108 年 國立臺灣聯合大學系統(清華、政治、陽明交通、中央四校聯招)研究所電機類《工程數學(B)》
第 一 題
Consider a linear system
Which of the following statements is/are true?
(A) When and , the system is inconsistent.
(B) When and , the system has many solutions.
(C) When and , the system is consistent.
(D) When and , the system has at least one solution.
(E) When , the system has a unique solution.
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核心觀念
本題考查二元一次聯立方程組的解之情形:
- 唯一解:兩條方程式代表不同且不平行的直線。
- 無限多解:兩條方程式代表同一直線。
- 無解:兩條方程式代表平行且不重合的直線。
聯立方程組的係數矩陣為
其行列式為
因此:
- 時,,系統必有唯一解。
- 時,兩條方程式的左側可能成為倍數關係,需再比較右側常數。
解題方法
將第一式乘以 ,再由第二式減去所得方程式:
一般情況下,第二式減去第一式的 倍:
得到
情況一:
此時方程式變為
當
得到
兩條方程式互為倍數,實際上只剩一個獨立方程式:
令 ,則
其中 可為任意實數。因此系統有無限多組解。
當
得到
此式矛盾,因此系統無解,也就是不相容。
情況二:
由
可得
代回第一式:
第 二 題
Denote det A as the determinant of the matrix A, and denote as the inverse of the matrix A. Let A, B, and P be square matrices. Which of the following statements is/are true?
(A) It is always true that .
(B) If the columns of A are linearly dependent, then .
(C) It is always true that .
(D) If A is invertible, then .
(E) Suppose that P is invertible. Then .
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核心觀念
本題考查行列式的基本性質:
- 乘積公式:
- 矩陣行列式為零的判定:
若矩陣的行或列向量線性相依,則其行列式為 。 - 行列式一般不具加法性:
通常不能將行列式逐項相加。 - 逆矩陣的行列式:
- 相似矩陣的行列式相同:
解題方法
本題為複選題,直接逐一套用行列式的基本定理,並對錯誤敘述提供反例。
選項分析
(A) It is always true that .
由行列式乘積公式,
以及
由於 與 是數值,數的乘法具有交換律,因此
所以
注意:一般矩陣乘法不一定具有交換律,即 通常不等於 ,但兩者的行列式必定相等。
因此 (A) 正確。
(B) If the columns of A are linearly dependent, then .
行列式的基本判定定理指出:矩陣的列向量線性相依時,矩陣不可逆,其行列式必為零。
因此
因此 (B) 正確。
(C) It is always true that .
行列式對矩陣加法一般不具有線性。以 單位矩陣為例:
左側為
第 三 題
Let and define a transformation by . Which of the following statements is/are true?
(A) The image of under T is .
(B) There is exactly one whose image under T is .
(C) The vector is in the range of if is the image of some in .
(D) The vector is in the range of if the system is inconsistent.
(E) The vector is not in the range of .
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核心觀念
線性轉換 定義為
其中
對任意
有
本題涉及以下定義:
- 向量 在 的 range(值域、像空間)中,表示存在某個 ,使得 ,也就是 有解。
- 若 有唯一解,則表示恰有一個向量 映射到 。
- 若矩陣 的兩個欄向量線性獨立,則 只有零解, 為一對一,因此每個值域中的向量至多有一個原像。
解題方法
先直接計算選項給定的向量:
則
逐列計算:
因此
此外, 的兩個欄向量為
兩者不是倍數關係,因此線性獨立,故
因為 有 個欄向量且欄向量線性獨立,所以
因此 是一對一映射,落在值域中的向量至多只有一個原像。
選項分析
(A)
由計算結果:
因此選項 (A) 正確。
第 四 題
The set of polynomials of degree at most , , consists of all polynomials of the form . Let , , and . Which of the following statements is/are true?
(A) is in .
(B) To see whether the polynomials , , and form a basis for , we can place the coordinate vectors of the polynomials into the columns of a matrix and reduce the matrix to echelon form. If the resulting matrix is not invertible, then the polynomials , , and form a basis for .
(C) Polynomials , , and form a basis for .
