111 年 國立中山大學電機工程學系碩士班乙組《工程數學乙》
第 1 題
Let A and B be matrices in . Which of the following statements are true?
(A) .
(B) If , then .
(C) If , then .
(D) If two rows of A are equal, then .
(E) If , then A and B have the same rank.
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核心觀念
本題考查行列式、正交矩陣與矩陣秩的基本性質:
-
對任意 矩陣 ,
-
轉置不改變行列式:
-
若 ,則 為正交矩陣,且
-
行列式具有交錯性:若矩陣有兩列相同,則行列式為 。
-
矩陣可逆當且僅當行列式不為 ;但行列式為 時,只能確定矩陣不是滿秩,無法由行列式判斷具體秩。
解題方法
逐一套用上述定理,並以簡單矩陣作為反例檢驗「是否必然成立」。選擇題中的敘述若存在一個符合條件但不符合結論的矩陣,即可判定為錯誤。
選項分析
(A)
由
可得
因此只有在 為奇數時,才有
題目未限制 為奇數,故此敘述一般不成立。例如取 、:
但
因此 (A) 錯誤。
(B) 若 ,則
由 取行列式:
利用行列式乘法公式與轉置性質:
所以只能得到
不能必然等於 。
例如取
則
但
因此 (B) 錯誤。
(C) 若 ,則
第 2 題
Let and its eigenvalues are , and , where and are distinct eigenvalues. Suppose the dimension of is 1, where denotes the null space of . Which of the following statements are true?
(A) must be a real number (not a complex number).
(B) must be a real number (not a complex number).
(C) The dimension of equals 1.
(D) A is diagonalizable.
(E) A has two linearly independent eigenvectors corresponding to .
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核心觀念
題目給出的特徵值為 ,因此:
- 的代數重數為 ;
- 的代數重數為 ;
- 。
特徵空間為
其維度稱為幾何重數,且對任何特徵值皆有
此外,實矩陣的特徵多項式具有實係數,因此非實特徵值必須以共軛成對出現,且代數重數相同。
解題方法
令特徵多項式為
因為 是實矩陣, 為實係數多項式。
若 是非實數,則其共軛 也必須是特徵值,而且代數重數同樣為 。但題目中除了 外,只有代數重數為 的 ,不可能容納一個代數重數為 的不同共軛特徵值。因此 必為實數。
既然 為實數,剩下的特徵值 也必須為實數;否則非實的 必須和 成對出現,但題目只剩一個一次特徵值的位置,無法形成共軛對。
再由題設
因此 的幾何重數為 ,小於其代數重數 。至於 的代數重數為 ,故
得到
選項分析
第 3 題
Let . Consider the linear equation or the homogeneous linear equation . Which of the following statements are true?
(A) If , then has at least one solution for any .
(B) If , then has only the trivial solution .
(C) If , then has at most one solution for any .
(D) If and , then has infinitely many solutions.
(E) If and , then has infinitely many solutions.
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核心觀念
設 ,則線性映射為
本題主要使用以下三個觀念:
-
滿列秩與滿行秩
- : 滿行秩,代表其欄空間為 ,因此對任意 ,方程 必有解。
- : 滿列秩,代表零空間只有零向量,因此 只有平凡解。
-
秩-零度定理
其中 是齊次方程 的解空間維度。因此
- 非齊次方程解的唯一性
若 都滿足 ,則
因此,若 只有零解,則 不可能有兩個不同解,也就是至多一解。
解題方法
先分別判斷兩種秩條件對零空間與方程可解性的影響:
- 時,
若 ,零空間維度為正,因此有無限多個齊次解。
- 時,
因此 只有 ,且任何 至多有一解。
選項分析
(A) 正確
若 ,則 的欄空間維度為 。由於欄空間是 的子空間,故
因此任意 都屬於 的欄空間,方程
對每個 至少有一組解。故 (A) 正確。
(B) 錯誤
由秩-零度定理,
並不保證 。當 時,
所以 的解空間維度大於 ,具有無限多組解。
例如
第 4 題
Let A and B be square matrices. Suppose that A is similar to B, that is, for some nonsingular matrix P. Which of the following statements are true?
(A) If x is an eigenvector of B, then x is also an eigenvector of A.
(B) If y is in the column space of B, then y is also in the column space of A.
(C) .
(D) A - I is similar to B - I.
(E) is similar to .
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核心觀念
本題考查矩陣的相似關係及其保有的性質。若
其中 為可逆矩陣,則稱 與 相似。相似矩陣具有相同的特徵值、行列式、跡與秩,但其特徵向量與欄空間不必相同。
解題方法
逐一判斷各敘述是否為所有相似矩陣都必然具備的性質:
- 特徵向量會隨可逆變換 改變。
- 欄空間只保證維度相同,不保證集合本身相同。
- 跡具有循環置換不變性。
- 相似關係可透過多項式與矩陣次方保留。
選項分析
(A) 錯誤
若 是 的特徵向量,則存在特徵值 使得
代入 :
兩邊左乘 ,得到
因此真正能保證的是 為 的特徵向量,而不是 本身。除非 恰好不改變該向量,否則 不必是 的特徵向量。
例如取
則
向量
滿足
所以是 的特徵向量;但
並非 的倍數,因此 不是 的特徵向量。
(B) 錯誤
由
可知
因此相似矩陣的欄空間通常只是經過可逆線性變換後互相對應,並不代表兩者欄空間相同。相似矩陣只能保證
不能保證每一個屬於 的向量也屬於 。
例如取
計算得
第 5 題
Let , denotes the column space of , denotes the null space of , and denotes the dimension of a subspace S. Which of the following statements are true?
(A) If , then .
(B) If , then .
(C) .
(D) It is possible for a matrix A to have in and in .
