110 年 國立陽明交通大學資訊工程學系碩士班《線性代數與離散數學》
第 1 題5 分
Consider the following real number:
The 1st digit after the decimal point is 0; the second digit is 2; the 13th digit is 6; etc. What is the 1,000th digit after the decimal point?
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核心觀念
這題考的是依位數分組計數。數字串由正偶數依序串接而成:。先計算每一組佔據多少位,再定位第 位落在哪個數字中。
解題方法
先依數字位數分組:
- 一位數偶數:,共 位。
- 二位數偶數:,共 個數,佔 位。
因此,直到二位數偶數結束,共有
位。第 位落在三位數偶數區段,是該區段的第
位。
第 2-(a) 題5 分
Let .
How many elements are there in (which is the set of all subsets of )?
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核心觀念
有限集合 若有 個相異元素,冪集的大小為 。這題的重點全在「數相異元素」:
- 集合不計重複、不計順序:。
- 有序組計順序: 與 不同。
- 只是加了括號的數 :一般的數學記號裡,單一個數外加括號不會變成新的物件,所以 ,。題目刻意把 、 混進來,就是要考這一點。
解題方法
逐一化簡 的頂層元素:
| 原寫法 | 化簡後 |
|---|---|
| (與第一個重複) | |
第 2-(b) 題5 分
What is the definition of an infinite set ?
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核心觀念
有限集是指存在某個非負整數 ,使集合 與 之間存在一一對應;其中 時,集合為空集。無限集就是不符合這項有限集定義的集合。
解題方法
第 2-(c) 題5 分
Let be the set of natural numbers. Assume we already know is an infinite set. Let . Note that in this question is the division of real numbers. For example, .
Prove that is an infinite set strictly according to your definition of an infinite set.
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核心觀念
依照「無限集」的定義:若一個集合無法與任何有限集合建立一對一對應,便稱為無限集。題目已知 是無限集,因此只要證明 包含一個與 一樣大的子集合,就能推出 不是有限集。
解題方法
取定義中的 。因為 ,對每個 都有
因此 。更明確地,定義函數 為
第 3 題5 分
Assume . Let be a set of (not necessarily distinct) natural numbers. Let and . Assume , , and are appropriate fixed integers. Let be the product of the 's.
What is the largest possible value of in terms of , , and pngl$?
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核心觀念
每個 都是 的正因數,且 。將各數除以公因數 ,令
則
而乘積為
因此,只要找出符合最大公因數為 、最小公倍數為 的 乘積範圍。
最大乘積
每個 都是 的因數,所以 。又因為最大公因數為 ,至少有一個 ;否則所有 都大於 ,便不可能互質。
因此,至少一個因數為 ,其餘至多為 ,得到
取 ,其餘 ,最大公因數為 ,最小公倍數為 ,且乘積恰為 。故
第 4 題5 分
How many integers between 1000 and 5000 are not divisible by 4, 5, or 6?
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核心觀念
使用容斥原理計算可被 、 或 整除的整數數量,再從總數中扣除。兩兩重疊處要加回,三者重疊處再扣除一次。
兩數同時整除的條件由最小公倍數決定,例如同時被 和 整除的數,就是 的倍數。
解題方法
與 都能被 和 整除,因此無論題目的「between」是否包含端點,符合條件的整數數量都相同。先計算區間 的總數,共 個。
區間 中, 的倍數個數為
分別計算:
第 5 題5 分
Let be the number of integer solutions of , where , , and . Show the generating function for .
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核心觀念
用普通生成函數表示每個變數的可取值,再將各變數的生成函數相乘。因為 的選取彼此獨立,乘積中 的係數正好是滿足 的整數解數 。
解題方法
分別列出三個變數的生成函數:
因此, 的生成函數為
第 6 題5 分
Let and be equivalence relations on the set . Prove that is an equivalence relation.
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核心觀念
等價關係必須同時滿足自反性、對稱性、遞移性。由於 與 都是 上的等價關係,兩者各自都滿足這三項性質。證明交集 是等價關係,只需逐項驗證。
解題方法
依交集的定義,對任意 ,
以下分別證明三項性質。
**自反性:**任取 。因為 、 都具有自反性,
因此 ,故交集具有自反性。
**對稱性:**任取 ,假設 。則 且 。由兩個關係的對稱性,
第 7-(a) 題2 分
Please answer TRUE or FALSE for the following statement and give a concise explanation.
A simple graph is called regular if every vertex of this graph has the same degree. An -cube, denoted by , is a graph that has vertices representing the bit strings of length . Two vertices are adjacent if and only if the bit strings that they represent differ in exactly one bit position. is regular.
