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:
0.02468101214161820…0.02468101214161820\ldots

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:0,2,4,6,8,10,12,…0,2,4,6,8,10,12,\ldots。先計算每一組佔據多少位,再定位第 10001000 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:0,2,4,6,80,2,4,6,8,共 55 位。
  • 二位數偶數:10,12,…,9810,12,\ldots,98,共 4545 個數,佔 45×2=9045\times2=90 位。

因此,直到二位數偶數結束,共有

5+90=955+90=95

位。第 10001000 位落在三位數偶數區段,是該區段的第

1000−95=9051000-95=905

位。

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第 2-(a) 題5 分

Let P={2,{2},{{2},(2)},(2),(2,2),{2,(2),(2,2)},{(2,2),(2,2),((2),2)}}P=\{2,\{2\},\{\{2\},(2)\},(2),(2,2),\{2,(2),(2,2)\},\{(2,2),(2,2),((2),2)\}\}.

How many elements are there in 2P2^P (which is the set of all subsets of PP)?

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核心觀念

有限集合 PP 若有 nn 個相異元素,冪集的大小為 ∣2P∣=2n|2^P|=2^n。這題的重點全在「數相異元素」:

  • 集合不計重複、不計順序:{a,a,b}={a,b}\{a,a,b\}=\{a,b\}。
  • 有序組計順序:(a,b)(a,b) 與 (b,a)(b,a) 不同。
  • (2)(2) 只是加了括號的數 22:一般的數學記號裡,單一個數外加括號不會變成新的物件,所以 (2)=2(2)=2,((2),2)=(2,2)((2),2)=(2,2)。題目刻意把 (2)(2)、((2),2)((2),2) 混進來,就是要考這一點。

解題方法

逐一化簡 PP 的頂層元素:

原寫法化簡後
2222
{2}\{2\}{2}\{2\}
{{2},(2)}\{\{2\},(2)\}{{2},2}\{\{2\},2\}
(2)(2)22(與第一個重複)
(2,2)(2,2)(2,2)(2,2)
{2,(2),(2,2)}\{2,(2),(2,2)\}{2,(2,2)}\{2,(2,2)\}
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第 2-(b) 題5 分

What is the definition of an infinite set WW?

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核心觀念

有限集是指存在某個非負整數 nn,使集合 WW 與 {1,2,…,n}\{1,2,\ldots,n\} 之間存在一一對應;其中 n=0n=0 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

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第 2-(c) 題5 分

Let N\mathbb{N} be the set of natural numbers. Assume we already know N\mathbb{N} is an infinite set. Let S={k/2n∣n=0,1,2,…; k∈N}S=\{k/2^n\mid n=0,1,2,\ldots;\ k\in\mathbb{N}\}. Note that // in this question is the division of real numbers. For example, 5/2=2.55/2=2.5.

Prove that SS 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 N\mathbb{N} 是無限集,因此只要證明 SS 包含一個與 N\mathbb{N} 一樣大的子集合,就能推出 SS 不是有限集。

解題方法

取定義中的 n=0n=0。因為 20=12^0=1,對每個 k∈Nk\in\mathbb{N} 都有

k20=k.\frac{k}{2^0}=k.

因此 N⊆S\mathbb{N}\subseteq S。更明確地,定義函數 f:N→Sf:\mathbb{N}\to S 為

f(k)=k20=k.f(k)=\frac{k}{2^0}=k.
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第 3 題5 分

Assume n≥2n\ge 2. Let A={x1,x2,…,xn}A=\{x_1,x_2,\ldots,x_n\} be a set of (not necessarily distinct) natural numbers. Let g=gcd⁡(x1,x2,…,xn)g=\gcd(x_1,x_2,\ldots,x_n) and l=lcm⁡(x1,x2,…,xn)l=\operatorname{lcm}(x_1,x_2,\ldots,x_n). Assume nn, gg, and ll are appropriate fixed integers. Let p=x1x2⋯xnp=x_1x_2\cdots x_n be the product of the xix_i's.

What is the largest possible value of pp in terms of nn, gg, and l?Whatisthesmallestpossiblevalueofl? What is the smallest possible value of pintermsofin terms ofn,, g,and, and l$?

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核心觀念

每個 xix_i 都是 ll 的正因數,且 g∣lg\mid l。將各數除以公因數 gg,令

yi=xig,m=lg.y_i=\frac{x_i}{g},\qquad m=\frac{l}{g}.

則

gcd⁡(y1,…,yn)=1,lcm⁡(y1,…,yn)=m,\gcd(y_1,\ldots,y_n)=1,\qquad \operatorname{lcm}(y_1,\ldots,y_n)=m,

而乘積為

p=gn∏i=1nyi.p=g^n\prod_{i=1}^n y_i.

