115 年 國立中山大學電機工程學系碩士班乙組《工程數學乙》

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第 1 題

Let a1,a2,a3,a4,d∈Rna_1, a_2, a_3, a_4, d \in \mathbb{R}^n. Define the matrices
B=[a1,a2,a3]∈Rn×3B = [a_1, a_2, a_3] \in \mathbb{R}^{n \times 3}, C=[a1,a2,a3,a4]∈Rn×4C = [a_1, a_2, a_3, a_4] \in \mathbb{R}^{n \times 4}.
Assume that the linear system Bx=dBx = d has no solution for x∈R3x \in \mathbb{R}^3, and the linear system Cy=dCy = d has at least one solution for y∈R4y \in \mathbb{R}^4. Let [B,d]=[a1,a2,a3,d]∈Rn×4[B, d] = [a_1, a_2, a_3, d] \in \mathbb{R}^{n \times 4}. Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) The set {a4,d}\{a_4, d\} is linearly dependent.
(B) The set {a1,a2,a3,d}\{a_1, a_2, a_3, d\} is linearly dependent.
(C) The set {a1,a2,a3,a4}\{a_1, a_2, a_3, a_4\} is linearly independent.
(D) rank(C)>rank(B)\text{rank}(C) > \text{rank}(B).
(E) rank(C)=rank([B,d])\text{rank}(C) = \text{rank}([B, d]).

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核心推論

  • Bx=dBx=d 無解 ⇒ d∉span⁡{a1,a2,a3}d\notin\operatorname{span}\{a_1,a_2,a_3\}。
  • Cy=dCy=d 有解 ⇒ d∈span⁡{a1,a2,a3,a4}d\in\operatorname{span}\{a_1,a_2,a_3,a_4\}。
  • 若 a4∈span⁡{a1,a2,a3}a_4\in\operatorname{span}\{a_1,a_2,a_3\},則 span⁡{a1,a2,a3,a4}=span⁡{a1,a2,a3}\operatorname{span}\{a_1,a_2,a_3,a_4\}= \operatorname{span}\{a_1,a_2,a_3\},與上式矛盾。
  • 因此 a4∉span⁡{a1,a2,a3}a_4\notin\operatorname{span}\{a_1,a_2,a_3\},即 a4a_4 為新獨立方向,使矩陣秩提升一階。

判斷

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第 2 題

Let A∈Rm×nA \in \mathbb{R}^{m \times n}. For any matrix MM, let R(M)R(M) denote the column space and N(M)N(M) denote the null space. Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) If y∈R(AAT)y \in R(A A^T) and y≠0y \neq 0, then Ay≠0A y \neq 0.
(B) If y∈R(A)y \in R(A), then Ay=0A y = 0.
(C) If m=nm = n, then R(A)=R(AT)R(A) = R(A^T).
(D) If m=nm = n, then N(A)=N(AT)N(A) = N(A^T).
(E) If x∈Rnx \in \mathbb{R}^n and Ax≠0A x \neq 0, then x∈R(AT)x \in R(A^T).

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本題核心觀念
本題主要測試對矩陣的四個基本子空間——列空間 R(M)R(M)、行空間 R(MT)R(M^T)、零空間 N(M)N(M)、以及 AATAA^T 的列空間 與 AA 的列空間之間的關係。必須能辨認這些子空間在一般矩陣(不限定方陣)下的包含與相等性,並能以簡單的反例驗證命題的真假。


(A) 若 y∈R(AAT)y\in R(AA^{T}) 且 y≠0y\neq0,則 Ay≠0Ay\neq0

  • 事實:R(AAT)=R(A)R(AA^{T})=R(A)(因為 rank⁡(AAT)=rank⁡(A)\operatorname{rank}(AA^{T})=\operatorname{rank}(A),且 R(AAT)⊆R(A)R(AA^{T})\subseteq R(A),維度相同故相等)。
  • y∈R(A)y\in R(A) 意味 yy 為一個 mm 維 向量,而 AA 的尺寸是 m×nm\times n,故 AyAy 的乘法在一般情況下 未定義(除非 m=nm=n)。因此此敘述在一般情形不成立。
  • 反例(m≠nm\neq n):
A=[10]∈R2×1,AAT=[1000]A=\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}\in\mathbb R^{2\times1},\qquad AA^{T}=\begin{bmatrix}1&0\\0&0\end{bmatrix}

y=[10]∈R(AAT)∖{0}y=\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}\in R(AA^{T})\setminus\{0\},但 AyAy 無法計算。

結論:錯誤。


(B) 若 y∈R(A)y\in R(A),則 Ay=0Ay=0

  • 同樣 yy 為 mm 維向量,AyAy 的乘法未必成立;即使 m=nm=n,yy 為 AA 的列空間向量並不意味 AyAy 必為零。
  • 反例(方陣):
    A=[1000],y=[10]∈R(A)A=\begin{bmatrix}1&0\\0&0\end{bmatrix},\qquad y=\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}\in R(A)
    計算 Ay=Ay=[10]≠0Ay=A y=\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}\neq0。

結論:錯誤。


(C) 若 m=nm=n,則 R(A)=R(AT)R(A)=R(A^{T})