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核心觀念
圖是正則圖,是指每個頂點的度數都相同。頂點的度數,就是與該頂點相鄰的頂點數。
在 維超立方體 中,每個頂點對應一個長度為 的位元字串;兩個頂點相鄰,當且僅當它們的字串恰有一個位元不同。
解題方法
任取一個頂點,對應的位元字串有 個位置。逐一翻轉其中一個位置,每種翻轉都會得到一個相鄰頂點,因此該頂點恰有 個鄰點,度數為 。
第 7-(b) 題2 分
Please answer TRUE or FALSE for the following statement and give a concise explanation.
Let and respectively be the number of vertices and edges of , the -cube. Then , , and .
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核心觀念
維超立方體 可由兩個 複製品組成 :兩個複製品各保留原有的邊,並將兩側的對應頂點相連。每個頂點以 位元二進位字串表示,新增一個座標後,兩側共有 組對應頂點,因此新增 條邊。
解題方法
的邊分成兩類:
- 兩個 複製品內的邊,共有 條。
- 連接兩個複製品中對應頂點的邊,共有 條。
因此正確遞迴式為
代入 ,因為 、,得到
第 7-(c) 題2 分
Please answer TRUE or FALSE for the following statement and give a concise explanation.
The complete bipartite graphs and are planar.
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核心觀念
完全二分圖 有兩個頂點部,各含 、 個頂點;每條邊都連接不同頂點部中的兩個頂點。判斷這類圖是否為平面圖,可用平面二分圖的邊數上界:
其中 是頂點數、 是邊數。此上界來自歐拉公式 :二分圖沒有奇數長度的環,因此平面嵌入中的每個面的邊界長度至少為 ,故 ,合併可得 。
解題方法
對 ,頂點數 ,邊數 。平面二分圖的邊數上限為
因為 , 不可能是平面圖。
The graph is represented by the following adjacency matrix, with edge weights , , , , , , and :
第 7-(d) 題2 分
Please answer TRUE or FALSE for the following statement and give a concise explanation.
There are exactly 2 shortest paths between and in the graph.
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核心觀念
這題考加權無向圖的最短路徑與最短路徑數量。矩陣中每條邊所在欄的兩個 表示該邊連接的兩個頂點;路徑長度則是沿途邊權重的總和。
解題方法
由矩陣可讀出相關邊:
- 連接 ,權重
- 連接 ,權重
- 連接 ,權重
- 連接 ,權重
- 連接 ,權重
- 連接 ,權重
從 到 ,可找到以下三條路徑,長度都為 :
第 7-(e) 題2 分
Please answer TRUE or FALSE for the following statement and give a concise explanation.
In the graph, there exists an Euler path from to .
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核心觀念
歐拉路徑是每條邊恰好走過一次的路徑。對連通的無向圖而言,若存在一條以兩個不同頂點為起點與終點的歐拉路徑,這兩個端點的度數必須是奇數,其餘頂點的度數必須是偶數。
題目矩陣的每一欄代表一條邊;欄中兩個 表示該邊連接的兩個頂點。因此,各頂點的度數可由該列 的個數求得。邊權重不影響歐拉路徑的判定。
解題方法
逐列計算頂點度數:
- :連接 ,所以 。
- :連接 ,所以 。
- :連接 ,所以 。
第 8-(a) 題
True or false. No need to justify your answer. No credit for unanswered questions. Incorrect answers will deduct the credit until zero point is earned in this section.
(correct: 1; incorrect: -1; unanswered: 0) For any square real matrix , is always symmetric.
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核心觀念
矩陣 為對稱矩陣的定義是 。轉置具有以下性質:
解題方法
令 。對 取轉置:
第 8-(b) 題
True or false. No need to justify your answer. No credit for unanswered questions. Incorrect answers will deduct the credit until zero point is earned in this section.
(correct: 1; incorrect: -1; unanswered: 0) For a square real matrix , if has a non-zero solution, then is invertible.
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核心觀念
可逆矩陣的零空間只有零向量:若方陣 可逆,且 ,兩邊左乘 可得
因此,若 存在非零解,表示 的零空間不只包含零向量, 必定不可逆。
解題方法
題目給定存在非零向量 使得 。假設 可逆,則左乘 :
第 8-(c) 題
True or false. No need to justify your answer. No credit for unanswered questions. Incorrect answers will deduct the credit until zero point is earned in this section.
(correct: 1; incorrect: -1; unanswered: 0) is the orthogonal complement of in .
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核心觀念
集合 在 中的正交補空間定義為
也就是說, 中的向量必須與 裡的每一個向量都垂直。
解題方法
令 。若 ,則 必須與 中所有向量垂直,特別是要與自己垂直。因此
第 8-(d) 題
True or false. No need to justify your answer. No credit for unanswered questions. Incorrect answers will deduct the credit until zero point is earned in this section.
(correct: 1; incorrect: -1; unanswered: 0) Let be an real matrix, where , with full row rank. has either 0 or 1 solution.
