114 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
Consider the linear system Ax = b, where A = [a1, a2, a3] ∈ R4×3, a1, a2, a3 are column vectors of A, and b ∈ R4 is a non-zero vector. Suppose
a1 + 2a2 = 3a3, a1 + a2 + a3 = b, a2 + 2a3 ≠ 0.
Which of the following statements are true?
(A) The linear system has a finite number of solutions.
(B) rank([A, b]) is equal to rank(A).
(C) The rank of A is less than or equal to 2.
(D) x = [1, 2, 3] is a solution of the linear system.
(E) The vectors a1, a2, a3 are linearly dependent.
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核心觀念
本題使用以下觀念:
- 若存在非零向量 使得 ,則 的欄向量線性相關,且 。
- 線性系統 有解的條件為
等價於 屬於 的欄空間。 - 對有解的 線性系統,若 ,則未知數具有自由變數,因此有無限多組解。
解題方法
由題設
可改寫為
因為
且 ,所以 有非零零空間向量。
此外,由
可得
因此 是一組解,而 是齊次系統 的解,所以
皆滿足 。故系統至少有無限多組解。
選項分析
(A) The linear system has a finite number of solutions.
錯誤。
由
可知 。系統又因 而有解,因此存在自由變數,解的數量為無限多,不是有限多。
第 2 題
Let
Which of the following statements are true?
(A) rank(A) = 2.
(B) trace(A) = 7.
(C) det(A) ≠ 0.
(D) 3 is an eigenvalue of A.
(E) All eigenvalues of A are non-negative.
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解題要點
- 矩陣形狀: 為 矩陣,非方陣。
- 秩 (rank):觀察行向量
、、 完全相同,僅提供一個獨立向量; 與 不成比例,故線性獨立向量共兩個。
- 跡 (trace):跡僅對方陣定義, 不是方陣,故不可計算,陳述「」為 錯誤。
第 3 題
Let
where are column vectors of A ∈ R3×3, and Q ∈ R3×3 is an orthogonal matrix, i.e., is the identity matrix. Which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查 QR 分解與正交矩陣保內積的性質。由
可得
因此, 的欄向量內積可直接由 的欄向量計算,不必知道 的具體內容。
設 的欄向量為 ,則
且
解題方法
題目給定
其三個欄向量為
所以
第 4 題
Let
where are column vectors of A. Let be the orthogonal projection of onto span(), and . Which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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觀念核心:正交投影與正規方程式
向量 在 上的正交投影向量 可表示為 的線性組合:
由正交性可知 且 ,建立正規方程式(Normal Equations):
計算步驟
1. 計算內積
根據 、、:
第 5 題
Let , , and A is a non-zero matrix. Which of the following statements are true?
(A) trace(A) ≠ 0.
(B) det(A) = 1.
(C) rank(A) = n.
(D) If n = 3, then trace(A) ≤ 3.
(E) All eigenvalues of A are real numbers.
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核心觀念
由 可知 是正交矩陣。取行列式得
因此
所以 可逆,且由 得
正交矩陣具有以下性質:
- 。
- 每一列、每一行皆為單位向量。
- 。
- 所有特徵值的絕對值皆為 ,但不一定是實數。
解題方法
先由 判斷 為正交矩陣,再分別利用行列式、秩、對角元素及特徵值性質檢查各選項。
選項分析
(A) :錯誤
正交矩陣的跡不一定非零。考慮
則
但
因此不能保證 。
(B) :錯誤
由
只能得到
不能限定一定等於 。例如
滿足 ,但
(C) :正確
由上式可知
第 6 題
Let A ∈ R<sup>m×n</sup>, where R(A) denotes the column space of A, N(A) denotes the null space of A, and dim(S) denotes the dimension of a subspace S. Which of the following statements are true?
(A) If A has linearly independent columns, then A<sup>T</sup>A is nonsingular.
(B) rank(A<sup>T</sup>) + dim(N(A<sup>T</sup>)) = m.
(C) R(AA<sup>T</sup>) = R(A<sup>T</sup>A).
(D) If AA<sup>T</sup> is nonsingular, then A<sup>T</sup>A is also nonsingular.
(E) It is possible for a matrix A to have [3, 4, 5]<sup>T</sup> in R(A) and [1, -1, 2]<sup>T</sup> in N(A<sup>T</sup>).
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核心觀念
本題主要考查以下四個觀念:
-
對任意 ,
因此
-
對任意 ,
因此
-
秩-零度定理:
-
基本正交關係:
也就是說, 中的每一個向量,都必須和 中的每一個向量正交。
解題方法
(A)、(D) 使用 與 的零空間及二次型判斷是否非奇異。
(B) 直接套用秩-零度定理,注意 的定義域是 。
(C) 比較兩個乘積矩陣的列空間,並檢查其所在的向量空間與一般反例。
(E) 使用 ,檢查題目給出的兩個向量是否正交。
選項分析
(A) 正確
若 的欄向量線性獨立,則
欲證 非奇異,設
左乘 :
因此 。由於 ,可得 。
所以
而 是方陣,因此 非奇異。
亦可表示為: 欄向量線性獨立 ,所以 為正定矩陣。
(B) 正確
矩陣 為 ,因此
對線性映射 套用秩-零度定理:
右側是 的定義域 的維度,因此此敘述正確。
(C) 錯誤
一般而言,
而
因此兩者分別對應於 的欄空間與 的欄空間。當 是 矩陣時,
- ;
- 。
當 時,兩者甚至位於不同的向量空間。
即使 ,兩者也不一定相等。例如取
則
第 7 題
Find the inverse Laplace transform of .
(A)
(B)
(C)
(D)
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第 8 題
Which of the following is wrong?
(A) The Fourier transform of a rectangular pulse of width T and height 1 is .
(B) The Fourier transform of (unit step function) is .
(C) If is odd, its Fourier series contains only sine terms.
(D) The initial value theorem for the Laplace transform is .
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核心觀念
本題綜合考查:
- 矩形脈衝的傅立葉轉換。
- 單位階躍函數的傅立葉轉換。
- 奇函數的傅立葉級數性質。
- 拉普拉斯轉換的初值定理。
採用工程上常用的傅立葉轉換定義:
並令
解題方法
逐一檢查各選項的標準公式與適用條件,即可找出錯誤敘述。
選項分析
(A) 正確
設矩形脈衝以原點為中心:
其傅立葉轉換為
因此
整理得
所以 (A) 正確。若矩形脈衝不是以原點為中心,傅立葉轉換還會多一個相位因子,但題目採用的是標準置中脈衝形式。
(B) 錯誤
單位階躍函數的傅立葉轉換不是只有 ,完整結果為
其中 表示柯西主值。工程上常將主值符號省略,寫成
也可由
推得:
第 9 題
Which of the following statements about the Gibbs phenomenon is wrong?
(A) It occurs near discontinuities when approximating a function using its Fourier series.
(B) The oscillatory behavior in the Gibbs phenomenon disappears completely as more terms are added to the Fourier series.
(C) The Gibbs phenomenon results in a characteristic overshoot near discontinuities, even with a large number of terms.
(D) The oscillations caused by the Gibbs phenomenon become narrower as more terms are included.
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核心觀念
本題考查傅立葉級數逼近不連續函數時的 Gibbs phenomenon(吉布斯現象)。
對週期函數 ,其傅立葉級數的第 階部分和為
若 為分段光滑函數,依 Dirichlet 收斂定理:
- 在連續點 ,有 。
- 在跳躍不連續點 ,有
然而, 在不連續點附近會出現持續的振盪與超越,這種現象就是 Gibbs phenomenon。
其重要特徵是:
- 超越量不會隨 增加而完全消失。
- 超越區域會逐漸變窄。
- 超越量約為跳躍量的 ,通常概略記為 。
若跳躍量為
則極限超越量約為
解題方法
判斷 Gibbs phenomenon 的關鍵是分清楚「振盪幅度」與「振盪範圍」:
- 增加傅立葉級數項數時,振盪範圍會縮小。
- 但靠近跳躍點的最大超越幅度仍維持約跳躍量的 。
- 因此,傅立葉級數會逐點收斂,但在不連續點附近並非一致收斂。
以方波為例:
其傅立葉級數為
在 附近,函數由 跳躍至 ,跳躍量為
第 10 題
Suppose we are given the following information about a signal x[n]:
a. x[n] is a real and even signal.
b. x[n] has period N=10 and Fourier coefficients a_k.
c. a_{11} = 5.
d. .
Show that x[n] = A cos(Bn + C), and specify numerical values for the constants A, B, and C.