  • R(A)R(A) 為 列空間,R(AT)R(A^{T}) 為 行空間(即 AA 的列空間的轉置)。一般矩陣的列空間與行空間 維度相等(皆為 rank⁡(A)\operatorname{rank}(A)),但集合本身未必相同。
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第 3 題

Let A∈Rm×nA \in \mathbb{R}^{m \times n}, B∈Rm×kB \in \mathbb{R}^{m \times k}, and C∈Rk×nC \in \mathbb{R}^{k \times n} such that A=BCA = BC. For any matrix MM, let R(M)R(M) denote the column space and N(M)N(M) denote the null space. Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) R(B)R(B) is a subset of R(A)R(A).
(B) N(A)N(A) is a subset of N(C)N(C).
(C) k≥rank(A)k \ge \text{rank}(A).
(D) If k>rank(A)k > \text{rank}(A), then rank(B)=rank(C)\text{rank}(B) = \text{rank}(C).
(E) If k=rank(A)k = \text{rank}(A), then rank(A)=rank(B)\text{rank}(A) = \text{rank}(B).

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觀念

  • A=BCA=BC ⇒ 每一個 AA 的欄向量都是 BB 的欄向量的線性組合,故 R(A)⊆R(B)R(A)\subseteq R(B)。
  • 若 Cx=0Cx=0,則 Ax=BCx=0Ax=BCx=0,所以 N(C)⊆N(A)N(C)\subseteq N(A)。
  • rank⁡(A)≤rank⁡(B),rank⁡(C)≤k\operatorname{rank}(A)\le\operatorname{rank}(B),\operatorname{rank}(C)\le k,因 rank⁡(B)≤k\operatorname{rank}(B)\le k。

各選項判斷

(A) R(B)⊆R(A)R(B)\subseteq R(A)

  • 由上可得 R(A)⊆R(B)R(A)\subseteq R(B),方向相反,故 偽。

(B) N(A)⊆N(C)N(A)\subseteq N(C)

  • 由 N(C)⊆N(A)N(C)\subseteq N(A) 可得相反關係,故 偽。

(C) k≥rank⁡(A)k\ge\operatorname{rank}(A)

  • rank⁡(A)≤rank⁡(B)≤k\operatorname{rank}(A)\le\operatorname{rank}(B)\le k,必成立,故 真。
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第 4 題

Let
A=(3030302020303030202030303)A = \begin{pmatrix} 3 & 0 & 3 & 0 & 3 \\ 0 & 2 & 0 & 2 & 0 \\ 3 & 0 & 3 & 0 & 3 \\ 0 & 2 & 0 & 2 & 0 \\ 3 & 0 & 3 & 0 & 3 \end{pmatrix}
Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) AA is diagonalizable (over R\mathbb{R}).
(B) rank(A)=2\text{rank}(A) = 2.
(C) 22 is an eigenvalue of AA.
(D) 33 is an eigenvalue of AA.
(E) The number of positive eigenvalues of AA is 2.

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矩陣 AA 的行與列皆可依奇、偶指標重新排列,得到

PAPT=(3J3002J2),Jn=(1⋯1⋮⋱⋮1⋯1)n×n.PAP^{T}= \begin{pmatrix} 3J_{3} & 0\\ 0 & 2J_{2} \end{pmatrix}, \qquad J_{n}= \begin{pmatrix}1&\cdots&1\\ \vdots&\ddots&\vdots\\ 1&\cdots&1\end{pmatrix}_{n\times n}.
  • J3J_{3} 的特徵值為 33(一次)與 00(重根 22);乘以 33 後得到 99(一次)與 00(重根 22)。
  • J2J_{2} 的特徵值為 22(一次)與 00(一次);乘以 22 後得到 44(一次)與 00(一次)。
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第 5 題

Let
v1=(100),v2=(010),x=(001)v_1 = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad v_2 = \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad x = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}
and define the subspace W=span{v1,v2}⊂R3W = \text{span}\{v_1, v_2\} \subset \mathbb{R}^3. Let pp be the orthogonal projection of xx onto WW. For any vector uu, let ∣∣u∣∣||u|| denote the Euclidean norm: ∣∣u∣∣=uTu||u|| = \sqrt{u^T u}. Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) ∣∣p∣∣=2||p|| = 2.
(B) ∣∣x−p∣∣=3||x - p|| = 3.
(C) wT(x−p)=0w^T (x - p) = 0 for every w∈Ww \in W.
(D) x−p∈Wx - p \in W.
(E) pp is orthogonal to v1v_1.

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核心觀念

本題考查「正交投影」與「正交補空間」的基本性質。

若 pp 是向量 xx 在子空間 WW 上的正交投影,則:

  1. p∈Wp\in W。
  2. 誤差向量 x−px-p 與 WW 中的每一個向量正交,即
    wT(x−p)=0,∀ w∈W.w^T(x-p)=0,\qquad \forall\,w\in W.
  3. 因此可將 xx 分解為
    x=p+(x−p),x=p+(x-p),
    其中 p∈Wp\in W,且 x−p∈W⊥x-p\in W^\perp。

解題方法

已知

v1=(100),v2=(010).v_1=\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix},\qquad v_2=\begin{pmatrix}0\\1\\0\end{pmatrix}.

因此

W=span⁡{v1,v2}={(ab0):a,b∈R}.W=\operatorname{span}\{v_1,v_2\} =\left\{ \begin{pmatrix}a\\b\\0\end{pmatrix}:a,b\in\mathbb R \right\}.