因此,只要找出符合最大公因數為 11、最小公倍數為 mm 的 yiy_i 乘積範圍。

最大乘積

每個 yiy_i 都是 mm 的因數,所以 yi≤my_i\le m。又因為最大公因數為 11,至少有一個 yi=1y_i=1;否則所有 yiy_i 都大於 11,便不可能互質。

因此,至少一個因數為 11,其餘至多為 mm,得到

∏i=1nyi≤mn−1.\prod_{i=1}^n y_i\le m^{n-1}.

取 y1=1y_1=1,其餘 y2=⋯=yn=my_2=\cdots=y_n=m,最大公因數為 11,最小公倍數為 mm,且乘積恰為 mn−1m^{n-1}。故

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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 44、55 或 66 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 44 和 66 整除的數,就是 1212 的倍數。

解題方法

10001000 與 50005000 都能被 44 和 55 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 [1000,5000][1000,5000] 的總數,共 40014001 個。

區間 [1000,5000][1000,5000] 中,dd 的倍數個數為

⌊5000d⌋−⌊999d⌋.\left\lfloor\frac{5000}{d}\right\rfloor - \left\lfloor\frac{999}{d}\right\rfloor.

分別計算:

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第 5 題5 分

Let aka_k be the number of integer solutions of x1+x2+x3=kx_1+x_2+x_3=k, where x1≥2x_1\ge 2, 1≤x2≤51\le x_2\le 5, and 0≤x3≤30\le x_3\le 3. Show the generating function for {ak}\{a_k\}.

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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 x1,x2,x3x_1,x_2,x_3 的選取彼此獨立,乘積中 tkt^k 的係數正好是滿足 x1+x2+x3=kx_1+x_2+x_3=k 的整數解數 aka_k。

解題方法

分別列出三個變數的生成函數:

∑x1=2∞tx1=t21−t,\sum_{x_1=2}^{\infty} t^{x_1} =\frac{t^2}{1-t}, ∑x2=15tx2=t+t2+t3+t4+t5=t(1−t5)1−t,\sum_{x_2=1}^{5} t^{x_2} =t+t^2+t^3+t^4+t^5 =\frac{t(1-t^5)}{1-t}, ∑x3=03tx3=1+t+t2+t3=1−t41−t.\sum_{x_3=0}^{3} t^{x_3} =1+t+t^2+t^3 =\frac{1-t^4}{1-t}.

因此,{ak}\{a_k\} 的生成函數為

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第 6 題5 分

Let R1R_1 and R2R_2 be equivalence relations on the set SS. Prove that R1∩R2R_1\cap R_2 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 R1R_1 與 R2R_2 都是 SS 上的等價關係,兩者各自都滿足這三項性質。證明交集 R1∩R2R_1\cap R_2 是等價關係,只需逐項驗證。

解題方法

依交集的定義,對任意 a,b∈Sa,b\in S,

(a,b)∈R1∩R2⟺(a,b)∈R1 且 (a,b)∈R2。(a,b)\in R_1\cap R_2 \quad\Longleftrightarrow\quad (a,b)\in R_1\text{ 且 }(a,b)\in R_2。

以下分別證明三項性質。

**自反性:**任取 a∈Sa\in S。因為 R1R_1、R2R_2 都具有自反性,

(a,a)∈R1,(a,a)∈R2。(a,a)\in R_1,\qquad (a,a)\in R_2。

因此 (a,a)∈R1∩R2(a,a)\in R_1\cap R_2,故交集具有自反性。

**對稱性:**任取 a,b∈Sa,b\in S,假設 (a,b)∈R1∩R2(a,b)\in R_1\cap R_2。則 (a,b)∈R1(a,b)\in R_1 且 (a,b)∈R2(a,b)\in R_2。由兩個關係的對稱性,

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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 nn-cube, denoted by QnQ_n, is a graph that has vertices representing the 2n2^n bit strings of length nn. Two vertices are adjacent if and only if the bit strings that they represent differ in exactly one bit position. QnQ_n 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 nn 維超立方體 QnQ_n 中,每個頂點對應一個長度為 nn 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 nn 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 nn 個鄰點,度數為 nn。

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第 7-(b) 題2 分

Please answer TRUE or FALSE for the following statement and give a concise explanation.

Let VnV_n and EnE_n respectively be the number of vertices and edges of QnQ_n, the nn-cube. Then E1=1E_1=1, E2=4E_2=4, and En+1=2Vn+EnE_{n+1}=2V_n+E_n.

