113 年 國立中山大學電機工程學系碩士班庚組《工程數學甲》
第 1 題
Use the Fourier series analysis equation to calculate the coefficients (when ) for the continuous-time periodic signal
with fundamental frequency .
(A)
(B)
(C)
(D)
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使用複數傅立葉級數係數的定義
第 2 題
Let be a continuous-time periodic signal with fundamental frequency and Fourier coefficients . Given that . Find a relationship between the Fourier series coefficients of and the coefficients .
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
採用複指數型傅立葉級數:
本題使用兩個性質:
-
時間平移
-
時間反轉
解題方法
先處理 :
因此,其傅立葉係數為
再處理 :
令 ,則
因此,其傅立葉係數為
由於
兩者相加後得到
第 3 題
What is the Fourier transform of ?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
採用工程數學常用的傅立葉轉換定義:
本題使用兩個重要公式:
- 基本轉換對:
- 時間平移性質:
題目中的 是以 為基準,向右平移 單位。
解題方法
先令
由於
因此
其傅立葉轉換為
分別計算:
以及
所以
原函數可寫成
根據時間平移性質,
因此
第 4 題
Use the Fourier transform synthesis equation to determine the inverse Fourier transforms of .
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
採用連續時間傅立葉轉換的合成公式:
並使用 Dirac delta 函數的取樣性質:
題目中的三個脈衝分別代表:
- 的直流成分;
- 與 的正、負角頻率成分。
正負頻率脈衝係數相同,會合成餘弦波。
解題方法
代入傅立葉合成公式:
利用 delta 函數的取樣性質,分別計算三項:
因此:
第 5 題
Use the Fourier transform synthesis equation to determine the inverse Fourier transforms of
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
採用連續時間 Fourier transform 的反變換公式:
本題的頻譜在正、負頻率區間大小相等但符號相反。除去 的單一端點外,可視為實數奇函數,因此反變換結果應為「純虛數、奇函數」,可作為驗算依據。
解題方法
將正、負頻率部分配對:
利用
得
第 6 題
What is the Laplace transform of ?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
本題考查單位階躍函數與拉普拉斯轉換定義:
因此, 只在 時有值。拉普拉斯轉換定義為
此外,
所以本題分母應出現 。
解題方法
由於 使函數從 才開始,因此
合併指數:
在收斂條件 下,
因此
第 7 題
Determine the inverse Laplace transform of
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
本題明確給出收斂域 ,因此採用雙邊拉普拉斯轉換。雙邊拉普拉斯轉換中,收斂域會決定時域訊號是右側訊號 或左側訊號 。
常用公式為
以及
因此,同一個代數形式的 ,因收斂域不同,可能對應不同的時域訊號。
解題方法
先將分母因式分解:
故
作部分分式分解:
比較係數得
因此
解得
所以
接著利用收斂域判斷時域方向。兩個極點為 與 ,題目給定
此收斂域位於最右側極點 的右方,表示兩個部分分式都必須採用右側訊號:
因此
選項分析
(A)
第 8 題
One corner of a rectangular parallelepiped is at (1, 1, 1), and three incident sides extend from this point to (-2, 1, 6), (3, 5, 7) and (0, 1, 6). Please identify the volume of this solid.
(A) 20
(B) 40
(C) 18
(D) 42
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核心觀念
由同一頂點伸出的三條邊向量,可用純量三重積求出所張成立體的體積:
其中絕對值是因為體積必須為正值。
解題方法
設共同頂點為
三條邊的終點分別為
因此三條邊向量為
利用行列式:
第二列只有中間元素非零,沿第二列展開:
第 9 題
Consider the wave equation for a string tied to the x-axis at and at . When the string starts to vibrate, the motion takes place in the -plane. Let denote the vertical displacement from the x-axis for and be a real constant. The initial displacement is , and the string is released from rest. Given the product solution , which of the following is/are correct?
(A) The wave equation of this string is elliptic.
(B) All the boundary conditions belong to Dirichlet conditions.
(C) The initial condition yields .