也就是 R3\mathbb R^3 中的 xyxy 平面。

向量

x=(001)x=\begin{pmatrix}0\\0\\1\end{pmatrix}

沿著 zz 軸,與 xyxy 平面正交,因此它在 WW 上的正交投影為零向量:

p=(000).p=\begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}.

故

x−p=(001).x-p= \begin{pmatrix}0\\0\\1\end{pmatrix}.

並且

∥p∥=02+02+02=0,\|p\|=\sqrt{0^2+0^2+0^2}=0, ∥x−p∥=02+02+12=1.\|x-p\| =\sqrt{0^2+0^2+1^2}=1.

選項分析

(A) ∥p∥=2\|p\|=2

由計算得

∥p∥=0,\|p\|=0,

並非 22,所以此選項錯誤。

(B) ∥x−p∥=3\|x-p\|=3

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第 6 題

Let
b1=(110),b2=(−110),b3=(001),x=(001)b_1 = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad b_2 = \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad b_3 = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}, \quad x = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}
Define a linear transformation L:R3→R3L: \mathbb{R}^3 \rightarrow \mathbb{R}^3 satisfying
L(b1)=2b1L(b_1) = 2b_1, L(b2)=b2L(b_2) = b_2, L(b3)=−b3L(b_3) = -b_3.
Let L5(x)=L(L(L(L(L(x)))))L^5(x) = L(L(L(L(L(x))))). Suppose that, in standard coordinates (with respect to the standard basis of R3\mathbb{R}^3), L5(x)=[y1,y2,y3]T∈R3L^5(x) = [y_1, y_2, y_3]^T \in \mathbb{R}^3. Let AA be the matrix representation of LL with respect to the ordered basis {b1,b2,b3}\{b_1, b_2, b_3\}. Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) y1=33y_1 = 33.
(B) y2=31y_2 = 31.
(C) y3=−3y_3 = -3.
(D) det⁡(A)=−2\det(A) = -2.
(E) rank(A)=2\text{rank}(A) = 2.

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解題重點

  1. 基底 {b1,b2,b3}\{b_1,b_2,b_3\} 為線性獨立,且

L(b1)=2b1,L(b2)=b2,L(b3)=−b3.L(b_1)=2b_1,\quad L(b_2)=b_2,\quad L(b_3)=-b_3.

  1. 因 LL 在此基底下的表示矩陣 AA 為對角矩陣

A=diag⁡(2, 1, −1).A=\operatorname{diag}(2,\,1,\,-1).

  1. 向量 x=(001)=b3x=\begin{pmatrix}0\\0\\1\end{pmatrix}=b_3。
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第 7 題

Let A∈R4×4A \in \mathbb{R}^{4 \times 4}. Suppose the following ranks are given:
rank(A−I)=3\text{rank}(A - I) = 3, rank(A−2I)=2\text{rank}(A - 2I) = 2, rank(A2−I)=2\text{rank}(A^2 - I) = 2.
Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) AA is symmetric.
(B) AA is not diagonalizable (over R\mathbb{R}).
(C) det⁡(A)=4\det(A) = 4.
(D) trace(A)=4\text{trace}(A) = 4.
(E) rank(A)=4\text{rank}(A) = 4.

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由 rank⁡(M)=4−dim⁡ker⁡M\operatorname{rank}(M)=4-\dim\ker M 可得

dim⁡ker⁡(A−I)=4−3=1⇒eigval 1 的幾何重數=1,dim⁡ker⁡(A−2I)=4−2=2⇒eigval 2 的幾何重數=2.\begin{aligned} \dim\ker (A-I)&=4-3=1\quad\Rightarrow\quad\text{eigval }1\text{ 的幾何重數}=1,\\ \dim\ker (A-2I)&=4-2=2\quad\Rightarrow\quad\text{eigval }2\text{ 的幾何重數}=2. \end{aligned}

A2−I=(A−I)(A+I)A^{2}-I=(A-I)(A+I) 的秩為 2,故

dim⁡ker⁡(A2−I)=4−2=2.\dim\ker (A^{2}-I)=4-2=2.

ker⁡(A2−I)\ker(A^{2}-I) 包含所有滿足 λ2=1\lambda^{2}=1 的特徵向量,亦即 λ=1\lambda=1 或 λ=−1\lambda=-1。
已知 λ=1\lambda=1 的幾何重數為 1,故 ker⁡(A2−I)\ker(A^{2}-I) 另有 1 維來自 λ=−1\lambda=-1。

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第 8 題

Let K∈R3×3K\in\mathbb{R}^{3\times 3} and define a linear mapping L:R1×3→R1×3L:\mathbb{R}^{1\times 3}\to\mathbb{R}^{1\times 3} by L(x)=xKL(x)=xK. Let cc be such that the ordered set E={c,cK,cK2}E=\{c,cK,cK^2\} is a basis of R1×3\mathbb{R}^{1\times 3}. Suppose cc satisfies

cK3−5cK2+7cK−9c=0.cK^3-5cK^2+7cK-9c=0.