(D) Consider the basis for . Let be the B-coordinate vector of . Given that , in is .
(E) Following (D), .
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核心觀念
本題考查以下觀念:
-
表示所有「次數至多為 」的多項式,因此
-
在標準基底 下,多項式可表示為座標向量。
-
三個多項式構成 的基底,必須同時滿足:
- 線性獨立;
- 張成 。
因為 的維度為 ,所以三個多項式只要其座標向量組成的矩陣可逆,即可構成基底。
-
若 為基底,且
則
解題方法
先將三個多項式寫成標準基底 下的座標向量:
將這三個座標向量置於矩陣的各欄:
計算行列式:
因此
所以 可逆,三個多項式線性獨立,並且構成 的基底。
選項分析
(A) is in .
其最高次項為 ,所以 。因此
故 (A) 正確。
第 五 題
Suppose that a matrix has rank 3. Denote as the dimension of a nonzero subspace , Nul as the null space of the matrix , Row as the column space of the matrix , rank as the rank of the matrix , and as the transpose of the matrix . Which of the following statements is/are true?
(A) Row .
(B) Row .
(C) Nul .
(D) Row .
(E) .
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核心觀念
本題考查矩陣的秩、行空間、零空間與轉置矩陣之間的關係。
設 為 矩陣,且
重要定理如下:
- 行空間的維度等於矩陣的秩:
- 矩陣與其轉置矩陣的秩相同:
- 秩-零度定理:
因為 有 欄,所以
解題方法
由題目已知
因此行空間維度為
又因為轉置不會改變矩陣的秩,
最後利用秩-零度定理:
所以 的零空間只有零向量:
選項分析
(A)
行空間的維度定義上等於矩陣的秩,因此
所以 (A) 正確。
(B)
由轉置矩陣的秩不變性,
而
第 六 題
Let , , and . Let the subspace be spanned by and . Which of the following statements is/are true?
(A) and are orthogonal.
(B) The closest point to in the subspace spanned by and is .
(C) The closest point in to is the projection of on .
(D) The distance from the point in to is defined as the distance from to the closest point in .
(E) The distance from to the subspace of spanned by and is 16.
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核心觀念
本題考查「子空間上的正交投影」與「點到子空間的距離」。
對子空間 ,若 為正交向量,則 在 上的投影為
此投影點就是 中距離 最近的點,而點到子空間的距離定義為
解題方法
先計算 與 的內積:
因此 互相正交,可以直接使用正交投影公式。
計算相關內積:
所以
代入向量:
因此
這就是 中距離 最近的點。
接著計算距離。由於投影分解為正交分解,
其中
且
第 七 題
Let be the inverse of the matrix , be the transpose of the matrix , and be the identity matrix. Which of the following statements about invertible matrices is/are true?
(A) If is both diagonalizable and invertible, then so is .
(B) Suppose that , where is an invertible matrix. Then and have the same column space.
(C) Suppose that and are square matrices, is invertible, and is invertible. Then is invertible.
(D) Suppose that , where and are matrices with the property that and , and is a diagonal matrix with positive on the diagonal. Then is invertible.
(E) Let , where , and are matrices, and is called the Schur complement of . Suppose that is invertible and is invertible, then is invertible.
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解題要點
- 可逆性:矩陣 可逆 ⇔ ⇔ 所有特徵值 。
- 可對角化:若 ,則 , 仍為對角矩陣。
- QR、SVD 形式:若 (或 )可逆,乘以正交矩陣 (, )不改列空間且保持可逆。
- 塊矩陣與 Schur 補數:
若 、 均可逆,則 必可逆(可由分塊求逆公式證得)。
(A)
可對角化且 → , 對角且無零特徵值 ⇒ 可逆。
仍為相似於對角矩陣,故 可對角化且可逆。正確。
(B)
,其中 為可逆方陣。
任一列向量 為 的列向量組合:( 為 的第
第 八 題
Let . Giving an orthogonal matrix and a diagonal matrix , we can orthogonally diagonalize in the way , where is the inverse of . Which of the following statements is/are true?