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核心觀念

nn 維超立方體 QnQ_n 可由兩個 QnQ_n 複製品組成 Qn+1Q_{n+1}: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 nn 位元二進位字串表示,新增一個座標後,兩側共有 VnV_n 組對應頂點,因此新增 VnV_n 條邊。

解題方法

Qn+1Q_{n+1} 的邊分成兩類:

  1. 兩個 QnQ_n 複製品內的邊,共有 2En2E_n 條。
  2. 連接兩個複製品中對應頂點的邊,共有 VnV_n 條。

因此正確遞迴式為

En+1=2En+Vn.E_{n+1}=2E_n+V_n.

代入 n=1n=1,因為 V1=2V_1=2、E1=1E_1=1,得到

E2=2E1+V1=2(1)+2=4,E_2=2E_1+V_1=2(1)+2=4,
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第 7-(c) 題2 分

Please answer TRUE or FALSE for the following statement and give a concise explanation.

The complete bipartite graphs K2,3K_{2,3} and K3,3K_{3,3} are planar.

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核心觀念

完全二分圖 Ka,bK_{a,b} 有兩個頂點部,各含 aa、bb 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:

m≤2n−4m \leq 2n-4

其中 nn 是頂點數、mm 是邊數。此上界來自歐拉公式 n−m+f=2n-m+f=2:二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 44,故 2m≥4f2m\geq4f,合併可得 m≤2n−4m\leq2n-4。

解題方法

對 K3,3K_{3,3},頂點數 n=3+3=6n=3+3=6,邊數 m=3⋅3=9m=3\cdot3=9。平面二分圖的邊數上限為

2n−4=2⋅6−4=82n-4=2\cdot6-4=8

因為 9>89>8,K3,3K_{3,3} 不可能是平面圖。

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📄 以下 2 題共用同一段題幹

The graph is represented by the following adjacency matrix, with edge weights ∣e1∣=1|e_1|=1, ∣e2∣=2|e_2|=2, ∣e3∣=1|e_3|=1, ∣e4∣=4|e_4|=4, ∣e5∣=1|e_5|=1, ∣e6∣=4|e_6|=4, and ∣e7∣=5|e_7|=5:

e1e2e3e4e5e6e7v11000001v20000111v31101010v40110000v50011100\begin{array}{c|ccccccc} & e_1 & e_2 & e_3 & e_4 & e_5 & e_6 & e_7\\ v_1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1\\ v_2 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1\\ v_3 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0\\ v_4 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0\\ v_5 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 \end{array}

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 v1v_1 and v2v_2 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 11 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:

  • e1e_1 連接 v1,v3v_1,v_3,權重 11
  • e2e_2 連接 v3,v4v_3,v_4,權重 22
  • e3e_3 連接 v4,v5v_4,v_5,權重 11
  • e5e_5 連接 v2,v5v_2,v_5,權重 11
  • e6e_6 連接 v2,v3v_2,v_3,權重 44
  • e7e_7 連接 v1,v2v_1,v_2,權重 55

從 v1v_1 到 v2v_2,可找到以下三條路徑,長度都為 55:

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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 v5v_5 to v1v_1.

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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 11 表示該邊連接的兩個頂點。因此,各頂點的度數可由該列 11 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:

  • v1v_1:連接 e1,e7e_1,e_7,所以 deg⁡(v1)=2\deg(v_1)=2。
  • v2v_2:連接 e5,e6,e7e_5,e_6,e_7,所以 deg⁡(v2)=3\deg(v_2)=3。
  • v3v_3:連接 e1,e2,e4,e6e_1,e_2,e_4,e_6,所以 deg⁡(v3)=4\deg(v_3)=4。
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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 AA, AT+AA^T+A is always symmetric.

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核心觀念

矩陣 MM 為對稱矩陣的定義是 MT=MM^T=M。轉置具有以下性質:

(X+Y)T=XT+YT,(XT)T=X(X+Y)^T=X^T+Y^T,\qquad (X^T)^T=X

解題方法

令 M=AT+AM=A^T+A。對 MM 取轉置:

MT=(AT+A)T=(AT)T+AT=A+AT=AT+A=MM^T=(A^T+A)^T=(A^T)^T+A^T=A+A^T=A^T+A=M
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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 AA, if Ax=0Ax=0 has a non-zero solution, then AA 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 AA 可逆,且 Ax=0Ax=0,兩邊左乘 A−1A^{-1} 可得

x=A−10=0。x=A^{-1}0=0。

因此,若 Ax=0Ax=0 存在非零解,表示 AA 的零空間不只包含零向量,AA 必定不可逆。

解題方法

題目給定存在非零向量 xx 使得 Ax=0Ax=0。假設 AA 可逆,則左乘 A−1A^{-1}:

A−1Ax=A−10A^{-1}Ax=A^{-1}0 x=0。x=0。
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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) {(0,0,0)}\{(0,0,0)\} is the orthogonal complement of R3\mathbb{R}^3 in R3\mathbb{R}^3.