Let AA be the matrix representation of LL with respect to EE. AA is defined by [L(x)]E=A[x]E[L(x)]_E=A[x]_E, where [x]E∈R3[x]_E\in\mathbb{R}^3 is the column coordinate vector of xx in the basis EE. Denote the last two rows of AA by [a21,a22,a23][a_{21},a_{22},a_{23}] and [a31,a32,a33][a_{31},a_{32},a_{33}], respectively. Which of the following statements are true? (Select all that apply.)

(A) a22=0a_{22}=0
(B) a23=1a_{23}=1
(C) a31=0a_{31}=0
(D) a32=−7a_{32}=-7
(E) a33=5a_{33}=5

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核心觀念

線性映射在指定基底下的矩陣,第 jj 欄是基底第 jj 個向量經映射後的座標向量。此題的基底為

E={c, cK, cK2},E=\{c,\ cK,\ cK^2\},

而映射定義為 L(x)=xKL(x)=xK。因此只要依序計算 L(c)L(c)、L(cK)L(cK)、L(cK2)L(cK^2),並將結果寫成基底 EE 的線性組合,即可得到矩陣各欄。

解題方法

依照映射定義,

L(c)=cK,L(cK)=cK2.L(c)=cK, \qquad L(cK)=cK^2.

在基底 EE 下,這兩個向量的座標分別為

[L(c)]E=[010],[L(cK)]E=[001].[L(c)]_E= \begin{bmatrix} 0\\ 1\\ 0 \end{bmatrix}, \qquad [L(cK)]_E= \begin{bmatrix} 0\\ 0\\ 1 \end{bmatrix}.

題目給定

cK3−5cK2+7cK−9c=0,cK^3-5cK^2+7cK-9c=0,

整理得

cK3=9c−7cK+5cK2.cK^3=9c-7cK+5cK^2.

所以

[L(cK2)]E=[9−75].[L(cK^2)]_E= \begin{bmatrix} 9\\ -7\\ 5 \end{bmatrix}.
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第 9 題

Let u,v∈Rnu,v\in\mathbb{R}^n be nonzero vectors with n≥2n\geq 2 and uTv≠0u^Tv\neq 0. Define

M=I−2uTvuvT.M=I-\frac{2}{u^Tv}uv^T.

Which of the following statements are true? (Select all that apply.)

(A) vv is an eigenvector of MM.
(B) 11 is an eigenvalue of MM.
(C) MM is invertible and M−1=MM^{-1}=M.
(D) Every eigenvalue of MM is real.
(E) MM is symmetric.

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核心觀念

本題考查秩一矩陣與特徵值。令

P=uvTuTv.P=\frac{uv^T}{u^Tv}.

因為 uTv≠0u^Tv\neq 0,此矩陣有定義;又

P2=uvTuvT(uTv)2=u(vTu)vT(uTv)2=uvTuTv=P.P^2 =\frac{uv^Tuv^T}{(u^Tv)^2} =\frac{u(v^Tu)v^T}{(u^Tv)^2} =\frac{uv^T}{u^Tv} =P.

因此 PP 是投影矩陣,而題目中的矩陣可寫成 M=I−2PM=I-2P。

解題方法

利用 P2=PP^2=P 直接計算 M2M^2:

M2=(I−2P)2=I−4P+4P2=I.M^2=(I-2P)^2=I-4P+4P^2=I.

這個結果可同時判斷 MM 是否可逆、其逆矩陣,以及 MM 的特徵值。

另外,若 x∈Rnx\in\mathbb{R}^n 滿足 vTx=0v^Tx=0,則

Mx=x−2uTvu(vTx)=x.Mx=x-\frac{2}{u^Tv}u(v^Tx)=x.

由於 n≥2n\geq 2 且 v≠0v\neq 0,方程 vTx=0v^Tx=0 有非零解,因此 11 是 MM 的特徵值。

選項分析

(A) 錯誤。
計算 MvMv 得

Mv=v−2vTvuTvu.Mv=v-\frac{2v^Tv}{u^Tv}u.

要使 vv 為特徵向量,MvMv 必須是 vv 的倍數;上式一般包含向量 uu,而 uu 不一定與 vv 平行。因此此敘述不一定成立。

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第 10 題

Let V=R2×2V=\mathbb{R}^{2\times 2} with inner product ⟨A,B⟩=trace⁡(ATB)\langle A,B\rangle=\operatorname{trace}(A^TB) and define ∥A∥=⟨A,A⟩\|A\|=\sqrt{\langle A,A\rangle}. Consider the following set {U1,U2,U3,U4}⊂V\{U_1,U_2,U_3,U_4\}\subset V, which is orthogonal with respect to the given inner product:

U1=[1111],U2=[1−11−1],U3=[11−1−1],U4=[1−1−11].U_1=\begin{bmatrix}1&1\\1&1\end{bmatrix},\quad U_2=\begin{bmatrix}1&-1\\1&-1\end{bmatrix},\quad U_3=\begin{bmatrix}1&1\\-1&-1\end{bmatrix},\quad U_4=\begin{bmatrix}1&-1\\-1&1\end{bmatrix}.

Suppose M∈VM\in V satisfies

⟨M,U1⟩=8,⟨M,U2⟩=−4,⟨M,U3⟩=0,⟨M,U4⟩=4.\langle M,U_1\rangle=8,\quad \langle M,U_2\rangle=-4,\quad \langle M,U_3\rangle=0,\quad \langle M,U_4\rangle=4.