(A) The smallest eigenvalue of is -3.
(B) For the smallest eigenvalue of , a basis for the eigenspace is . For the largest eigenvalue of , a basis for the eigenspace is . For the third eigenvalue of , a basis for the eigenspace is .
(C) can be constructed as .
(D) can be constructed as , where , and are the eigenvalues of .
(E) .
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先求特徵多項式
因式分解得
故特徵值為 。
(A) 最小特徵值為 ,非 。 → 錯
(B)
- → 對應最大特徵值 。
- → 對應特徵值 。
第 九 題
Let the matrix . Let be the eigenvalue of , and be the transpose of . Which of the following statements is/are true?
(A) The characteristic polynomial of is .
(B) The singular values of are 117 and 0.
(C) Any factorization , with and orthogonal, and positive diagonal entries in , is called a singular value decomposition (SVD) of .
(D) Following (C), the matrices and are uniquely determined by , and the diagonal entries of are the singular values of .
(E) An SVD of is .
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步驟摘要
- 計算 :
-
特徵多項式:。
故 (A) 錯。 -
的特徵值為 。奇異值為 :。
故 (B) 錯。
第 十 題
Which of the following statements about the properties of matrices is/are true?
(A) An matrix with more rows than columns has full rank if and only if its columns are linearly dependent.
(B) Suppose that is an matrix such that for all in the equation has at most one solution. Then the columns of must be linearly dependent.
(C) is an eigenvalue of the matrix if and only if is an eigenvalue of , the transpose of .
(D) If the matrices and are both orthogonally diagonalizable and , then is also orthogonally diagonalizable.
(E) The trace of a square matrix , denoted by , is the product of the diagonal entries in . for any two matrices and .
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核心觀念
本題考查:
- 矩陣的秩與欄向量線性獨立性
- 線性方程組解的唯一性與零空間
- 特徵值與轉置矩陣
- 正交對角化與可交換矩陣
- 矩陣的跡(trace)及其循環性質
解題方法
逐一檢驗各選項的定義與定理,判斷敘述是否符合矩陣基本性質。
(A)
設 為 矩陣,且 。矩陣的秩滿足
「滿秩」在此情況下表示欄滿秩,即
這等價於 的 個欄向量線性獨立,而不是線性相依。
因此題述「滿秩若且唯若其欄向量線性相依」錯誤。
例如,一個 矩陣
具有 ,是滿欄秩,但兩個欄向量線性獨立。
故 (A) 錯誤。
(B)
對所有 ,方程
至多有一組解。
若 有兩組解 ,則
相減可得
因此要使解至多一組,必須滿足
這表示 只有零解,等價於 的欄向量線性獨立,也等價於
題目卻說欄向量必須線性相依,與上述結論相反。
故 (B) 錯誤。
(C)
矩陣 的特徵值 滿足
而轉置矩陣 的特徵值條件為
注意
由行列式轉置不變性,
因此
兩者具有相同的特徵多項式,故特徵值完全相同。
故 (C) 正確。
(D)
實矩陣能夠正交對角化,等價於它是實對稱矩陣。因此 、 均為實對稱矩陣。
又已知
第 + 題
Let be a continuous random variable that is uniformly distributed over and . Which of the following statements is/are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
因為 ,其機率密度函數為
因此:
- 對區間事件,機率等於區間長度。
- 期望值可由
計算。 - 的期望值與二階動差可直接由積分求得。
選項分析
(A)
由均勻分布的區間長度:
所以 (A) 正確。
(B)
所以 (B) 正確。
(C)
先解不等式。將二次式因式分解:
其根為
由於二次項係數為正,故
成立於
考慮 :
因為 ,所以 (C) 正確。
第 十二 題
Let be a Gaussian random variable such that and . Let be a Gaussian random variable such that and . In addition, and are statistically independent. Let be a random variable such that . Which of the following statements is/are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) is an exponential random variable.
(E) .