(D) This is referred to as a boundary-value problem.
(E) One of the boundary conditions yields .
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核心觀念
本題考查:
- 二階偏微分方程的分類。
- 固定端點所對應的 Dirichlet 邊界條件。
- 「釋放自靜止」所代表的初始速度條件。
- 邊界值問題與初始—邊界值問題的區別。
- 分離變數法中空間函數與時間函數的條件。
題目稱為波動方程,故 代表波速平方,取 。
解題方法
弦的兩端固定在 軸上,因此端點的垂直位移永遠為零:
初始位移為 ,且弦「釋放自靜止」,表示初始速度為零:
給定分離形式
代入波動方程:
因此
分離變數後可寫成
得到
端點條件則變成
對非零解而言,必須有
這是空間函數的齊次 Dirichlet 邊界條件。
此外,
故初始靜止條件給出
對非平凡分離解而言,得到
選項分析
(A) 錯誤。
將方程改寫為
對一般二階方程
其分類判別式為
本題中
所以
第 10 題
Assume the product solution to the wave equation in Question 9 is found as . If the initial displacement is a sinusoidal wave with the amplitude of and the frequency of , which of the following is/are correct?
(A) There exists a trivial solution.
(B) arbitrary integer.
(C) .
(D) There is no motion at and all other points vibrate vertically over time.
(E) The vertical displacement is reversed () when ,
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已知乘積解
初始位移 為振幅 、頻率 的正弦波,可寫成
與 比對得
(A) 存在平凡解: 總是波動方程的解,故正確。
(B) 為任意整數:根據前題 (Question 9) 的本徵值條件,波數只能是整數倍的基模,故 可任取整数,正確。
(C) :如上推導,得到 ,正確。
第 11 題
Consider the differential equation with the initial condition of , where and are positive real constants. Which of the following is INCORRECT?
(A) This is a linear differential equation.
(B) This is a Bernoulli's equation.
(C) None of the critical points are attractors.
(D) When , .
(E) The solution interval is .
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核心觀念
令
本題考查:
- 線性與非線性微分方程的判別。
- Bernoulli 方程的形式。
- 自治方程臨界點的穩定性。
- Logistic 方程的通解、極限與解的存在區間。
解題方法:求出通解
當 時,令
由
以及 ,得到
因此 滿足線性方程
利用 ,解為
故
令 ,可寫成較熟悉的 Logistic 形式:
若 ,則原方程給出平衡解
臨界點與穩定性
臨界點(平衡解)由 決定:
因此
由
可得
所以 為不穩定的排斥點;而
所以 為穩定吸引子。
也可由方向判斷:
- 時,,解向上增加;
- 時,,解向下減少。
兩種情況皆趨近 。
各選項分析
(A) This is a linear differential equation.
錯誤。
線性一階微分方程只能含有 與 的一次項,例如
本題含有 ,因此原方程是非線性微分方程。雖然利用 可以將其轉換成線性方程,但原方程本身仍然是非線性的。
第 12 題
Given , where , which of the following is correct?
(A) There are two distinct eigenvalues.
(B) The stationary point is a repeller.
(C) All solutions will converge onto the origin.
(D) One of the eigenvalues is .
(E) One of the solution vectors is .
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核心觀念
對線性系統
平衡點由 決定。若矩陣 的所有特徵值實部皆為正,則原點為不穩定螺旋點,亦稱為排斥點(repeller)。
特徵值由
求得;若 為特徵值、 為對應特徵向量,則
為一組解。
解題方法
矩陣為
計算特徵方程:
因此
得
兩個特徵值互異,且實部皆為 。
此外,
所以矩陣指數為
任意實解可表示為
其中旋轉矩陣只改變方向, 使非零解的大小隨時間增長,因此軌跡是向外旋轉的螺旋線。
選項分析
(A) There are two distinct eigenvalues.
正確。特徵值為
兩者不相等,因此有兩個相異特徵值。
第 13 題
Define the matrix as , where and are nonzero vectors in . Which of the following statements are true?
(A) rank(A) may be 2.