Let PP be the orthogonal projection of MM onto span⁡{U1,U2}\operatorname{span}\{U_1,U_2\}. Which of the following statements are true? (Select all that apply.)

(A) P=2U1−U2P=2U_1-U_2
(B) ∥P∥2=20\|P\|^2=20
(C) M=2U1+U2−U4M=2U_1+U_2-U_4
(D) ∥M∥2=20\|M\|^2=20
(E) ⟨M,P⟩=24\langle M,P\rangle=24

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核心觀念

本題考查正交投影與正交向量組的展開係數。

若 {Ui}\{U_i\} 是正交向量組,向量 MM 在 UiU_i 方向上的分量為

proj⁡UiM=⟨M,Ui⟩⟨Ui,Ui⟩Ui.\operatorname{proj}_{U_i}M = \frac{\langle M,U_i\rangle}{\langle U_i,U_i\rangle}U_i.

因此,投影到 span⁡{U1,U2}\operatorname{span}\{U_1,U_2\} 時,只保留 U1U_1、U2U_2 方向的分量。題目中的四個矩陣皆有

⟨Ui,Ui⟩=4.\langle U_i,U_i\rangle=4.

解題方法

由正交投影公式,

P=⟨M,U1⟩⟨U1,U1⟩U1+⟨M,U2⟩⟨U2,U2⟩U2=84U1+−44U2=2U1−U2.P = \frac{\langle M,U_1\rangle}{\langle U_1,U_1\rangle}U_1 + \frac{\langle M,U_2\rangle}{\langle U_2,U_2\rangle}U_2 = \frac{8}{4}U_1+\frac{-4}{4}U_2 = 2U_1-U_2.

因為 U1U_1 與 U2U_2 正交,故

∥P∥2=⟨2U1−U2,2U1−U2⟩=4∥U1∥2+∥U2∥2=4(4)+4=20.\|P\|^2 = \langle 2U_1-U_2,2U_1-U_2\rangle = 4\|U_1\|^2+\|U_2\|^2 = 4(4)+4 = 20.

四個矩陣是 V=R2×2V=\mathbb{R}^{2\times 2} 的一組正交基底,因此 MM 可寫成

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第 11 題

Given the differential equation (DE)

(x2+x)y′+(xy−1)=0,(x^2+x)y'+(xy-1)=0,

where xx is the independent variable. Which of the following is/are INCORRECT?

(A) This DE is nonlinear.
(B) This DE is nonhomogeneous.
(C) The solution of this DE is y=ln⁡(x+1)x+1+cx+1y=\frac{\ln(x+1)}{x+1}+\frac{c}{x+1}.
(D) The solution interval is (−1,∞)(-1,\infty).
(E) Provided the initial condition y(e)=1y(e)=1, there exists a unique solution.

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核心觀念

本題考查一階微分方程的線性判別、積分因子法,以及解的存在唯一性定理。

一階線性微分方程的標準形式為

y′+P(x)y=Q(x).y'+P(x)y=Q(x).

當 Q(x)≡0Q(x)\equiv 0 時為齊次線性方程;當 Q(x)≢0Q(x)\not\equiv 0 時為非齊次線性方程。若 P(x)P(x) 與 Q(x)Q(x) 在包含初始點的區間上連續,則給定初始值後,解存在且唯一。

解題方法

原方程可寫成

x(x+1)y′+xy=1.x(x+1)y'+xy=1.

在 x≠0,−1x\ne 0,-1 時,除以 x(x+1)x(x+1),得到

y′+1x+1y=1x(x+1).y'+\frac{1}{x+1}y=\frac{1}{x(x+1)}.

這是標準的一階線性非齊次方程。積分因子為

μ(x)=e∫1x+1 dx=∣x+1∣.\mu(x)=e^{\int \frac{1}{x+1}\,dx}=|x+1|.

在不跨越 x=−1x=-1 的區間上,可取 μ(x)=x+1\mu(x)=x+1。兩邊乘上 x+1x+1:

(x+1)y′+y=1x,(x+1)y'+y=\frac{1}{x},

因此

((x+1)y)′=1x.\bigl((x+1)y\bigr)'=\frac{1}{x}.

積分後得到

(x+1)y=ln⁡∣x∣+C,(x+1)y=\ln|x|+C,

所以通解為

y=ln⁡∣x∣+Cx+1,x∈(−∞,−1),  (−1,0),  或 (0,∞).y=\frac{\ln|x|+C}{x+1}, \qquad x\in(-\infty,-1),\;(-1,0),\;\text{或 }(0,\infty).

這些區間都不包含方程標準化時的奇異點 x=−1,0x=-1,0。特別是 x=0x=0 時,原方程會變成 −1=0-1=0,所以解不可能通過 x=0x=0。

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第 12 題

Given the differential equation (DE)

(x2+2y2) dx−(xy) dy=0,(x^2+2y^2)\,dx-(xy)\,dy=0,

where xx is the independent variable. Which of the following is/are INCORRECT?

(A) This DE is exact.
(B) Consider M(x,y)=x2+2y2M(x,y)=x^2+2y^2 and N(x,y)=−(xy)N(x,y)=-(xy). MM and NN are homogeneous functions.
(C) One of the solutions of this DE is x4=(x2+y2)/2x^4=(x^2+y^2)/2, which is an explicit solution.
(D) Consider the initial condition y(−1)=1y(-1)=1. The solution interval is (−∞,∞)(-\infty,\infty).
(E) There exists a singular point.

