110 年 國立臺灣大學資訊工程學系碩士班《數學》
第 1 題10 分
A graph is bipartite if and only if it has no cycle of ____ length. A bipartite graph can be colored with ____ colors.
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核心觀念
二分圖是指頂點可以分成兩個互不相交的集合,使每條邊的兩端分別落在不同集合。這等價於能用兩種顏色為頂點著色,且相鄰頂點顏色不同。
圖是二分圖,若且唯若它不含奇數長度的環。
解題方法
若圖是二分圖,沿著任一個環行走時,頂點必須在兩個集合間交替。走完環回到起點時,交替次數必須是偶數,因此每個環的長度都是偶數。
反過來,若圖中沒有奇數長度的環,可從每個連通分量選一個起點,以廣度優先搜尋分層,將距離起點為偶數的頂點染成一色,距離為奇數的頂點染成另一色。
第 2 題10 分
If for and , then ____ .
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核心觀念
這題考遞迴式的展開,以及主定理中的冪次指數。令 ,每次把 除以 ,直到基底 ,共經過 層。
解題方法
逐層展開遞迴式:
第 3 題10 分
There are ____ ways a binomial random walk, starting at the origin, returns to the origin for the first time after exactly steps.
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核心觀念
這題考的是簡單對稱隨機漫步的「首次回到原點」路徑計數。每一步只能向右或向左移動一格;要在第 步才首次回到原點,路徑在第 步到第 步都不能位於原點。
計數會用到卡特蘭數:
解題方法
先分兩種對稱情況:第一步向右,或第一步向左。由於左右對稱,只需計算第一步向右的情形,再乘以 。
若第一步向右,路徑先從原點走到位置 。在最後一步回到原點之前,路徑必須始終位於原點右側;否則就會先經過原點。最後一步則必定向左。
固定第一步和最後一步後,中間還有 步。這段路徑從位置 出發、回到位置 ,且全程不低於位置 。
第 4 題10 分
With , ____ and ____ in
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核心觀念
本題考查二項式係數的「曲棍球桿恆等式」:
解題方法
由 Pascal 恆等式
移項得
代入原式後,逐項展開會形成望遠鏡消去:
第 5 題10 分
Let be a finite group with subgroup . Prove that divides .
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核心觀念
本題考查拉格朗日定理:有限群 的任一子群 ,其階數 必整除群的階數 。證明的關鍵是把 分成若干個左陪集,每個左陪集都與 等勢。
解題方法
對每個 ,定義 的左陪集為
先證明每個左陪集的元素數都等於 。映射
是雙射:它依定義為滿射;若 ,在等式兩側左乘 ,可得 ,所以它也是單射。因此
第 6-(a) 題5 分
Suppose and are distinct six-dimensional subspaces of a vector space , and . Find .
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核心觀念
使用子空間的維度公式:
由於 是 的子空間,必有 。此外,、 是不同的六維子空間,因此交集不能等於整個 ,故 。
解題方法
代入 ,由維度公式得到:
因為 ,所以
交集是 的真子空間,且維度為整數,因此
故交集維度可能是 或 ,題目條件不足以決定唯一數值。
第 6-(b) 題5 分
Let be a vector space of all symmetric matrices. Define a linear transformation by
Find .
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核心觀念
線性轉換 的秩是其像空間的維度,即 。本題可直接觀察輸出多項式的係數限制,找出像空間;也可用秩-零度定理計算。
對稱 矩陣可寫成
因此 的維度為 。
解題方法
令
輸出多項式的三個係數分別是 、、,其總和為
所以像空間中的多項式都符合「常數項、 項與 項的係數和為零」。
第 7 題10 分
Suppose is the minimal polynomial of a nonsingular matrix . Find .
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核心觀念
最小多項式 滿足 ,因此
題目已知 非奇異,故 存在。此時常數項 必不為 :若 ,則 ,其中 的次數小於 。由 ,左乘 得 ,這與 是最低次的首一零化多項式矛盾。
解題方法
將 的等式左乘 :
第 8 題10 分
Solve for if
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核心觀念
矩陣中的非零元素分成左上角的 區塊、中間的 區塊,以及右下角的 區塊,因此原矩陣是分塊對角矩陣。分塊對角矩陣的行列式等於各對角區塊行列式的乘積:
解題方法
將原矩陣拆成三個對角區塊,分別計算行列式:
第 9 題10 分
Which of the following statements are true? Your answer will be considered correct only if all the true statements are selected.
(A) Let and be matrices. Assume that is invertible and . If , then is also invertible.
(B) Let be the set of all sequences in which have exactly non-zero elements, where is a known constant. is a subspace of .
(C) Any square matrix can be represented as a sum of a symmetric matrix and a skew-symmetric matrix.
(D) If and are similar, they have the same eigenvectors.
(E) If , .
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核心觀念
本題考查矩陣可逆性、子空間定義、對稱與反對稱矩陣分解、相似矩陣的特徵向量,以及矩陣秩的不等式。
解題方法與選項分析
(A) 正確。
令 。由 可知 ,因此
也就是說 是冪零矩陣。利用
且
可知 可逆。因為 也可逆,所以 可逆。
(B) 錯誤。
若 ,零序列沒有任何非零元素,因此不屬於 。子空間必須包含零向量,故 不是子空間。
(C) 正確。
對任意實方陣 ,可寫成
其中
所以第一項是對稱矩陣;而
所以第二項是反對稱矩陣。
(D) 錯誤。
相似矩陣的特徵值相同,但特徵向量一般會隨相似變換改變。若 ,且 ,則 是 對應於 的特徵向量,
第 10 題10 分
Which of the following statements are true? Your answer will be considered correct only if all the true statements are selected.
(A) Let be defined by , where is the space of functions with basis . The eigenvalues of are .
(B) is linear if is defined by .
(C) Assume that has two distinct eigenvalues, and . If , is diagonalizable.
(D) Let , , and be three matrices such that, for ,
for some , and for .
Then .
(E) Let be a diagonalizable linear operator on a finite-dimensional vector space, and let be any positive integer. and are simultaneously diagonalizable.
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核心觀念
本題考查線性算子的特徵值、線性映射的定義、特徵空間與可對角化,以及行列式對單一列的線性性。
- 線性映射須滿足加法與純量乘法,特別是必須將零向量映到零向量。
- 若一個 維空間有 個線性獨立的特徵向量,線性算子即可對角化。
- 行列式對每一列分別具有線性性;若其他各列固定,某一列相加時,行列式也相加。
- 若 有一組特徵向量基底,則同一組向量也會是 的特徵向量。
選項分析
(A) 錯誤。
以有序基底 表示微分算子 :
因此矩陣為
其特徵多項式為
所以在實數域上沒有特徵值;在複數域上的特徵值為 ,不是 。
(B) 錯誤。
線性映射必須將零向量映到零向量。但
因此 不是線性映射。式中的常數 使 成為仿射映射。
(C) 正確。
由 ,特徵空間 有 個線性獨立的特徵向量。又因 是與 不同的特徵值, 至少有一個非零特徵向量。