(B) is an eigenvector of .
(C) is an eigenvalue of .
(D) The linear equation has infinitely many solutions.
(E) The linear equation with has infinitely many solutions.
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矩陣 為外積形式,故
-
的秩 (因 )
-
任何向量 有
其結果皆為 的比例向量,故 。
(A) 只能是 ,不可能為 。 錯
(B) 為 的比例向量,除非 否則不等於 。一般情形下 不是特徵向量。 錯
第 14 題
Define the matrix as , where is a unit vector in , meaning . Which of the following statements are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) has eigenvalues that are complex with non-zero real components.
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核心觀念
矩陣
稱為 Householder 反射矩陣。本題主要考查:
- 投影矩陣 的性質;
- 正交矩陣的判定;
- 反射矩陣的逆矩陣與特徵值;
- 行列式的計算。
令
由 可得
因此 是投影到 所張成方向的投影矩陣。
解題方法
先計算 :
所以
另外,因為 ,所以
因此 是對稱矩陣,且滿足
選項分析
(A)
由前述計算,
若 ,則必須有 。但
因為 是單位向量,必定為非零向量,所以 。
故 (A) 錯誤。
(B)
因為 ,且 ,所以
因此 是正交矩陣,(B) 正確。
(C)
由
可知 的逆矩陣就是自身:
第 15 題
Let denote the null space of , and denote the range space of . Suppose , , and both and are non-zero. Define . Suppose
Which of the following statements are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
本題考查矩陣四大基本子空間的正交關係:
因為 、,所以
也就是 與 互相垂直。利用
以及正交向量的平方和關係,即可將題目給出的兩個向量長度轉換成聯立方程式。
解題方法
由 ,可設 ;又因為 ,所以 。因此
令
由於 ,
代入 ,得到
同理,
代入 ,得到
解聯立方程式:
由 式,
第 16 題
Let be an orthogonal basis for an inner product space. Suppose , , . If is a vector with the properties , , and the orthogonal projection of onto is , then which of the following statements are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
本題考查正交基底下的:
- 內積計算:。
- 正交投影公式:
- 正交分解的範數公式:
已知
解題方法
由
及基底彼此正交,有
題目給定 ,因此
又因為
題目給定投影為 ,所以
利用正交分解的範數公式:
代入 、、:
第 17 題
Let be a linear transformation, and and be ordered bases for and , respectively. Suppose is the matrix representing relative to and , and
If , then which of the following statements are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
矩陣 表示線性轉換 在定義域基底 與對應域基底 下的表示,滿足
矩陣的第 欄即為 在基底 下的座標。
解題方法
先求向量 在基底 下的座標:
因此
題目給定
所以
第 18 題
Let
Which of the following vectors are in the column space of ?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
對實矩陣 ,有重要關係:
理由是 ,且
因此
兩者秩相同,故其 column space 相同。
所以本題只需判斷各向量是否屬於 。
又因為
可先求 的零空間。
解題方法
令
由 得
因此
由前兩式可得
以及
代入第三式:
所以
令 ,則
因此
故向量
屬於 的充要條件為
第 19 題
Define . Suppose , where and is the semicircle (). Which of the following statements are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
本題考查複變函數的路徑積分:
其中
此路徑是上半圓,方向由 走至 。雖然題目使用 符號,但給定的參數範圍代表一段開放的半圓弧,應依參數直接計算。
解題方法
先將函數拆開:
因此
第一項為端點差:
第二項利用參數式:
所以
第 20 題
Define . Suppose , where and is the positively oriented circle . Which of the following statements are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
本題考查:
- 複數函數的極點位置判斷
- 留數定理
- 正向(逆時針)閉合曲線的積分公式
- 複數實部與虛部的辨認
留數定理為
其中 為曲線 內部的所有孤立奇點。
解題方法
先將函數分解:
因此 的兩個極點為
圓 的圓心為 、半徑為 。
對 :
所以 位於圓內。
對 :
所以 位於圓外。
故圓內只有極點 。
在 的留數為
由於 為正向圓周,套用留數定理: