112 年 國立臺灣大學電機工程研究所甲組《工程數學(含線性代數、微分方程)》
第 1 題7 分
- (7%) Determine which of the following statements are true.
(A) The solution set of the matrix equation with the matrix variable is equal to .
(B) If the matrix is skew-symmetric, i.e., , then is not invertible when is an odd positive integer.
(C) Let be the matrix transformation induced by the matrix . For every square matrix , Range() Null() = .
(D) If is an matrix and is an elementary matrix, then Null = Null .
(E) None of the above statements are true.
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核心觀念
本題考查:
- 矩陣多項式方程式的解
- 斜對稱矩陣與行列式
- 線性轉換的值域與零空間
- 初等矩陣對零空間的影響
- 複選題中逐項判斷真偽
選項分析
(A) 錯誤
矩陣方程式為
因為
所以
其中 與 確實都是解。然而,解不只這兩個矩陣。例如
滿足
但此矩陣既不等於 ,也不等於 。
因此,解集合不等於
選項 (A) 錯誤。
(B) 正確
由斜對稱矩陣的定義,
取行列式:
對 矩陣而言,
當 為奇數時,
因此
在實數矩陣中可得
所以 不可逆。選項 (B) 正確。
(C) 錯誤
令 為由矩陣 所誘導的線性轉換:
一般而言,值域與零空間不一定只有零向量的交集。
取
對任意 ,
因此
另一方面,
所以
第 2 題7 分
- (7%) Which of the following subsets of are a subspace.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
判斷 是否為子空間,需檢查:
- 零向量是否屬於 ;
- 對任意 ,是否有 ;
- 對任意純量 、,是否有 。
常用定理:
- 齊次線性方程組的解集合,即矩陣的 kernel,必為子空間。
- 任意向量集合所張成的 Span 必為子空間。
- 兩個子空間的聯集通常不是子空間,除非其中一個包含於另一個。
解題方法與選項分析
(A)
零向量為
但
因此 ,不符合子空間必要條件。
所以 錯誤。
(B)
此集合包含所有至少有一個座標為 的向量,因此零向量屬於 。但加法封閉性不成立。
取
兩者皆屬於 ,因為
然而
其座標乘積為
故 ,不具加法封閉性。
所以 錯誤。
(C)
令
則
對任意 ,有
`
因此
所以 。
對任意 ,有
所以 。此外,
故零向量也屬於 。
因此 是矩陣 的零空間,必為子空間。
所以 正確。
(D)
第 3 題7 分
- (7%)
, . Which of the following statements are true?
(A) Let be the matrix transformation induced by the matrix . is one-to-one.
(B) Let be the matrix transformation induced by the matrix . is onto.
(C) The dimension of the range of is equal to 2.
(D) Null .
(E) Let be any basis for the range of and be any basis for Span . Then constitutes a basis for .
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核心觀念
本題主要考查:
- 方陣是否可逆與矩陣轉換的一對一、映成關係。
- 行列式與零空間(null space)的判斷。
- 秩—零度定理:
- 向量組的線性獨立與張成空間。
- 基底的向量個數與所在向量空間的維度。
解題方法
先計算矩陣 的行列式:
沿第一列展開:
因此
所以 可逆,且
由於 是從 到 的矩陣轉換,因此可逆性同時保證一對一與映成。
接著檢查集合 :
將三個向量作為行列式的欄向量:
因此 中的三個向量線性獨立,且在 中形成一組基底,所以
選項分析
(A) 正確
矩陣轉換 一對一的條件是
由於 ,矩陣 可逆,因此零空間只有零向量,故 是一對一。
(B) 正確
第 4 題7 分
- (7%) Let and be and matrices respectively. Which of the following statements are true?
(A) Col is a subset of Col .
(B) .
(C) .
(D) Suppose that and is an invertible square matrix. Then Col is a subset of Col .
(E) None of the above statements are true.