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核心觀念

集合 SS 在 R3\mathbb{R}^3 中的正交補空間定義為

S⊥={x∈R3:x⋅s=0,對所有 s∈S}.S^\perp=\{x\in\mathbb{R}^3:x\cdot s=0\text{,對所有 }s\in S\}.

也就是說,S⊥S^\perp 中的向量必須與 SS 裡的每一個向量都垂直。

解題方法

令 x=(a,b,c)∈R3x=(a,b,c)\in\mathbb{R}^3。若 x∈(R3)⊥x\in(\mathbb{R}^3)^\perp,則 xx 必須與 R3\mathbb{R}^3 中所有向量垂直,特別是要與自己垂直。因此

x⋅x=a2+b2+c2=0.x\cdot x=a^2+b^2+c^2=0.
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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 AA be an m×nm\times n real matrix, where m≤nm\le n, with full row rank. Ax=bAx=b has either 0 or 1 solution.

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核心觀念

「滿列秩」表示 AA 的列向量線性獨立,因此 rank⁡(A)=m\operatorname{rank}(A)=m。由於 AA 有 mm 列,這也代表線性映射 x↦Axx\mapsto Ax 的值域是 Rm\mathbb{R}^m,所以對任何 b∈Rmb\in\mathbb{R}^m,方程 Ax=bAx=b 至少有一個解。

解的個數則由零空間決定。秩-零度定理給出:

dim⁡(ker⁡A)=n−rank⁡(A)=n−m.\dim(\ker A)=n-\operatorname{rank}(A)=n-m.

解題方法

若 x0x_0 是 Ax=bAx=b 的一個解,所有解都可寫成 x=x0+zx=x_0+z,其中 z∈ker⁡Az\in\ker A。因此:

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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 vv be a vector in SS and uu be a vector such that ⟨u,v⟩≥0\langle u,v\rangle\ge 0. Then u∈S⊥u\in S^\perp.

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核心觀念

集合 SS 的正交補空間定義為

S⊥={x:⟨x,s⟩=0,對每個 s∈S}.S^\perp=\{x:\langle x,s\rangle=0\text{,對每個 }s\in S\}.

因此,要判斷 u∈S⊥u\in S^\perp,必須確認 uu 與 SS 中每一個向量的內積都等於 00。題目只給定 uu 與某個 v∈Sv\in S 的內積非負,條件不足以推出 u∈S⊥u\in S^\perp。

解題方法

取 R2\mathbb{R}^2 中的例子:

S=span⁡{(1,0)},v=(1,0),u=(1,0).S=\operatorname{span}\{(1,0)\},\qquad v=(1,0),\qquad u=(1,0).

此時 v∈Sv\in S,且

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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 AA be a symmetric matrix. C(AT)C(A^T) and N(AT)N(A^T) are orthogonal complements.

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核心觀念

對實矩陣 AA,有基本關係:

C(AT)⊥=N(A)C(A^T)^\perp=N(A)

也就是 ATA^T 的行空間,與 AA 的零空間互為正交補空間。題目另給 AA 為對稱矩陣,因此 AT=AA^T=A,從而 N(AT)=N(A)N(A^T)=N(A)。

解題方法

任取 x∈N(AT)x\in N(A^T),則 ATx=0A^Tx=0。對任意 y∈C(AT)y\in C(A^T),存在向量 zz 使得 y=ATzy=A^Tz。因此:

yTx=(ATz)Tx=zTAx=0y^Tx=(A^Tz)^Tx=z^TAx=0
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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 u1,…,unu_1,\ldots,u_n be linearly dependent. Then u1,…,un−1u_1,\ldots,u_{n-1} are linearly dependent.

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核心觀念

向量組 u1,…,uku_1,\ldots,u_k 線性相依,表示存在不全為 00 的係數 c1,…,ckc_1,\ldots,c_k,使得

c1u1+⋯+ckuk=0.c_1u_1+\cdots+c_ku_k=0.

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 u1,…,un−1u_1,\ldots,u_{n-1} 線性獨立,並令 un=u1u_n=u_1。則全體向量滿足

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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 UU be a subspace of a vector space VV. Then (U⊥)⊥=U(U^\perp)^\perp=U.

