115 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 . Define the matrices
, .
Assume that the linear system has no solution for , and the linear system has at least one solution for . Let . Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) The set is linearly dependent.
(B) The set is linearly dependent.
(C) The set is linearly independent.
(D) .
(E) .
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核心推論
- 無解 ⇒ 。
- 有解 ⇒ 。
- 若 ,則 ,與上式矛盾。
- 因此 ,即 為新獨立方向,使矩陣秩提升一階。
判斷
第 2 題
Let . For any matrix , let denote the column space and denote the null space. Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) If and , then .
(B) If , then .
(C) If , then .
(D) If , then .
(E) If and , then .
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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 、行空間 、零空間 、以及 的列空間 與 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 且 ,則
- 事實:(因為 ,且 ,維度相同故相等)。
- 意味 為一個 維 向量,而 的尺寸是 ,故 的乘法在一般情況下 未定義(除非 )。因此此敘述在一般情形不成立。
- 反例():
,但 無法計算。
結論:錯誤。
(B) 若 ,則
- 同樣 為 維向量, 的乘法未必成立;即使 , 為 的列空間向量並不意味 必為零。
- 反例(方陣):
計算 。
結論:錯誤。
(C) 若 ,則
- 為 列空間, 為 行空間(即 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 ),但集合本身未必相同。
第 3 題
Let , , and such that . For any matrix , let denote the column space and denote the null space. Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) is a subset of .
(B) is a subset of .
(C) .
(D) If , then .
(E) If , then .
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觀念
- ⇒ 每一個 的欄向量都是 的欄向量的線性組合,故 。
- 若 ,則 ,所以 。
- ,因 。
各選項判斷
(A)
- 由上可得 ,方向相反,故 偽。
(B)
- 由 可得相反關係,故 偽。
(C)
- ,必成立,故 真。
第 4 題
Let
Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) is diagonalizable (over ).
(B) .
(C) is an eigenvalue of .
(D) is an eigenvalue of .
(E) The number of positive eigenvalues of is 2.
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矩陣 的行與列皆可依奇、偶指標重新排列,得到
- 的特徵值為 (一次)與 (重根 );乘以 後得到 (一次)與 (重根 )。
- 的特徵值為 (一次)與 (一次);乘以 後得到 (一次)與 (一次)。
第 5 題
Let
and define the subspace . Let be the orthogonal projection of onto . For any vector , let denote the Euclidean norm: . Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) .
(B) .
(C) for every .
(D) .
(E) is orthogonal to .
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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 是向量 在子空間 上的正交投影,則:
- 。
- 誤差向量 與 中的每一個向量正交,即
- 因此可將 分解為
其中 ,且 。
解題方法
已知
因此
也就是 中的 平面。
向量
沿著 軸,與 平面正交,因此它在 上的正交投影為零向量:
故
並且
選項分析
(A)
由計算得
並非 ,所以此選項錯誤。
(B)
第 6 題
Let
Define a linear transformation satisfying
, , .
Let . Suppose that, in standard coordinates (with respect to the standard basis of ), . Let be the matrix representation of with respect to the ordered basis . Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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解題重點
- 基底 為線性獨立,且
- 因 在此基底下的表示矩陣 為對角矩陣
- 向量 。
第 7 題
Let . Suppose the following ranks are given:
, , .
Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) is symmetric.
(B) is not diagonalizable (over ).
(C) .
(D) .
(E) .
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由 可得
的秩為 2,故
包含所有滿足 的特徵向量,亦即 或 。
已知 的幾何重數為 1,故 另有 1 維來自 。
第 8 題
Let and define a linear mapping by . Let be such that the ordered set is a basis of . Suppose satisfies
Let be the matrix representation of with respect to . is defined by , where is the column coordinate vector of in the basis . Denote the last two rows of by and , respectively. Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
線性映射在指定基底下的矩陣,第 欄是基底第 個向量經映射後的座標向量。此題的基底為
而映射定義為 。因此只要依序計算 、、,並將結果寫成基底 的線性組合,即可得到矩陣各欄。
解題方法
依照映射定義,
在基底 下,這兩個向量的座標分別為
題目給定
整理得
所以
第 9 題
Let be nonzero vectors with and . Define
Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A) is an eigenvector of .
(B) is an eigenvalue of .
(C) is invertible and .
(D) Every eigenvalue of is real.
(E) is symmetric.
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核心觀念
本題考查秩一矩陣與特徵值。令
因為 ,此矩陣有定義;又
因此 是投影矩陣,而題目中的矩陣可寫成 。
解題方法
利用 直接計算 :
這個結果可同時判斷 是否可逆、其逆矩陣,以及 的特徵值。
另外,若 滿足 ,則
由於 且 ,方程 有非零解,因此 是 的特徵值。
選項分析
(A) 錯誤。
計算 得
要使 為特徵向量, 必須是 的倍數;上式一般包含向量 ,而 不一定與 平行。因此此敘述不一定成立。
第 10 題
Let with inner product and define . Consider the following set , which is orthogonal with respect to the given inner product:
Suppose satisfies
Let be the orthogonal projection of onto . Which of the following statements are true? (Select all that apply.)