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核心觀念
本題考查:
- 期望值的線性性:
- 變異數與二階動差的關係:
- 獨立隨機變數的乘積期望:
- 常態分布的線性組合仍為常態分布。
- 標準常態隨機變數平方的分布。
由題意,
因此 ;又
因為 ,所以
故 。
解題方法
令
先計算其期望值:
因為 獨立,所以
因此
由於 為獨立常態隨機變數, 也是常態隨機變數,且
選項分析
(A)
由期望值線性性,
所以選項 (A) 正確。
(B)
已知
代入 與 :
所以選項所稱的 錯誤,選項 (B) 錯誤。
(C)
將 代入:
第 十三 題
Let be a continuous random variable with probability density function . In addition, for . Furthermore, . Moreover, , . Which of the following statements is/are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
連續型隨機變數的機率密度函數必須滿足:
此外,連續型隨機變數在單一點的機率為 :
題目又給出 ,因此 的機率全部集中在 內,故必須有
解題方法
由題目條件,在 時,
因此直接計算:
但是,由於 ,區間 已包含 的全部機率,所以密度函數總積分應為
這與
矛盾。因此,題目所描述的 並不存在;給定條件不是合法的機率密度函數條件。
選項分析
(A)
連續型隨機變數在任一單點的機率皆為 ,所以
故 (A) 錯誤。
(B)
依照題目直接給定的密度,
故 (B) 錯誤。
(C)
第 十四 題
Let be a positive real number. Let be a geometric random variable with PMF , . Which of the following statements is/are true?
(A) When , .
(B) .
(C) When , .
(D) When , .
(E) When , .
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核心觀念
此題考查以成功機率 定義的幾何分布:
其中 表示「第一次成功所需的試驗次數」。常用公式如下:
- 尾端機率:
因為前 次都必須失敗。
- 期望值:
- 記憶無關性:
- 當 時,代表第一次試驗失敗,因此之後還需等待一次成功:
所以
解題方法
各選項分別使用幾何分布的尾端機率、總和、期望值與條件期望值公式判斷。
選項 (A)
當 時,
因此選項 (A) 正確。
選項 (B)
幾何分布的 PMF 總和必須等於 :
令 ,由無窮等比級數公式,
因此
但選項右側為
對於 ,有 ,不等於 。
因此選項 (B) 錯誤。
選項 (C)
幾何分布的期望值為
第 十五 題
Consider the famous hat problem. Suppose that people throw their hats in a box and then each picks one hat at random. (Each hat can be picked by only one person, and each assignment of hats to persons is equally likely.) Let be a random variable that represents the number of people that get back their own hat. Which of the following statements is/are true?
(A) When , .
(B) When , .
(C) When , .
(D) When , .
(E) When , .
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核心觀念
每一種帽子分配方式都等可能,因此樣本空間共有 種排列。
令
則得到自己帽子的人數為
本題主要考查:
- 排列與固定點(拿回自己帽子)的計數。
- 錯排(derangement)的概念。
- 期望值的線性性:
對任一個人而言,拿到自己帽子的機率都是
因此
解題方法
時的情形
總分配方式為
排列如下:
- :三人都拿到自己的帽子,共 種。
- :指定一人拿到自己的帽子,其餘兩人必須互換帽子。
選擇拿到自己帽子的那一人有 種,其餘兩人互換的方式只有 種,因此
所以
時的情形
若有 個人拿到自己的帽子,則剩下的第 個人的帽子也只能被自己拿走,因此不可能恰好只有 個人拿回自己的帽子:
另一方面,利用指示變數法,
對任何正整數 都成立,故 時並非 。
時的情形
第 十六 題
Consider the famous hat problem as in the previous problem. Let be a random variable that takes value 1 if the th person selects his/her own hat, and takes value 0 otherwise. Let be the covariance of two random variables and . Which of the following statements is/are true?
(A) When , is .
(B) When , .
(C) When , .
(D) When , and are statistically independent.
(E) For any two random variables and , .