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由條件 (a) 可知 為實值偶信號,故其離散時間傅立葉級數只能含餘弦項
條件 (c) 給予 。因週期 ,指數係數以模 為底,故
偶性使 為實數且 ,故唯一非零的係數為 (其他 必為零,否則會使能量超過給定值,見下式)。
根據 Parseval 定理(採用 為未正規化傅立葉係數的慣例),
代入條件 (d) 與 ,得
已知 ,若僅有 不為零,則
第 11 題
What is the Fourier transform of ?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
採用傅立葉轉換定義
利用單位脈衝函數的取樣性質:
因此有基本轉換對:
解題方法
題目給定
先將第一項改寫為
表示脈衝位置為 ;第二項的位置為 。
直接套用轉換公式:
由 Euler 公式
第 12 題
The Fourier transform X(ejω) of the discrete-time signal x[n] = cos() is:
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
本題考查離散時間傅立葉轉換(DTFT):
重要性質為
離散時間訊號的 DTFT 必定以 為週期,因此頻域中的脈衝必須包含所有 的週期性 replicas。
解題方法
利用 Euler 公式:
因此
分別套用 DTFT 對偶關係:
乘上各自的係數 ,得到
第 13 題
The solution to the differential equation with and , using the Laplace transform, is given by:
.
where * denotes convolution. What are the correct values of A, B, C, and D?
(A)
(B)
(C)
(D)
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先將微分方程以拉普拉斯變換求解
代入初值 得
把每一項分解為部分分式:
比較分子係數:
第 14 題7 分
(7%) Magnetic resonance imaging is a medical imaging technique that uses macroscopic nuclear magnetization (M) of hydrogen in human tissues as its signal source. According to the well-known Bloch equation, the longitudinal magnetization M₂(t) follows the differential equation
where is the steady-state nuclear magnetization, and presents the longitudinal relaxation time, which is a tissue-dependent constant. Assume that an excitation pulse is applied to the magnetization right before t = 0 to remove M₂ completely; in other words, . Find on the interval .
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核心觀念
本題考查一階線性微分方程,以及磁共振中的縱向弛豫。方程式為
其中 、 為常數,且初始條件為 。題目中的 應為 的排版誤植。
當 時,,表示縱向磁化量會逐漸恢復至平衡值 。
解題方法
將未知函數改寫為「距離平衡值的差」:
因為 為常數,所以
代入原微分方程:
分離變數得
積分後得到
因此
第 15 題8 分
(8%) Use separation of variables to find the product solution of u(x, y), which satisfies
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核心觀念
本題考查偏微分方程的變數分離法。設解具有乘積形式
其中 僅依賴 , 僅依賴 。原方程定義於 的區域。
解題方法
由
代入原方程:
兩邊乘以 ,得
對非零乘積解除以 :
左側只含 ,右側只含 ,因此兩者必為同一分離常數,令其為 :
分別積分:
所以
同理,
因此
合併常數 ,得到乘積解
第 16 題10 分
(10%) Given that an 3D object is enclosed by a surface and the xy plane (i.e., ), where .
(1) (4%) Find the normal vector over the surface of this object. Note that the normal vector should be provided in the form of a unit vector here.
(2) (6%) What is the surface area of this object?
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核心觀念
曲面 在任一點的梯度向量 垂直於該曲面,因此單位法向量為
本題的封閉邊界由兩部分組成:
- 拋物面 ;
- 平面上的底面圓盤。
由 得
與 相交時,
所以底面投影區域為半徑 的圓盤。
解題方法
(1)曲面的單位外法向量
計算 的梯度:
其長度為
因此,曲面 的單位法向量為
題目若採用封閉立體的「外法向量」,立體位於 的一側,因此外法向量取梯度方向:
底面 的立體位於平面上方,所以其單位外法向量為
(2)封閉立體的表面積
曲面 的面積
對圖形 ,表面面積公式為
其中
故
而
改用極座標
第 17 題10 分
(10%) Given that z is a complex variable and represents its complex conjugate.
(1) (2%) Sketch the set of points determined by on the complex plane.
(2) (8%) Let C be the contour of your answer in (1) in a positive sense. Solve
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核心觀念
本題考查:
- 複數共軛與模長的關係:
- 複平面上的圓形軌跡。
- 正向繞行代表逆時針方向。
- 留數定理:
(1) 軌跡
令
則
因此條件 等價於
這是複平面上以原點為圓心、半徑 的圓。
其與坐標軸交點為
所以
(2) 複變線積分
被積函數為
其奇點為
兩個奇點的模長皆為 ,而曲線 的半徑為 ,因此
故兩個極點皆位於 內部,且沒有奇點落在曲線上。
曲線採正向,即逆時針方向。由留數定理,