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核心觀念

本題考查微分形式方程的恰當性、齊次函數、齊次微分方程的代換解法,以及初值解的存在區間與奇異點判斷。

將方程寫成

M(x,y) dx+N(x,y) dy=0,M(x,y)\,dx+N(x,y)\,dy=0,

若在區域內滿足 My=NxM_y=N_x,則方程為恰當方程。若 M,NM,N 都是同次齊次函數,則可用代換 y=vxy=vx 求解。以 xx 為自變數時,還須確認解所在區間不經過微分方程無定義的點。

解題方法

由原方程可得

dydx=x2+2y2xy=xy+2yx.\frac{dy}{dx}=\frac{x^2+2y^2}{xy} =\frac{x}{y}+2\frac{y}{x}.

右側只含 y/xy/x,因此令 y=vxy=vx,則 y′=v+xv′y'=v+xv'。代入後:

v+xdvdx=1v+2v,v+x\frac{dv}{dx}=\frac{1}{v}+2v,

所以

v1+v2 dv=dxx.\frac{v}{1+v^2}\,dv=\frac{dx}{x}.

積分得

12ln⁡(1+v2)=ln⁡∣x∣+C.\frac12\ln(1+v^2)=\ln|x|+C.

代回 v=y/xv=y/x,整理為

x2+y2=Cx4.x^2+y^2=Cx^4.

這是解曲線的隱式關係;若要寫成以 xx 為自變數的顯式解,需解出 yy:

y=±Cx4−x2,y=\pm\sqrt{Cx^4-x^2},

並限制在根號內非負且微分方程有定義的區間。

選項分析

(A) 錯誤。
此處 M=x2+2y2M=x^2+2y^2、N=−xyN=-xy,故

My=4y,Nx=−y.M_y=4y,\qquad N_x=-y.

兩者一般不相等,方程不是恰當方程。

(B) 正確。
M(x,y)=x2+2y2M(x,y)=x^2+2y^2 的每一項次數都是 22,而 N(x,y)=−xyN(x,y)=-xy 的總次數也是 22。因此 M,NM,N 都是二次齊次函數。

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第 13 題

Given

X′=[12−940]X,X'=\begin{bmatrix}12&-9\\4&0\end{bmatrix}X,

which of the following is correct? Assume tt is the independent variable.

(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 λ2=1\lambda_2=1.
(E) One of the solution vectors is

K1=[3t+22t+1]e−6t.K_1=\begin{bmatrix}3t+2\\2t+1\end{bmatrix}e^{-6t}.

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第 14 題

Consider the differential equation (DE)

y′=y2−3y+2.y'=y^2-3y+2.

Which of the following is/are correct?

(A) There is an attractor.
(B) y(x)=2y(x)=2 is a singular solution.
(C) y(x)=cex−2cex−1y(x)=\frac{ce^x-2}{ce^x-1} is a one-parameter family of solutions, where cc is an arbitrary constant.
(D) Provided y(0)=−1y(0)=-1, the largest interval is [0,∞)[0,\infty).
(E) Given y(0)=4y(0)=4, there exists an interval centered at 00 on which the DE has a unique solution.

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核心觀念

本題考查自治微分方程的平衡解與穩定性、可分離變數法,以及初值問題的解存在區間。

令

y′=f(y)=(y−1)(y−2).y'=f(y)=(y-1)(y-2).

平衡解是使 f(y)=0f(y)=0 的常數解。平衡解附近的解若隨 x→∞x\to\infty 趨近該平衡值,該平衡解便是吸引子。求一般解時,分離變數會除以 f(y)f(y),因此要另外檢查被除去的平衡解。

解題方法

1. 判斷平衡解與穩定性

由 f(y)=(y−1)(y−2)f(y)=(y-1)(y-2),平衡解為 y=1y=1 與 y=2y=2。檢查 f(y)f(y) 的正負:

  • y<1y<1 時,y′>0y'>0;
  • 1<y<21<y<2 時,y′<0y'<0;
  • y>2y>2 時,y′>0y'>0。

因此,從 y=1y=1 的兩側出發,解都會往 y=1y=1 靠近;y=1y=1 是吸引子。y=2y=2 的兩側解則會遠離 y=2y=2,所以它不是吸引子。

2. 求可分離變數的一般解

對非平衡解分離變數:

dy(y−1)(y−2)=dx.\frac{dy}{(y-1)(y-2)}=dx.

利用部分分式

1(y−1)(y−2)=−1y−1+1y−2,\frac{1}{(y-1)(y-2)} =-\frac{1}{y-1}+\frac{1}{y-2},

積分得

ln⁡∣y−2y−1∣=x+C.\ln\left|\frac{y-2}{y-1}\right|=x+C.

將常數改寫後,可令

y−2y−1=cex.\frac{y-2}{y-1}=ce^x.

解出 yy:

y(x)=cex−2cex−1.y(x)=\frac{ce^x-2}{ce^x-1}.