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核心觀念
「滿列秩」表示 的列向量線性獨立,因此 。由於 有 列,這也代表線性映射 的值域是 ,所以對任何 ,方程 至少有一個解。
解的個數則由零空間決定。秩-零度定理給出:
解題方法
若 是 的一個解,所有解都可寫成 ,其中 。因此:
第 8-(e) 題
True or false. No need to justify your answer. No credit for unanswered questions. Incorrect answers will deduct the credit until zero point is earned in this section.
(correct: 1; incorrect: -1; unanswered: 0) Let be a vector in and be a vector such that . Then .
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核心觀念
集合 的正交補空間定義為
因此,要判斷 ,必須確認 與 中每一個向量的內積都等於 。題目只給定 與某個 的內積非負,條件不足以推出 。
解題方法
取 中的例子:
此時 ,且
第 8-(f) 題
True or false. No need to justify your answer. No credit for unanswered questions. Incorrect answers will deduct the credit until zero point is earned in this section.
(correct: 1; incorrect: -1; unanswered: 0) Let be a symmetric matrix. and are orthogonal complements.
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核心觀念
對實矩陣 ,有基本關係:
也就是 的行空間,與 的零空間互為正交補空間。題目另給 為對稱矩陣,因此 ,從而 。
解題方法
任取 ,則 。對任意 ,存在向量 使得 。因此:
第 8-(g) 題
True or false. No need to justify your answer. No credit for unanswered questions. Incorrect answers will deduct the credit until zero point is earned in this section.
(correct: 1; incorrect: -1; unanswered: 0) Let be linearly dependent. Then are linearly dependent.
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核心觀念
向量組 線性相依,表示存在不全為 的係數 ,使得
線性相依的向量組包含某個子組仍相依,但一個線性相依的向量組,其子組不一定相依。
解題方法
要判斷題述是否必然成立,檢查線性相依的原因是否可能只來自最後一個向量。取 線性獨立,並令 。則全體向量滿足
第 8-(h) 題
True or false. No need to justify your answer. No credit for unanswered questions. Incorrect answers will deduct the credit until zero point is earned in this section.
(correct: 1; incorrect: -1; unanswered: 0) Let be a subspace of a vector space . Then .
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核心觀念
正交補空間定義為
因此,題目中的 必須帶有內積。有限維內積空間中,任意子空間 都滿足 ;但若 是無限維空間,這個等式不一定成立。
解題方法
題目沒有說明 是有限維,因此檢查無限維內積空間中是否有反例。取
其中 是平方可和序列所成的內積空間, 是只有有限個非零項的序列所成的子空間。
第 8-(i) 題
True or false. No need to justify your answer. No credit for unanswered questions. Incorrect answers will deduct the credit until zero point is earned in this section.
(correct: 1; incorrect: -1; unanswered: 0) The null space of is equal to the column space of .
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核心觀念
對實矩陣 , 是對稱矩陣,且對任意向量 ,
因此, 恰好對應 ,也就是
但題目比較的是 與 的行空間(也就是其欄空間),不是零空間。由基本子空間的正交關係,
所以兩者一般互為正交補空間,不會相等。
解題方法
取最簡單的實矩陣 :
第 8-(j) 題
True or false. No need to justify your answer. No credit for unanswered questions. Incorrect answers will deduct the credit until zero point is earned in this section.
(correct: 1; incorrect: -1; unanswered: 0) Let and be real matrices. Then .
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核心觀念
矩陣的秩是其欄空間的維度。把矩陣視為線性映射時, 表示先由 映射,再由 映射。線性映射作用後,像空間的維度不會大於作用前的空間維度。
解題方法
先看 的欄空間。 的每一欄都是 乘上一個向量,因此都屬於 的欄空間。故
再把 的欄空間記為 。 的欄空間就是 作用於 所得的像;線性映射不能增加空間維度,因此
第 9-(a) 題3 分
Multiple choice questions and fill-in-the-blank questions. No need to justify your answer. No credit for unanswered questions. Incorrect answers will deduct the credit until zero point is earned in this section.
(correct: 3; incorrect: -1; unanswered: 0) Let be a subspace of and denotes its orthogonal complement. If is a subspace of such that , then for all . Justify whether the following statements are true or false:
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
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核心觀念
在 中,子空間 的正交補空間定義為
有限維內積空間滿足
題目條件表示 中每個向量都與 正交,因此 。子空間包含關係取正交補後會反向,故 ,進而
解題方法
由 ,可知 。利用正交補空間的維度公式:
此條件只能直接比較 與 。它不保證 與 的大小關係。
選項分析
(i) :錯誤。已知的是 。
第 9-(b) 題3 分
(correct: 3; incorrect: -1; unanswered: 0) Let be a matrix with . Justify whether the following statements are true or false:
(i) There exists at least one such that has infinite number of least squares solutions.