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核心觀念
帽子隨機分配可視為 個人的帽子形成一個隨機排列,共有 種等可能結果。
令
因此 是 Bernoulli 隨機變數,且
會用到的公式為
以及
由於 為指示變數,具有 的性質。
解題方法
當 時,
若同時有 ,表示第 、 人都拿到自己的帽子。固定這兩人的帽子後,剩下兩人的帽子可以任意排列,因此
所以
接著分別計算變異數、共變異數與總和的變異數。
選項分析
(A) 當 時,
由共變異數與變異數的關係,
因為 為成功機率 的 Bernoulli 隨機變數,
因此選項 (A) 正確。
(B) 當 時,
由前述計算,
且
所以
因此選項 (B) 正確。
(C) 當 時,
設
第 十七 題
Consider a continuous random variable . Let , . Which of the following statements is/are true?
(A) If is an exponential random variable with mean , , .
(B) .
(C) .
(D) If is a standard normal random variable, .
(E) If is a normal random variable such that and , .
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核心觀念
動差生成函數定義為
在 附近可微時,對 微分可得
因此
常態分布 的動差生成函數為
解題方法
逐一對照各選項中的分布參數與動差生成函數公式。指數分布可由其機率密度函數積分求得;常態分布則使用上式,並確認選項給的是變異數還是標準差。
選項分析
(A) 正確。 指數分布平均數為 ,其率參數為 ,機率密度函數為 ,其中 。因此
此積分收斂的條件是 ,與選項相符。
第 十八 題
Let and be independent random variables that are uniformly distributed on the interval . Define . Let be the probability density function of and be the cumulative distribution function of . Which of the following statements is/are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
為相互獨立且均勻分布於 的隨機變數,因此 在單位正方形 上均勻分布。事件 可改寫為 ,其機率等於該事件在單位正方形內所占的面積。
由於 ,分母為零的情形不影響 的分布。
解題方法
先求累積分布函數 。
當 時,因為 ,有 ,所以 。
當 時,直線 在正方形中圍出三角形區域,故
當 時,計算補事件 。它對應於 ,只在 的範圍內有面積,因此
所以 。綜合得
對累積分布函數分段微分,可得機率密度函數
第 十九 題
A defective coin minting machine produces coins whose probability of heads is a random variable with CDF , . A coin produced by this machine is selected and tossed twice, with successive tosses assumed independent. Let be the sample space. Let be a random variable that represents the number of heads in the first toss of the selected coin. Let be a random variable that represents the number of heads in the first two tosses of the selected coin. Let be the event that the first coin toss results in head. Namely, . Let be the conditional PDF of given event . Which of the following statements is/are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
機器先隨機產生硬幣,其正面機率為 ;已知 時,每次擲硬幣正面的機率是 。題目給定的累積分布函數在 上為 ,因此 的機率密度函數為
擲硬幣結果須先以 為條件計算,再對 的分布取平均。若已知第一次擲出正面,則以貝氏公式求 的條件密度。
解題方法
第一次擲出正面的機率為
因此第一次擲出反面的機率為
事件 表示第一次擲出正面。給定 時,事件 的機率為 ,故
對前兩次擲球,給定 時,兩次都不是正面的機率為 。因此
第 二十 題
Which of the following statements is/are true?
(A) If is an exponential random variable with mean , then , .
(B) If is a standard normal random variable, then , .
(C) If is a normal random variable such that and , then .
(D) If are independent and identically distributed random variables with mean , then .
(E) If are independent Poisson random variables with variance and , then .
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核心觀念
本題考查馬可夫不等式、切比雪夫不等式、大數法則與中央極限定理。
對非負隨機變數 ,馬可夫不等式為
若 的平均數為 、變異數為 ,切比雪夫不等式為
若 為獨立同分布且平均數有限,大數法則指出樣本平均會依機率收斂至母體平均。若再有有限變異數,中央極限定理則描述標準化樣本平均的極限分布。
解題方法與選項分析
(A) 正確
平均數為 的指數分布,其尾端機率為
因為對所有 ,,所以
因此此敘述成立。也可直接用馬可夫不等式,由 得 。
(B) 正確
因為
可對 使用馬可夫不等式。標準常態變數滿足 、,因此
所以
題目給的上界雖較寬鬆,仍然成立。
(C) 正確
已知 、,先求變異數:
套用切比雪夫不等式,取 :
因此此敘述成立。