(E) Let . If , where and , then and .
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核心觀念
對 ,四個基本子空間具有以下正交關係:
因此:
- 與 互為正交補空間;
- 與 互為正交補空間;
- ;
- 秩-零度定理給出
此外,對實矩陣而言:
選項分析
(A)正確
先證明 。
因為對任意 ,
所以 必定是 的某個欄向量線性組合,故
另一方面,若 ,則
左乘 :
而
因此 ,得到 。所以
利用基本子空間關係:
因此若 ,必有 ,選項(A)正確。
(B)正確
若 ,按照零空間定義,
因此
所以
選項(B)正確。
事實上還可以證明兩者相等。若 ,則
故 ,因此
(C)錯誤
由秩-零度定理,
對 使用同一定理:
所以題目左右兩邊實際上分別等於 與 ,不一定相等。
例如取
此時
第 6 題
Let
.
Which of the following vectors are in the column space of A?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
矩陣 的 column space 定義為其所有欄向量的線性組合:
因為 是 矩陣,所以
若能找出 個線性獨立的欄向量,則 。此時 column space 是 中維度為 的子空間,因此
解題方法
取 的前三個欄向量形成矩陣
計算其行列式:
因此 可逆,前三個欄向量線性獨立,故
另一方面, 只有 列,所以 。因此
所以
選項分析
第 7 題
Let u and v be two vectors in an inner product space V, and p is the orthogonal projection of u onto v. Define . Which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D) p = u implies
(E)
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核心觀念
本題考查「正交投影」與「勾股定理」。
將 正交投影到由 所張成的直線上,所得投影向量為 ,因此具有:
- ;
- ;
- 因為 是 的倍數,所以 ;
- 向量分解為
假設 ,在實內積空間中,
由於 與 互相正交,故有畢氏定理:
解題方法
直接利用正交分解
以及
其中,三個向量長度之間的關係為:
- 投影長度不超過原向量長度;
- 與 為直角兩股;
- 為斜邊;
- 三角不等式可提供另一個長度關係。
選項分析
(A)
由勾股定理,
因為 ,所以
兩邊皆為非負數,得到
因此 (A) 正確。
(B)
正交投影的誤差長度 不一定大於投影長度 ,兩者大小取決於 與 的方向。
例如取 ,則 完全落在 上,因此
此時
所以
因此此不等式並非對所有情況成立,(B) 錯誤。
第 8 題
Suppose that vectors x and y in satisfy for some with . Which of the following options are possible?
(A) , .
(B) , .
(C) , .
(D) , .
(E) , .
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核心觀念
由 可知 是正交矩陣。正交矩陣保持向量的長度,因此若 ,必須滿足
所以判斷條件為
此外,在 中,只要兩個向量長度相同,就能取一個正交矩陣將其中一個映射到另一個,因此此條件也是充分條件。
解題方法
逐一計算各選項中 與 的平方長度:
兩者相等即可判定為可能。
選項分析
(A)
兩者長度相同,因此存在正交矩陣 使得 。
(A) 正確。
(B)
兩者長度不同,正交矩陣無法改變向量長度。
(B) 錯誤。
(C)
第 9 題
Let L be the operator on (the set of polynomials of degree less than 3) defined by , where denotes the derivative of with respect to x. Find the matrix A representing L with respect to . Denote the last two rows of A by and , respectively. Which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
對基底 ,線性算子 的表示矩陣 滿足:
其中矩陣的第 欄為 。
因為 表示次數小於 的多項式,所以可設
則
因此
解題方法
令
第一欄:計算
由 ,得
所以
將 表示成基底 的線性組合:
比較各次方係數:
得到
解得
故
第二欄:計算
由 ,得
因此
所以
第 10 題
Let be the set of all symmetric matrices. Then is a subspace of . Suppose that and are two bases of , where
, ,
, ,
Let S be the transition matrix from E to F. Denote the first two rows of S by and , respectively. Which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
將 對稱矩陣 同構映射至三維空間座標向量 。
基底 與 之向量表示分別為:
由基底 至基底 之轉移矩陣(Transition Matrix) 定義為滿足 之矩陣,其第 行為 ,即滿足關係式:
寫成矩陣形式:
其中 , 。
詳細推導與計算
考慮函數 ( 代表實數所成之集合)及 Laplace 轉換 ,定義為:
第 11 題3 分
令 ,。請問 等於哪個函數?
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第 12 題3 分
令 ,。請問 等於哪個函數?
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第 13 題3 分
令 ,且 。請問 是哪個函數的 Laplace 轉換?
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第 14 題3 分
令 。請問 是哪個函數的 Laplace 轉換?
在這裡, 代表函數 與函數 的 convolution。
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考慮線性微分方程式:
第 15 題3 分
令 。請問當參數 與 滿足甚麼條件的情況下,給予任何非零初值 ,方程式的解 都不會發散?
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第 16 題3 分
令 。請問當參數 與 滿足甚麼條件的情況下,給予任何非零初值 ,方程式的解 都會發散?
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第 17 題3 分
令 。請問當參數 與 滿足甚麼條件的情況下,給予任何非零初值 ,方程式的解 都會收斂到 ?
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第 18 題3 分
令 ,。請列出所有會讓方程式的解收斂到 的非零初值。
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第 19 題3 分
令 ,。請列出所有會讓方程式的解發散的 函數。
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第 20 題3 分
令 ,,。請問 之值為何,會讓本方程式之解有最大振幅?
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第 21 題20 分
考慮聯立微分方程組:
其中 皆為正數。令
(a)(10 分)令 所滿足之微分方程式的特徵方程式的根為 。請證明 為矩陣 之特徵值。
(b)(10 分)請推導 須滿足之條件,來讓微分方程組的解在給定任何初值的情況下都不會發散。
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