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核心觀念

正交補空間定義為

U⊥={v∈V:⟨v,u⟩=0,對所有 u∈U}.U^\perp=\{v\in V:\langle v,u\rangle=0\text{,對所有 }u\in U\}.

因此,題目中的 VV 必須帶有內積。有限維內積空間中,任意子空間 UU 都滿足 (U⊥)⊥=U(U^\perp)^\perp=U;但若 VV 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 VV 是有限維,因此檢查無限維內積空間中是否有反例。取

V=ℓ2,U=c00,V=\ell^2,\qquad U=c_{00},

其中 ℓ2\ell^2 是平方可和序列所成的內積空間,c00c_{00} 是只有有限個非零項的序列所成的子空間。

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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 AA is equal to the column space of ATAA^TA.

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核心觀念

對實矩陣 AA,ATAA^T A 是對稱矩陣,且對任意向量 xx,

xTATAx=(Ax)T(Ax)=∥Ax∥2.x^T A^T A x=(Ax)^T(Ax)=\|Ax\|^2.

因此,ATAx=0A^T A x=0 恰好對應 Ax=0Ax=0,也就是

N(ATA)=N(A).\mathcal{N}(A^T A)=\mathcal{N}(A).

但題目比較的是 N(A)\mathcal{N}(A) 與 ATAA^T A 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,

Col⁡(ATA)=Row⁡(A)=N(A)⊥.\operatorname{Col}(A^T A)=\operatorname{Row}(A)=\mathcal{N}(A)^\perp.

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 A=[1]A=[1]:

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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 AA and BB be n×nn\times n real matrices. Then rank⁡(AB)≤min⁡(rank⁡(A),rank⁡(B))\operatorname{rank}(AB)\le \min(\operatorname{rank}(A),\operatorname{rank}(B)).

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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,ABAB 表示先由 BB 映射,再由 AA 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 ABAB 的欄空間。ABAB 的每一欄都是 AA 乘上一個向量,因此都屬於 AA 的欄空間。故

Col⁡(AB)⊆Col⁡(A),rank⁡(AB)≤rank⁡(A).\operatorname{Col}(AB)\subseteq \operatorname{Col}(A), \qquad \operatorname{rank}(AB)\le \operatorname{rank}(A).

再把 BB 的欄空間記為 Col⁡(B)\operatorname{Col}(B)。ABAB 的欄空間就是 AA 作用於 Col⁡(B)\operatorname{Col}(B) 所得的像;線性映射不能增加空間維度,因此

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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 WW be a subspace of Rn\mathbb{R}^n and W⊥W^\perp denotes its orthogonal complement. If W1W_1 is a subspace of Rn\mathbb{R}^n such that x∈W1x\in W_1, then xTu=0x^Tu=0 for all u∈W⊥u\in W^\perp. Justify whether the following statements are true or false:

(i) dim⁡(W1⊥)≤dim⁡(W⊥)\dim(W_1^\perp)\le \dim(W^\perp)

(ii) dim⁡(W1⊥)≤dim⁡(W)\dim(W_1^\perp)\le \dim(W)

(iii) dim⁡(W1⊥)≥dim⁡(W)\dim(W_1^\perp)\ge \dim(W)

(iv) dim⁡(W1⊥)≥dim⁡(W⊥)\dim(W_1^\perp)\ge \dim(W^\perp)

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這一題的完整詳解

核心觀念

在 Rn\mathbb{R}^n 中,子空間 WW 的正交補空間定義為

W⊥={y∈Rn:yTu=0 對所有 u∈W}.W^\perp=\{y\in\mathbb{R}^n:y^Tu=0\text{ 對所有 }u\in W\}.

有限維內積空間滿足

(W⊥)⊥=W,dim⁡(W⊥)=n−dim⁡(W).(W^\perp)^\perp=W,\qquad \dim(W^\perp)=n-\dim(W).

題目條件表示 W1W_1 中每個向量都與 W⊥W^\perp 正交,因此 W1⊆(W⊥)⊥=WW_1\subseteq (W^\perp)^\perp=W。子空間包含關係取正交補後會反向,故 W⊥⊆W1⊥W^\perp\subseteq W_1^\perp,進而

dim⁡(W1⊥)≥dim⁡(W⊥).\dim(W_1^\perp)\ge \dim(W^\perp).

解題方法

由 W1⊆WW_1\subseteq W,可知 dim⁡(W1)≤dim⁡(W)\dim(W_1)\le\dim(W)。利用正交補空間的維度公式:

dim⁡(W1⊥)=n−dim⁡(W1)≥n−dim⁡(W)=dim⁡(W⊥).\dim(W_1^\perp)=n-\dim(W_1)\ge n-\dim(W)=\dim(W^\perp).

