the following procedure, , , and are all procedures; each statement line in and outside the loop counts as 1 step.
Procedure
- If , exit.
- Call ; declare new empty array2, array3, array4.
- For :
4. If , insert into array2;
5. If , insert into array3;
6. If , insert into array4. - Call .
- Call .
- Call $P(\text{array4}).
In order to make ’s complexity , which of the following can be ’s complexity? ( is the input size of .)
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考遞迴程序的時間複雜度。將每次呼叫 的工作分成「本層執行成本」與「遞迴呼叫成本」,再用遞迴式或遞迴樹分析。
每次遞迴會建立三個子陣列,分別收集索引滿足 的元素。每個子陣列的大小約為原陣列的 ,所以遞迴式可寫成:
解題方法
當 時,本層會呼叫一次 ,並掃描陣列一次。迴圈中的條件判斷與插入操作都依題意各算一步,因此掃描的總成本是 。若 的成本為 ,則:
當 時程序直接結束,屬於常數成本。
要使 ,每層的成本不能超過線性級別;若 ,本層成本就是 。此時遞迴樹中第 層的子問題總大小約為:
各層成本合計為幾何級數:
因此,凡是 的成本不超過 的選項,都能讓 維持 。
選項分析
第 15 題
To solve the recurrence relation , , , what of the following are true? (Generating function for this recurrence relation.)
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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第 16 題
Which of these graphs have an Euler circuit?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
連通圖有歐拉迴路,當且僅當每個頂點的度數都是偶數。歐拉迴路會經過每條邊恰好一次並回到起點;因此每次進入一個頂點時,都必須能沿另一條尚未使用的邊離開,頂點的邊數便須成對,亦即度數為偶數。
解題方法
依原卷第 16 題,選項依序為 、、、、;題目未附個別圖形,需依圖論常用記號判讀。逐一檢查各圖頂點的度數是否全為偶數,即可判斷是否有歐拉迴路。這些圖皆連通,故只需檢查度數的奇偶性。
選項分析
- (A) :正確。 五邊形每個頂點的度數都是 ,全為偶數,因此有歐拉迴路。
- (B) :錯誤。 輪圖的輪緣頂點各有兩條輪緣邊,並各連一條輪轂邊,因此度數為 ,是奇數。
第 17 題
At a party, you and your partner meet three other couples. Several handshakes take place under the following rules: no one shakes hands with themselves or their own partner, no one shakes hands with the same person more than once, and the number of handshakes for the other seven people (excluding you) are all different.
Based on these conditions, how many hands did you shake, and how many hands did your partner shake?
(A) You shook 4 hands.
(B) You shook 5 hands.
(C) You shook 3 hands.
(D) Your partner shook 0 hands.
(E) Your partner shook 3 hands.
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核心觀念
把每個人視為圖中的頂點,每次握手視為一條邊;一個人的握手次數就是該頂點的度數。
每人不能和自己或伴侶握手,因此每人的度數介於 到 。題目說排除你以外的七個人,握手次數都不同;七個不同的整數只能是 。
解題方法
利用最高度數與最低度數配對,再逐步移除已確定的一對。
- 七人中度數為 的人,會和所有符合規則的人握手,只會略過自己與伴侶。度數為 的人沒有和任何人握手,因此必定是度數為 者的伴侶。
- 移除這一對後,度數為 者曾和剩下的人(包括你)握手,因此其餘人的度數都減 。另外五位非你者的度數便成為 。
- 同理,度數為 者與度數為 者必為伴侶。移除這一對後,其餘度數再減 ,留下的三位非你者度數為 。
- 度數為 者與度數為 者必為伴侶。移除這一對後,只剩你與原本度數為 的那位非你者,也就是你的伴侶。
第 18 題
A computer system considers a string of decimal digits a valid codeword if it contains an even number of digits. For instance, is valid, whereas is not valid. Let be the number of valid -digit codewords. Which of the following are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查補集計數與遞迴關係。長度為 的數字字串共有 個。將字串依 的個數分為偶數個與奇數個兩類,兩類互為補集。
題目說的是數字字串,因此每一位都可為 到 ,首位也沒有排除 。
解題方法
令 為含偶數個 的長度 字串數,並令 為含奇數個 的長度 字串數,則
從長度 的字串延長一位來計數:
- 若新增的數字是非零數字,有 種選擇,原本的 個數奇偶性不變。
- 若新增的數字是 ,原本含奇數個 的字串會變成偶數個 。
因此
代入 ,得
長度為 時,符合條件的字串不能含有 ,故
也可由閉式公式驗算。偶數個 的字串數為
第 19 題
Find the vertex connectivity and the edge connectivity in the following graph.
(A) The vertex connectivity is 3.
(B) The vertex connectivity is 2.
(C) The edge connectivity is 3.
(D) The edge connectivity is 2.
(E) The edge connectivity is 1.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
頂點連通度 是使圖不連通所需刪除的最少頂點數;邊連通度 是使圖不連通所需刪除的最少邊數。若圖有割點,則 ;若存在兩個頂點的集合,刪除後會使圖不連通,則 。此外, 不會大於任一頂點的度數。
解題方法
依圖可讀出頂點為 。左側有三角形 ,並有邊 、、;右側的 形成 ,其中 是左右兩側的連結之一。
先看頂點連通度。刪除 和 後,左側的 仍互相連通,右側的 也互相連通,但兩群之間沒有邊,因此圖不連通,得到 。另一方面,刪除任一個頂點後,圖仍連通:例如刪除 時,左側可經 接到右側;刪除其他單一頂點時,剩餘部分也仍有路徑相連。因此沒有割點,,所以 。
再看邊連通度。各頂點度數至少為 ,所以任一非空真子集的割邊數至少為 :將頂點集合分成兩側,取頂點較少的一側,其大小至多為 。
第 20 題
Which of these graphs are homeomorphic to ?
(A) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(B) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(C) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(D) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(E) 🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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