(ii) For any , has infinite number of solution.
(iii) There exists at least one such that has a unique least square solution.
(iv) For any , has a unique solution.
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核心觀念
是 矩陣且 ,表示 的五個欄向量線性獨立,因此 具有滿列秩,且 。
最小平方解是使殘差平方和 最小的 。其解滿足正規方程
由於 滿列秩, 可逆,所以對每個 ,最小平方解都存在且唯一:
精確解 則只在 時存在。因為 ,一旦精確解存在,就只能有一個。
解題方法
先利用滿列秩判定兩件事:最小平方解對所有 是否唯一,以及精確解若存在是否唯一。再比較 與 : 的維度是 ,小於 ,因此有些 不在欄空間中,對應方程不相容。
選項分析
第 9-(c) 題3 分
(correct: 3; incorrect: -1; unanswered: 0) Let
be the least-squares solution that minimizes , where
Find the values of and .
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核心觀念
最小平方法要找 ,使殘差平方和 最小。其解滿足正規方程:
本題的 兩欄線性獨立,因此 可逆,最小平方解唯一。
解題方法
先計算正規方程兩側的矩陣:
因此需解:
矩陣行列式為 ,故其反矩陣為:
第 9-(d) 題3 分
(correct: 3; incorrect: -1; unanswered: 0) Let
be the orthogonal projection of onto , where
Find the values of and .
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核心觀念
向量 在非零向量 張成的直線上的正交投影為
投影結果必與 平行,且兩者相減後會與 垂直。
解題方法
題面將 寫成 矩陣,但要求的投影是 向量,維度不一致。以下依照目標向量的維度,將 解讀為矩陣的第一欄:
先計算內積與 的長度平方:
因此投影係數為
第 9-(e) 題3 分
(correct: 3; incorrect: -1; unanswered: 0) Let
be the closest point to in the subspace spanned by and , where
Find the values of , , and .
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核心觀念
在內積空間中,子空間 裡距離 最近的點,是 在 上的正交投影。若 彼此正交,投影公式為
解題方法
先計算 的內積:
因此 互相正交,可直接套用正交投影公式。再計算各向量的長度平方,以及 與它們的內積:
所以投影點為
第 10-(a)-(i) 題1 分
Determine whether the following statement is true or false:
If is an invertible matrix, then .
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核心觀念
本題考查行列式的乘法性質:對同階方陣 ,
此外,若 可逆,則存在反矩陣 ,且 ;單位矩陣的行列式為 。
解題方法
由 ,對等式兩側取行列式,並使用行列式的乘法性質:
第 10-(a)-(ii) 題1 分
Determine whether the following statement is true or false:
If is an matrix and can be written in the form
where , , , and are square matrices, and is the zero matrix, then .
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核心觀念
這題考的是區塊三角矩陣的行列式。若方陣具有區塊上三角形式
其中左下角區塊 為零矩陣,則
此公式不要求 或 可逆。
解題方法
設 是 矩陣, 是 矩陣;因此 為 , 為 。
第 10-(a)-(iii) 題3 分
Determine the determinant of the following matrix:
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核心觀念
行列式可用列運算與餘因子展開計算。將某一列加上另一列的倍數,不會改變行列式;若某列或某行只有一個非零元素,沿該列或該行展開可大幅簡化計算。
解題方法
原矩陣記為 。先依序進行不改變行列式的列運算:
得到
第一欄只有第一列非零,沿第一欄展開:
第 10-(b) 題10 分
Given a sequence that comes from for , with , , and . Please find the number .
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核心觀念
這題考三階線性常係數遞迴。若令解具有 的形式,代入遞迴式即可得到特徵方程;將其因式分解後,可用特徵根表示通項,再由初始值求出常數。
解題方法
將 代入
,得到特徵方程
因式分解為
所以特徵根為 。因此通項為
代入初始值 、、:
第 10-(c) 題10 分
Prove generally that eigenvectors of an matrix corresponding to distinct eigenvalues are linearly independent. Notice that the number of distinct eigenvalues is not necessarily equal to (i.e. a general case with ). (Please leave it blank if you don’t know the correct answer, or you will get at most minus 5 points for the wrong answer. 不會寫請留白,答錯最多倒扣 5 分,扣至本題總分為止。)
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【核心觀念】
設 為 矩陣, 為彼此相異的特徵值。對每個 選取一個非零特徵向量 ,使得 。要證明這些特徵向量線性獨立。
【解題方法】
對特徵值個數 使用數學歸納法。
當 時, 是非零向量,因此線性獨立。
假設對應於任意 個相異特徵值的特徵向量都線性獨立。考慮
在等式兩側作用 。由於 ,且對 有 ,因此