此公式在分母不為零的區間上成立;c=0c=0 時得到平衡解 y=2y=2。分離變數時除以 y−1y-1,故還要補上被排除的平衡解 y=1y=1。

3. 檢查初值 y(0)=−1y(0)=-1 的最大解區間

代入通解:

−1=c−2c−1⟹c=32.-1=\frac{c-2}{c-1} \quad\Longrightarrow\quad c=\frac{3}{2}.

因此

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第 15 題

Here is the differential equation y′=y2e−xy'=y^2e^{-x}, with xx being the independent variable. Which of the following is/are correct?

(A) This DE is exact.
(B) There is no singular solution.
(C) The solutions y(x)>0y(x)>0 or y(x)<0y(x)<0.
(D) The solution of this DE is y=1e−x+cy=\frac{1}{e^{-x}+c}.
(E) Given the initial condition y(0)=1y(0)=1, the solution interval is (−∞,∞)(-\infty,\infty).

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核心觀念

本題考查一階微分方程的恰當性、變數分離法、除法可能遺失的解,以及初值問題解的最大存在區間。

若微分方程寫成 M(x,y) dx+N(x,y) dy=0M(x,y)\,dx+N(x,y)\,dy=0,在適當區域內滿足 My=NxM_y=N_x 時,稱為恰當微分方程。使用變數分離法時,若除以含未知函數的因子,必須另外檢查該因子為零時是否也會產生解。

解題方法

將方程改寫為

−y2e−x dx+dy=0.-y^2e^{-x}\,dx+dy=0.

令 M(x,y)=−y2e−xM(x,y)=-y^2e^{-x}、N(x,y)=1N(x,y)=1,則

My=−2ye−x,Nx=0.M_y=-2ye^{-x},\qquad N_x=0.

兩者並非恆等相等,因此此方程不是恰當微分方程。

接著用變數分離法求解。先考慮 y≠0y\ne 0:

dyy2=e−x dx.\frac{dy}{y^2}=e^{-x}\,dx.

兩側積分:

−1y=−e−x+C.-\frac{1}{y}=-e^{-x}+C.

將常數重新命名後,可得

y=1e−x+c.y=\frac{1}{e^{-x}+c}.

這是 y≠0y\ne 0 時的解族,解所在的區間必須避開分母為零的位置。由於分離變數時除以了 y2y^2,還要檢查 y=0y=0;代回原方程可知它也是一個解。

對初值 y(0)=1y(0)=1,代入非零解族:

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第 16 題

Which of the following is/are INCORRECT?

(A) Consider xy′′+(sin⁡x)y=0xy''+(\sin x)y=0. x=0x=0 is a regular singular point.
(B) Consider x3y′′−xy′+y=0x^3y''-xy'+y=0. x=0x=0 is a regular singular point.
(C) Consider x3y′′−xy′+y=0x^3y''-xy'+y=0. There exists one solution that is analytic at x=0x=0.
(D) Consider y′′+ln⁡(x+1)y′+y=0y''+\ln(x+1)y'+y=0. x=0x=0 is a regular singular point.
(E) Consider y′′+ln⁡(x+1)y′+y=0y''+\ln(x+1)y'+y=0. The solutions centered at x=2x=2 must converge between [−1,1][-1,1].

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第 17 題

Given the differential equation (DE)

2xy′′+(1+x)y′+y=0,2xy''+(1+x)y'+y=0,

where xx is the independent variable. On the way to finding infinite series solutions around x=0x=0, which of the following are correct?

(A) There is no trivial solution.
(B) One of the indicial roots is 00.
(C) One of the solutions is a power series.
(D) The solution interval is (0,∞)(0,\infty).
(E) Given the form of a solution y=∑AnBnn!xny=\sum\frac{A^n}{B^n n!}x^n, where nn is a nonnegative integer, A+B=1A+B=1.

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第 18 題

Consider the differential equation (DE)

2y′′−3y2=0.2y''-3y^2=0.

Which of the following is/are correct?

(A) This DE is linear.
(B) This DE is autonomous.
(C) There exists a trivial solution.
(D) Provide y(0)=1y(0)=1 and y′(0)=1y'(0)=1, the solution y=4(x−2)2y=\frac{4}{(x-2)^2}.
(E) Provide y(0)=1y(0)=1 and y′(0)=1y'(0)=1, the solution y=4(x+2)2y=\frac{4}{(x+2)^2}.

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核心觀念

本題考查微分方程的線性與自治分類、平凡解,以及用初始條件檢驗候選解。

二階微分方程若能寫成

a2(x)y′′+a1(x)y′+a0(x)y=g(x),a_2(x)y''+a_1(x)y'+a_0(x)y=g(x),

且 yy、y′y'、y′′y'' 都只以一次方出現,稱為線性方程。若方程中沒有自變數 xx 明確出現,則稱為自治方程。平凡解通常指恆等於零的解。

解題方法

原方程可改寫為

y′′=32y2.y''=\frac{3}{2}y^2.

右側含有 y2y^2,不符合線性方程中未知函數及其導數只能一次出現的條件,因此方程是非線性的。方程沒有明確出現 xx,因此是自治方程。

令 y(x)≡0y(x)\equiv 0,則 y′′=0y''=0 且 y2=0y^2=0,代回原方程成立,所以零函數是平凡解。

檢查選項 (D) 的候選函數:

y=4(x−2)2,y′=−8(x−2)3,y′′=24(x−2)4.y=\frac{4}{(x-2)^2},\qquad y'=-\frac{8}{(x-2)^3},\qquad y''=\frac{24}{(x-2)^4}.