此條件只能直接比較 dim⁡(W1⊥)\dim(W_1^\perp) 與 dim⁡(W⊥)\dim(W^\perp)。它不保證 dim⁡(W1⊥)\dim(W_1^\perp) 與 dim⁡(W)\dim(W) 的大小關係。

選項分析

(i) dim⁡(W1⊥)≤dim⁡(W⊥)\dim(W_1^\perp)\le \dim(W^\perp):錯誤。已知的是 dim⁡(W1⊥)≥dim⁡(W⊥)\dim(W_1^\perp)\ge\dim(W^\perp)。

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第 9-(b) 題3 分

(correct: 3; incorrect: -1; unanswered: 0) Let AA be a 7×57\times 5 matrix with rank⁡(A)=5\operatorname{rank}(A)=5. Justify whether the following statements are true or false:

(i) There exists at least one b∈R7b\in\mathbb{R}^7 such that Ax=bAx=b has infinite number of least squares solutions.

(ii) For any b∈R7b\in\mathbb{R}^7, Ax=bAx=b has infinite number of solution.

(iii) There exists at least one b∈R7b\in\mathbb{R}^7 such that Ax=bAx=b has a unique least square solution.

(iv) For any b∈R7b\in\mathbb{R}^7, Ax=bAx=b has a unique solution.

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核心觀念

AA 是 7×57\times 5 矩陣且 rank⁡(A)=5\operatorname{rank}(A)=5,表示 AA 的五個欄向量線性獨立,因此 AA 具有滿列秩,且 Null⁡(A)={0}\operatorname{Null}(A)=\{0\}。

最小平方解是使殘差平方和 ∥Ax−b∥2\|Ax-b\|^2 最小的 xx。其解滿足正規方程

ATAx^=ATb.A^T A\hat{x}=A^T b.

由於 AA 滿列秩,ATAA^T A 可逆,所以對每個 b∈R7b\in\mathbb{R}^7,最小平方解都存在且唯一:

x^=(ATA)−1ATb.\hat{x}=(A^T A)^{-1}A^T b.

精確解 Ax=bAx=b 則只在 b∈Col⁡(A)b\in\operatorname{Col}(A) 時存在。因為 Null⁡(A)={0}\operatorname{Null}(A)=\{0\},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 bb 是否唯一,以及精確解若存在是否唯一。再比較 Col⁡(A)\operatorname{Col}(A) 與 R7\mathbb{R}^7:Col⁡(A)\operatorname{Col}(A) 的維度是 55,小於 77,因此有些 bb 不在欄空間中,對應方程不相容。

選項分析

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第 9-(c) 題3 分

(correct: 3; incorrect: -1; unanswered: 0) Let

B^=[(i)(ii)]∈R2\widehat{B}=\begin{bmatrix}(i)\\(ii)\end{bmatrix}\in\mathbb{R}^2

be the least-squares solution that minimizes ∥Y−XB∥2\|Y-XB\|^2, where

X=[20−1102]andY=[−101].X=\begin{bmatrix} 2&0\\ -1&1\\ 0&2 \end{bmatrix} \quad\text{and}\quad Y=\begin{bmatrix} -1\\ 0\\ 1 \end{bmatrix}.

Find the values of (i)(i) and (ii)(ii).

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核心觀念

最小平方法要找 B^\widehat{B},使殘差平方和 ∥Y−XB∥2\|Y-XB\|^2 最小。其解滿足正規方程:

XTXB^=XTYX^{T}X\widehat{B}=X^{T}Y

本題的 XX 兩欄線性獨立,因此 XTXX^{T}X 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:

XTX=[2−10012][20−1102]=[5−1−15]X^{T}X= \begin{bmatrix} 2&-1&0\\ 0&1&2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 2&0\\ -1&1\\ 0&2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 5&-1\\ -1&5 \end{bmatrix} XTY=[2−10012][−101]=[−22]X^{T}Y= \begin{bmatrix} 2&-1&0\\ 0&1&2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} -1\\ 0\\ 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -2\\ 2 \end{bmatrix}

因此需解:

[5−1−15][(i)(ii)]=[−22]\begin{bmatrix} 5&-1\\ -1&5 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} (i)\\ (ii) \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -2\\ 2 \end{bmatrix}

矩陣行列式為 25−1=2425-1=24,故其反矩陣為:

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第 9-(d) 題3 分

(correct: 3; incorrect: -1; unanswered: 0) Let

[(i)(ii)]\begin{bmatrix}(i)\\(ii)\end{bmatrix}

be the orthogonal projection of bb onto uu, where

b=[−242−10−10]andu=[2−10].b=\begin{bmatrix} -24&2\\ -10&-10 \end{bmatrix} \quad\text{and}\quad u=\begin{bmatrix} 2\\ -10 \end{bmatrix}.