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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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 是正交向量組,向量 在 方向上的分量為
因此,投影到 時,只保留 、 方向的分量。題目中的四個矩陣皆有
解題方法
由正交投影公式,
因為 與 正交,故
四個矩陣是 的一組正交基底,因此 可寫成
第 11 題
Given the differential equation (DE)
where 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 .
(D) The solution interval is .
(E) Provided the initial condition , 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
當 時為齊次線性方程;當 時為非齊次線性方程。若 與 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
在 時,除以 ,得到
這是標準的一階線性非齊次方程。積分因子為
在不跨越 的區間上,可取 。兩邊乘上 :
因此
積分後得到
所以通解為
這些區間都不包含方程標準化時的奇異點 。特別是 時,原方程會變成 ,所以解不可能通過 。
第 12 題
Given the differential equation (DE)
where is the independent variable. Which of the following is/are INCORRECT?
(A) This DE is exact.
(B) Consider and . and are homogeneous functions.
(C) One of the solutions of this DE is , which is an explicit solution.
(D) Consider the initial condition . The solution interval is .
(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
若在區域內滿足 ,則方程為恰當方程。若 都是同次齊次函數,則可用代換 求解。以 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
右側只含 ,因此令 ,則 。代入後:
所以
積分得
代回 ,整理為
這是解曲線的隱式關係;若要寫成以 為自變數的顯式解,需解出 :
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 、,故
兩者一般不相等,方程不是恰當方程。
(B) 正確。
的每一項次數都是 ,而 的總次數也是 。因此 都是二次齊次函數。
第 13 題
Given
which of the following is correct? Assume 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 .
(E) One of the solution vectors is
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第 14 題
Consider the differential equation (DE)
Which of the following is/are correct?
(A) There is an attractor.
(B) is a singular solution.
(C) is a one-parameter family of solutions, where is an arbitrary constant.
(D) Provided , the largest interval is .
(E) Given , there exists an interval centered at 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
平衡解是使 的常數解。平衡解附近的解若隨 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 ,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 ,平衡解為 與 。檢查 的正負:
- 時,;
- 時,;
- 時,。
因此,從 的兩側出發,解都會往 靠近; 是吸引子。 的兩側解則會遠離 ,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:
利用部分分式
積分得
將常數改寫後,可令
解出 :
此公式在分母不為零的區間上成立; 時得到平衡解 。分離變數時除以 ,故還要補上被排除的平衡解 。
3. 檢查初值 的最大解區間
代入通解:
因此
第 15 題
Here is the differential equation , with 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 or .
(D) The solution of this DE is .
(E) Given the initial condition , the solution interval is .
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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 ,在適當區域內滿足 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
令 、,則
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 :
兩側積分:
將常數重新命名後,可得
這是 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 ,還要檢查 ;代回原方程可知它也是一個解。
對初值 ,代入非零解族:
第 16 題
Which of the following is/are INCORRECT?
(A) Consider . is a regular singular point.
(B) Consider . is a regular singular point.
(C) Consider . There exists one solution that is analytic at .
(D) Consider . is a regular singular point.
(E) Consider . The solutions centered at must converge between .
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第 17 題
Given the differential equation (DE)
where is the independent variable. On the way to finding infinite series solutions around , which of the following are correct?
(A) There is no trivial solution.
(B) One of the indicial roots is .
(C) One of the solutions is a power series.
(D) The solution interval is .
(E) Given the form of a solution , where is a nonnegative integer, .
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第 18 題
Consider the differential equation (DE)
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 and , the solution .
(E) Provide and , the solution .
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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
且 、、 都只以一次方出現,稱為線性方程。若方程中沒有自變數 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
右側含有 ,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 ,因此是自治方程。
令 ,則 且 ,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:
代入方程左側:
初始值也符合:
第 19 題
Consider the differential equation (DE)
where is the independent variable. Provide and , which of the following is/are correct?
(A) The particular solution is , where .
(B) The particular solution is , where .
(C) The complementary function is , where .
(D) The complementary function is , where .
(E) The general solution is , where .
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第 20 題
Consider the differential equation (DE)
where is the independent variable. Which of the following is/are correct?
(A) If , and , the general solution is , where . and are functions in .
(B) If , the solution interval is .
(C) If , the solution interval is .
(D) If , the particular solution is , where .
(E) If , and , the general solution is , where .
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核心觀念
這是 Euler–Cauchy 方程。對 ,除以 後可寫成
其係數在 不連續,因此求解區間需落在 或 。齊次方程可設 ,得到特徵方程;非齊次方程則可用變數代換 ,把 Euler–Cauchy 算子轉成常係數微分算子。
解題方法
先令 ,設 ,則
所以齊次解為
在每個不含 的區間上成立。
若 ,令 ,並寫 。此時
方程化為
因為 。試設特解 ,代入可得
比較係數,得到 、。因此
非齊次方程的通解為
其解區間仍須避開 。
選項分析
(A) 正確。 取齊次基本解 、,則 。由 、 得