代入方程左側:

2y′′−3y2=48(x−2)4−48(x−2)4=0.2y''-3y^2 =\frac{48}{(x-2)^4}-\frac{48}{(x-2)^4} =0.

初始值也符合:

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第 19 題

Consider the differential equation (DE)

y′′−y=ex+e−x2,y''-y=\frac{e^x+e^{-x}}{2},

where xx is the independent variable. Provide y(0)=2y(0)=2 and y′(0)=12y'(0)=12, which of the following is/are correct?

(A) The particular solution is Ax(Bex+Ce−x)D\frac{Ax(Be^x+Ce^{-x})}{D}, where A+B+C+D=5A+B+C+D=5.
(B) The particular solution is Ax(Bsinh⁡x+Ccosh⁡x)D\frac{Ax(B\sinh x+C\cosh x)}{D}, where A+B+C+D=4A+B+C+D=4.
(C) The complementary function is Aex+Be−xAe^x+Be^{-x}, where A+B=12A+B=12.
(D) The complementary function is Asinh⁡x+Bcosh⁡xA\sinh x+B\cosh x, where A+B=14A+B=14.
(E) The general solution is Aex+Be−xAe^x+Be^{-x}, where A+B=2A+B=2.

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第 20 題

Consider the differential equation (DE)

x2y′′−4xy′+6y=g(x),x^2y''-4xy'+6y=g(x),

where xx is the independent variable. Which of the following is/are correct?

(A) If g(x)=0g(x)=0, y(−2)=8y(-2)=8 and y′(−2)=0y'(-2)=0, the general solution is Af1(x)+Bf2(x)Af_1(x)+Bf_2(x), where A+B=8A+B=8. f1(x)f_1(x) and f2(x)f_2(x) are functions in xx.
(B) If g(x)=0g(x)=0, the solution interval is (−∞,∞)(-\infty,\infty).
(C) If g(x)=ln⁡(x2)g(x)=\ln(x^2), the solution interval is (−∞,∞)(-\infty,\infty).
(D) If g(x)=ln⁡(x2)g(x)=\ln(x^2), the particular solution is Af(x)+BAf(x)+B, where A+B=11A+B=11.
(E) If g(x)=ln⁡(x2)g(x)=\ln(x^2), y(1)=5/18y(1)=5/18 and y′(1)=−2/3y'(1)=-2/3, the general solution is Af1(x)+Bf2(x)+Cf3(x)+DAf_1(x)+Bf_2(x)+Cf_3(x)+D, where A+B+C+D=8/9A+B+C+D=8/9.

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核心觀念

這是 Euler–Cauchy 方程。對 x≠0x\neq 0,除以 x2x^2 後可寫成

y′′−4xy′+6x2y=g(x)x2.y''-\frac{4}{x}y'+\frac{6}{x^2}y=\frac{g(x)}{x^2}.

其係數在 x=0x=0 不連續,因此求解區間需落在 (0,∞)(0,\infty) 或 (−∞,0)(-\infty,0)。齊次方程可設 y=xmy=x^m,得到特徵方程;非齊次方程則可用變數代換 t=ln⁡∣x∣t=\ln|x|,把 Euler–Cauchy 算子轉成常係數微分算子。

解題方法

先令 g(x)=0g(x)=0,設 y=xmy=x^m,則

m(m−1)−4m+6=0,m(m-1)-4m+6=0, m2−5m+6=(m−2)(m−3)=0.m^2-5m+6=(m-2)(m-3)=0.

所以齊次解為

yh=C1x2+C2x3,y_h=C_1x^2+C_2x^3,

在每個不含 00 的區間上成立。

若 g(x)=ln⁡(x2)g(x)=\ln(x^2),令 t=ln⁡∣x∣t=\ln|x|,並寫 y(x)=u(t)y(x)=u(t)。此時

xy′=u′,x2y′′=u′′−u′,xy'=u',\qquad x^2y''=u''-u',

方程化為

u′′−5u′+6u=2t,u''-5u'+6u=2t,

因為 ln⁡(x2)=2ln⁡∣x∣=2t\ln(x^2)=2\ln|x|=2t。試設特解 up=at+bu_p=at+b,代入可得

6at−5a+6b=2t.6at-5a+6b=2t.

比較係數,得到 a=13a=\frac13、b=518b=\frac{5}{18}。因此

yp(x)=13ln⁡∣x∣+518=16ln⁡(x2)+518.y_p(x)=\frac13\ln|x|+\frac{5}{18} =\frac16\ln(x^2)+\frac{5}{18}.

非齊次方程的通解為

y=C1x2+C2x3+13ln⁡∣x∣+518,y=C_1x^2+C_2x^3+\frac13\ln|x|+\frac{5}{18},

其解區間仍須避開 x=0x=0。

選項分析

(A) 正確。 取齊次基本解 f1(x)=x2f_1(x)=x^2、f2(x)=x3f_2(x)=x^3,則 y=Ax2+Bx3y=Ax^2+Bx^3。由 y(−2)=8y(-2)=8、y′(−2)=0y'(-2)=0 得

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