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核心觀念
本題考查矩陣乘積 的欄空間與秩之間的關係。
設 為 矩陣, 為 矩陣,則 為 矩陣。
矩陣 的每一個欄向量,都可寫成
其中 是 的第 欄。由於 是 的欄向量之線性組合,因此
所以一般而言, 的欄空間是 的欄空間的子空間,並得到秩不增加的結論:
若 是可逆方陣,右乘 只會對欄向量做可逆的線性組合,不會改變欄空間,因此
解題方法
關鍵是觀察 的欄向量。
令
則
每個 都是 的欄向量之線性組合,所以
由子空間包含關係可知
也就是
當 為可逆方陣時,因為 存在,
因此 的每個欄向量也都是 的欄向量之線性組合,得到
配合原本的包含關係,便有
選項分析
(A) is a subset of
錯誤。
一般情況下正確的包含方向是
而不是反過來。
例如取
此時
所以
第 5 題7 分
- (7%) Let be an invertible matrix and be an matrix. Let and be the reduced row echelon form of and respectively. Which of the following statements are true?
(A) is an identity matrix.
(B) If is also the reduced row echelon form of , then must be equal to .
(C) .
(D) Let be a linearly independent set of vectors in . Then is linearly independent.
(E) Suppose that is linearly independent. It is necessary that .
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核心觀念
本題考查以下觀念:
- 可逆矩陣必為方陣:若 為可逆矩陣,則必有 ,且 。
- 列最簡梯形矩陣的唯一性:每個矩陣都有唯一的 reduced row echelon form(RREF)。
- 列運算與行列式:列運算通常會改變行列式,因此矩陣與其 RREF 的行列式不一定相等。
- 線性獨立與可逆線性轉換:若 可逆,則 會保留線性獨立性;但題目沒有假設 可逆。
- 中線性獨立向量的數量上限: 中最多只能有 個線性獨立向量。
解題方法
逐一判斷各選項。對於 ,利用「可逆矩陣的 RREF 為單位矩陣」;對於 的相關敘述,檢查其是否需要 可逆;最後利用 的維度判斷向量個數。
選項分析
(A) 是一個 identity matrix
因為 可逆,所以 是 的方陣,且其列向量線性獨立,矩陣秩為 。
將 做列運算化為 RREF 時,每一欄都會有主元,因此其 RREF 必為 單位矩陣:
因此選項 (A) 正確。
(B) 若 也是 的 reduced row echelon form,則 必等於
列最簡梯形形式具有唯一性。也就是說,對同一個矩陣 ,不論採用何種合法的列運算順序,最後得到的 RREF 都相同。
因此若 與 都是 的 RREF,則
因此選項 (B) 正確。
(C)
由選項 (A) 可知
所以
但 化為 RREF 的過程可能使用縮放列,例如將某一列除以 。此列運算會改變行列式,因此 不一定等於 。
例如取
則 可逆,且
但其 RREF 為
第 6 題7 分
- (7%) Determine which of the following statements are true?
(A) Let be a basis of and be an matrix. If for every vector , then is orthogonal.
(B) If two square matrices have the same characteristic polynomials, then they are similar.
(C) In an inner-product space , if for every vector in a basis for , then .
(D) If two vectors are linearly independent and they are both eigenvectors of a symmetric matrix, then they are orthogonal.
(E) Let be an matrix and . If is the orthogonal projection matrix for , then is consistent for every .
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核心觀念
本題考查:
- 正交矩陣與範數、內積的關係
- 特徵多項式與相似矩陣
- 內積的非退化性
- 對稱矩陣不同特徵值之特徵向量正交
- Column space 與正交投影
正交矩陣的判定為
等價於
僅知道部分向量的長度不變,通常不足以推出 為正交矩陣。
選項分析
(A) 錯誤
題目中的 是 的基底,而 是 矩陣;嚴格來說,當 時, 未必有定義。依通常題意,將 視為 的基底。
即使對基底中每個向量都保長,也不代表不同基底向量之間的內積保持不變。
取 的標準基底
並令
矩陣的兩個欄向量分別為
因此
但
所以 不是正交矩陣。故 (A) 錯誤。
(B) 錯誤
相同的特徵多項式只能表示兩個矩陣具有相同的特徵值及代數重數,不能保證它們具有相同的 Jordan 結構。
考慮
兩者的特徵多項式皆為
然而:
- 的零空間維度為 ;
- 的零空間只有
維度為 。
相似矩陣具有相同的秩、零空間維度及最小多項式,但上述兩矩陣的零空間維度不同,因此不相似。
故 (B) 錯誤。
(C) 正確
已知對基底中的每個向量 ,都有
第 7 題8 分
- (8%) Let be defined by
,
where .