Find the values of (i)(i) and (ii)(ii).

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核心觀念

向量 bb 在非零向量 uu 張成的直線上的正交投影為

proj⁡ub=uTbuTu u.\operatorname{proj}_{u} b = \frac{u^{T}b}{u^{T}u}\,u.

投影結果必與 uu 平行,且兩者相減後會與 uu 垂直。

解題方法

題面將 bb 寫成 2×22\times2 矩陣,但要求的投影是 2×12\times1 向量,維度不一致。以下依照目標向量的維度,將 bb 解讀為矩陣的第一欄:

b=[−24−10],u=[2−10].b= \begin{bmatrix} -24\\ -10 \end{bmatrix}, \qquad u= \begin{bmatrix} 2\\ -10 \end{bmatrix}.

先計算內積與 uu 的長度平方:

uTb=2(−24)+(−10)(−10)=52,u^T b = 2(-24)+(-10)(-10) = 52, uTu=22+(−10)2=104.u^T u = 2^2+(-10)^2 = 104.

因此投影係數為

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第 9-(e) 題3 分

(correct: 3; incorrect: -1; unanswered: 0) Let

[(i)(ii)(iii)]\begin{bmatrix}(i)\\(ii)\\(iii)\end{bmatrix}

be the closest point to yy in the subspace WW spanned by u1u_1 and u2u_2, where

y=[12−12],u1=[−101],u2=[212].y=\begin{bmatrix} 12\\ -1\\ 2 \end{bmatrix}, \quad u_1=\begin{bmatrix} -1\\ 0\\ 1 \end{bmatrix}, \quad u_2=\begin{bmatrix} 2\\ 1\\ 2 \end{bmatrix}.

Find the values of (i)(i), (ii)(ii), and (iii)(iii).

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核心觀念

在內積空間中,子空間 WW 裡距離 yy 最近的點,是 yy 在 WW 上的正交投影。若 u1,u2u_1,u_2 彼此正交,投影公式為

proj⁡Wy=y⋅u1u1⋅u1u1+y⋅u2u2⋅u2u2.\operatorname{proj}_W y = \frac{y\cdot u_1}{u_1\cdot u_1}u_1 + \frac{y\cdot u_2}{u_2\cdot u_2}u_2.

解題方法

先計算 u1,u2u_1,u_2 的內積:

u1⋅u2=(−1)(2)+(0)(1)+(1)(2)=0.u_1\cdot u_2=(-1)(2)+(0)(1)+(1)(2)=0.

因此 u1,u2u_1,u_2 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 yy 與它們的內積:

u1⋅u1=2,u2⋅u2=9,u_1\cdot u_1=2,\qquad u_2\cdot u_2=9, y⋅u1=(12)(−1)+(−1)(0)+(2)(1)=−10,y\cdot u_1=(12)(-1)+(-1)(0)+(2)(1)=-10, y⋅u2=(12)(2)+(−1)(1)+(2)(2)=27.y\cdot u_2=(12)(2)+(-1)(1)+(2)(2)=27.

所以投影點為

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第 10-(a)-(i) 題1 分

Determine whether the following statement is true or false:

If AA is an invertible matrix, then det⁡(A−1)=[det⁡(A)]−1\det(A^{-1})=[\det(A)]^{-1}.

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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 A,BA,B,

det⁡(AB)=det⁡(A)det⁡(B).\det(AB)=\det(A)\det(B).

此外,若 AA 可逆,則存在反矩陣 A−1A^{-1},且 AA−1=IAA^{-1}=I;單位矩陣的行列式為 det⁡(I)=1\det(I)=1。

解題方法

由 AA−1=IAA^{-1}=I,對等式兩側取行列式,並使用行列式的乘法性質:

det⁡(A)det⁡(A−1)=det⁡(I)=1.\det(A)\det(A^{-1})=\det(I)=1.
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第 10-(a)-(ii) 題1 分

Determine whether the following statement is true or false:

If MM is an n×nn\times n matrix and can be written in the form

M=(ABOC),M=\begin{pmatrix} A&B\\ O&C \end{pmatrix},

where AA, BB, CC, and OO are square matrices, and OO is the zero matrix, then det⁡(M)=det⁡(A)⋅det⁡(C)\det(M)=\det(A)\cdot\det(C).

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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

M=(ABOC),M=\begin{pmatrix} A&B\\ O&C \end{pmatrix},

其中左下角區塊 OO 為零矩陣,則

det⁡(M)=det⁡(A)det⁡(C).\det(M)=\det(A)\det(C).

此公式不要求 AA 或 CC 可逆。

解題方法

設 AA 是 r×rr\times r 矩陣,CC 是 s×ss\times s 矩陣;因此 BB 為 r×sr\times s,OO 為 s×rs\times r。

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第 10-(a)-(iii) 題3 分

Determine the determinant of the following matrix:

[20−1130−10−20214032−1−1−3302031]\begin{bmatrix} 2&0&-1&1&3\\ 0&-1&0&-2&0\\ 2&1&4&0&3\\ 2&-1&-1&-3&3\\ 0&2&0&3&1 \end{bmatrix}

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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 AA。先依序進行不改變行列式的列運算:

R3←R3−R1,R4←R4−R1.R_3\leftarrow R_3-R_1,\qquad R_4\leftarrow R_4-R_1.

得到

det⁡(A)=∣20−1130−10−20015−100−10−4002031∣.\det(A)= \begin{vmatrix} 2&0&-1&1&3\\ 0&-1&0&-2&0\\ 0&1&5&-1&0\\ 0&-1&0&-4&0\\ 0&2&0&3&1 \end{vmatrix}.

第一欄只有第一列非零,沿第一欄展開:

det⁡(A)=2∣−10−2015−10−10−402031∣.\det(A) =2 \begin{vmatrix} -1&0&-2&0\\ 1&5&-1&0\\ -1&0&-4&0\\ 2&0&3&1 \end{vmatrix}.
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第 10-(b) 題10 分

Given a sequence 7,−6,20,−24,64,−96,…7,-6,20,-24,64,-96,\ldots that comes from Gk+3=−2Gk+2+2Gk+1+4GkG_{k+3}=-2G_{k+2}+2G_{k+1}+4G_k for k≥0k\ge 0, with G0=7G_0=7, G1=−6G_1=-6, and G2=20G_2=20. Please find the number G100G_{100}.

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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 Gk=rkG_k=r^k 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 Gk=rkG_k=r^k 代入
Gk+3=−2Gk+2+2Gk+1+4GkG_{k+3}=-2G_{k+2}+2G_{k+1}+4G_k,得到特徵方程

r3+2r2−2r−4=0.r^3+2r^2-2r-4=0.

因式分解為

r3+2r2−2r−4=(r+2)(r2−2)=0,r^3+2r^2-2r-4=(r+2)(r^2-2)=0,

所以特徵根為 −2,2,−2-2,\sqrt{2},-\sqrt{2}。因此通項為

Gk=A(−2)k+B(2)k+C(−2)k.G_k=A(-2)^k+B(\sqrt{2})^k+C(-\sqrt{2})^k.

代入初始值 G0=7G_0=7、G1=−6G_1=-6、G2=20G_2=20:

A+B+C=7,−2A+2(B−C)=−6,4A+2(B+C)=20.\begin{aligned} A+B+C&=7,\\ -2A+\sqrt{2}(B-C)&=-6,\\ 4A+2(B+C)&=20. \end{aligned}
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第 10-(c) 題10 分

Prove generally that eigenvectors of an n×nn\times n matrix corresponding to distinct eigenvalues are linearly independent. Notice that the number of distinct eigenvalues kk is not necessarily equal to nn (i.e. a general case with k≤nk\le n). (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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這一題的完整詳解

【核心觀念】

設 AA 為 n×nn\times n 矩陣,λ1,…,λk\lambda_1,\ldots,\lambda_k 為彼此相異的特徵值。對每個 λi\lambda_i 選取一個非零特徵向量 viv_i,使得 Avi=λiviAv_i=\lambda_i v_i。要證明這些特徵向量線性獨立。

【解題方法】

對特徵值個數 kk 使用數學歸納法。

當 k=1k=1 時,v1v_1 是非零向量,因此線性獨立。

假設對應於任意 k−1k-1 個相異特徵值的特徵向量都線性獨立。考慮

c1v1+c2v2+⋯+ckvk=0.c_1v_1+c_2v_2+\cdots+c_kv_k=0.

在等式兩側作用 A−λkIA-\lambda_k I。由於 (A−λkI)vk=0(A-\lambda_k I)v_k=0,且對 i<ki<k 有 (A−λkI)vi=(λi−λk)vi(A-\lambda_k I)v_i=(\lambda_i-\lambda_k)v_i,因此

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