(A) is a linear transformation.
(B) is an isomorphism.
(C) The eigenvalues of are 0 and -3.
(D) A set of vectors consisting of the basis of each eigenspace for all eigenvalues of constitutes a basis for .
(E) Let be a basis for . Then any vector in vector space can be uniquely represented as a linear combination of the vectors in .
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核心觀念
本題考查線性代數在函數/多項式向量空間中的綜合應用,涵蓋以下核心觀念:
- 線性變換(Linear Transformation):驗證映射是否具備加法性(Additivity)與純量乘法性(Homogeneity)。
- 多項式空間的矩陣表示法(Matrix Representation):利用標準基底 將線性算子 轉換為對應矩陣 。
- 同構(Isomorphism)與可逆性(Invertibility):有限維空間中,線性變換為同構的充要條件是其對應矩陣為非奇異()。
- 特徵值與特徵空間(Eigenvalues & Eigenspaces):透過特徵方程式 求解特徵值,並由代數重數與幾何重數探討對角化與特徵基底。
- 基底與唯一座標表示(Basis & Unique Representation):三維向量空間中,任意 3 個線性獨立的向量構成基底,且空間中任意向量皆可被該基底「唯一」線性表出。
解題方法
令 的標準有序基底為 。
步驟 1:求 在標準基底 下的矩陣表示法
依題意 ,分別計算各基底向量的映象:
-
當 時:
、、、其座標向量為 。
-
當 時:
、、、其座標向量為 。
-
當 時:
、、、其座標向量為 。
由此得 的矩陣表示為:
步驟 2:計算行列式與特徵方程式
由 的第一列展開特徵方程式:
化簡中括號部分:
故特徵方程式為:
第 8 題5 分
For the following problems (8 to 17), assume: and
- (5%) The following differential equation can be classified as:
(A) linear homogenous
(B) linear nonhomogenous
(C) nonlinear homogenous
(D) nonlinear nonhomogenous
(E) cannot determine
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核心觀念
一階微分方程若可寫成
其中 與 皆只以一次方出現,且係數只依賴於 ,則稱為線性微分方程。
- 若 ,稱為線性齊次方程。
- 若 ,稱為線性非齊次方程。
本題方程為
將含有 的項合併:
可直接與標準形式比較。
解題方法
左側的未知函數只有 與 ,且兩者皆為一次方;其係數 、 只與自變數 有關。因此此方程是線性的。
右側為
不是恆等於零的函數,所以屬於非齊次方程。
若在 的區間上除以 ,可寫成標準形式:
這正是
的線性一階非齊次微分方程形式。
選項分析
第 9 題5 分
- (5%) For the following differential equation, is which type of point?
(A) ordinary
(B) regular singular
(C) irregular singular
(D) none of these
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核心觀念
二階線性微分方程
在 附近先除以 ,化為標準形式:
其中
分類定義如下:
- 普通點(ordinary point): 與 在 解析。
- 正則奇異點(regular singular point): 未必解析,但 與 在 解析。
- 非正則奇異點(irregular singular point):不符合上述兩種情形。
解題方法
題目中的係數為
除以 ,得到
在 的鄰域內約分:
因此
考察 :
第 10 題5 分
- (5%) Which is a solution of the following differential equation on interval ?
(A)
(B)
(C)
(D) all of the above
(E) none of these
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觀念與推導
利用分離變數法(Separation of Variables)求解微分方程:
將變數 與 分離:
兩邊進行不定積分:
可知原微分方程之通解為雙曲線族 。
第 11 題5 分
- (5%) Which is a solution to the following differential equation?
(A)
(B)
(C)
(D) both A and B
(E) all of the above
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觀念與推導
一階齊次線性微分方程 可由分離變數法求得通解:
其中 為任意實數常數。
選項分析
-
(A) :
當 時,。代入得 恆成立,故 為本方程之平凡解(Trivial solution)。 -
(B) :
代入左式得 ,不滿足微分方程,故非本方程之解。
第 12 題5 分
- (5%) Which is the general solution to the following differential equation?
Assume , and are arbitrary constants.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E) none of these
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核心觀念
本題考查三階常係數齊次線性微分方程:
令試探解為 ,則
代入原方程:
因為 ,得到特徵方程
利用立方公式:
因此特徵根為 ,且為三重根。
解題方法
對於特徵根 的重數為 ,對應的三個線性獨立解為
取 ,原微分方程的通解為
故正確選項為 。
亦可將微分算子因式分解:
所以方程可寫成
令
則有
進而
因此
故
最後得到
選項分析
-
(A) 錯誤
三項均為 的常數倍:
第 13 題5 分
- (5%) Which is the general solution to the following differential equation?
Assume and are arbitrary constants.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E) none of these
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核心觀念
本題考查 Euler–Cauchy(柯西–歐拉)型微分方程:
其標準作法是假設冪次解
將微分方程轉換成代數形式的特徵方程。若特徵根為兩個相異實根 ,則通解為
解題方法
令
則
代入原方程:
得到
整理得
因為 ,所以特徵方程為
即
因式分解:
因此兩個特徵根為
所以微分方程的通解為
若考慮實數範圍且 可為負值,也可寫成
在通常考試所取的 區間,形式即為 。
選項分析
-
(A)
此形式為這是常係數微分方程具有複數特徵根時常見的解型,並非本題 Euler–Cauchy 方程的解型,因此錯誤。
-
(B)
此形式為
第 14 題5 分
- (5%) Which is the general solution to the following differential equation?
Assume and are arbitrary constants.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E) none of these
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核心觀念
本題考查二階常係數齊次線性微分方程:
其特徵方程為:
根據特徵根的種類,可判斷通解形式。本題的微分方程為
除以 得
解題方法
設解為 ,則
代入 :
因為 ,所以特徵方程為
因式分解:
因此兩個相異實根為
故微分方程的通解為
利用雙曲函數定義:
因此也可將通解改寫為
選項分析
(A)
兩項皆為 ,實際上只能合併為單一常數倍的 ,無法提供二階微分方程所需的兩個線性獨立解。此外,
代入 不成立。因此錯誤。
第 15 題5 分
- (5%) Which is the general solution to the following differential equation?
Assume , and are arbitrary constants.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E) none of these
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【重點觀念】
二階常係數齊次線性微分方程求通解。
【詳細解析】
給定二階常係數齊次微分方程:
寫出對應的特徵方程式(Characteristic Equation):
因式分解得:
特徵根為重根 ,故微分方程之通解為:
第 16 題5 分
- (5%) For the following differential equation on the interval :
which of the following equations are solutions?
(A)
(B)
(C)
(D) Both A and B
(E) Both B and C
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核心觀念
本題考查冪級數與 Frobenius 級數代入微分方程的方法。設
代入微分方程後,比較各次方 的係數,即可得到係數遞迴關係。
原方程為
解題方法一:檢查一般冪級數解
先設
則
代入原方程:
比較 的係數:
- 來自 :
- 來自 中的 :
- 來自 與 :
因此
即
所以
若令 ,便得到
因此
這正是選項 (C)。
解題方法二:檢查含半整數次方的 Frobenius 級數
考慮
令 。代入後,最低次方項的係數為
當 時,
故半整數次方的級數形式是可行的。
對 ,比較 的係數,可得
第 17 題5 分
- (5%) Which is the general solution to the following differential equation?
Assume and are arbitrary constants.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考察二階常係數非齊次微分方程:
其通解由兩部分組成:
其中:
- :齊次方程 的通解。
- :對非齊次項 所求得的特解。
特別注意,因為 已出現在齊次解中,所以對 要使用「共振」形式,特解必須乘上 。
解題方法
1. 求齊次解
先解齊次方程:
特徵方程為:
因此:
齊次解為:
2. 求右側 所對應的特解
對於多項式 ,設:
因為 ,代入方程左側得:
與 比較係數:
所以:
3. 求右側 所對應的特解
由於 已經是齊次解的一部分,直接設 會與齊次解重複,因此需乘上 。
取:
計算導數:
因此:
要求其等於 :
所以:
得到:
4. 組合通解
因此原微分方程的通解為: