109 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 1 題12 分
- (12%) A "mixer" is an RF electric circuit that is commonly used in communication systems to shift the EM wave's frequency to a desired frequency band by multiplying an input sinusoidal wave with another sinusoidal wave. The configuration of a mixer is simply a combination of an electric multiplier and a band-pass filter (BPF) as shown in the following diagram. Assume the input vector space is generated by input sinusoidal waves with the same non-zero amplitude , but different frequencies, , and the output vector space is generated by these "down-converted" sinusoidal waves.
Note: "down-convert" means the frequency is reduced.
(a) (5%) Show that the input signals are linearly independent.
(b) (7%) Please verify that if this mixer performs a linear transformation in this system.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(方塊圖:輸入 進入乘法器,與由下方輸入的 相乘,乘積再通過 BPF 成為輸出(Output);乘法器與 BPF 以虛線框起,合稱 Mixer。)
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核心觀念
本題考兩個觀念:
- 線性獨立:若只有所有係數皆為零,才能使訊號的線性組合在所有時間都等於零,這些訊號便線性獨立。
- 線性轉換:轉換 須滿足
依圖示,混頻器由「乘上固定的本地振盪訊號」及「通過固定的帶通濾波器」組成。以下將各輸入頻率視為互異的正頻率,並假設濾波器保留乘積中的差頻分量。
解題方法
令第 個輸入訊號為
其中 ,且 互異。
(a) 證明輸入訊號線性獨立
假設存在係數 ,使得
對所有 成立。因 ,可將上式除以 :
對等式分別取 階導數,並令 。利用
得到
這是一個以 為節點的 Vandermonde 線性方程組。由於頻率互異且為正數, 也互異,因此其係數矩陣可逆,唯一解為
故這 個輸入訊號線性獨立。
(b) 判斷混頻器是否為線性轉換
令固定的本地振盪訊號為
第 2 題13 分
- (13%) Fourier series says that any periodic function can be expressed as a linear combination of infinite harmonic cosine and sine functions.
(a) (8%) If the period of a set of periodic functions is , what is the orthonormal basis of the vector space that these periodic functions belong to? You have to show the vectors in the basis are orthonormal to get full credit.
(b) (5%) From the spectral theorem, find a vector in a subspace spanned by only so that has the shortest distance to the function in the interval .
Note: In this problem, you may need: and
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核心觀念
週期為 的平方可積函數,可視為定義在 上、再作週期延拓的函數。採用內積
時,傅立葉基底由常數函數、餘弦函數與正弦函數組成。最接近給定函數的子空間向量,是該函數在子空間上的正交投影。
解題方法
(a) 建立正交歸一基底
一組正交歸一基底為
對正整數 ,利用三角函數乘積公式可得
且
此外,對所有正整數 ,
因此,基底中不同向量的內積皆為 ;每個向量的範數皆為 。例如,
而常數基底向量的範數平方為
第 3 題25 分
- (25%) Which of the following statements is TRUE and which one is FALSE? Justify your answers.
(a) (5%) The set is not a subspace.
(b) (5%) Let . Suppose the system has infinitely many solutions and has only one solution. This implies the system has exactly one solution.
(c) (5%) If has an eigenvector with eigenvalue , then has as an eigenvector with the eigenvalue .
(d) (5%) If and , then is singular.
(e) (5%) Consider the following linear equations characterized by :
Then is a solution to the above linear equations, where is the pseudo-inverse of and (null space of ). If your answer is "False", please describe the physical meaning of .
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核心觀念
本題考查子空間、齊次線性系統的零空間、矩陣函數對特徵向量的作用、矩陣交換子,以及 Moore–Penrose 偽逆的最小平方意義。
選項分析
(a) 假
反對稱矩陣集合 是子空間。零矩陣滿足 ,所以 。若 ,且 ,則
因此, 對線性組合封閉,符合子空間條件。題目聲稱它不是子空間,故為假。
(b) 假
有無限多個解,表示 含有非零向量。另一方面, 只有零解;由於 是方陣,這表示 可逆。
令 ,則
因為 可逆, 對應到唯一的 。所以 有無限多個解,不會只有一個解。題目敘述為假。
(c) 真
矩陣指數由冪級數定義:
若 ,則對每個非負整數 ,
因此
故 仍是 的特徵向量,對應特徵值為 。題目敘述為真。
(d) 真
利用跡的循環性 ,對
第 4 題16 分
- (16%) Consider a vector of independent binary random variables in which , , and for .
(a) (6%) Consider a new binary random variable which is the binary sum of and , i.e., . Please show that the log-likelihood ratio of defined as , can be expressed as .
(b) (10%) Please show that the probability that contains an even number of 1s is .
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核心觀念
本題考兩個觀念:
- 獨立事件的聯合機率:若 獨立,聯合事件機率可由各自機率相乘。
- 奇偶指示量:對整數 , 在 為偶數時等於 ,在 為奇數時等於 。因此可用 的期望值計算偶數個 1 的機率。
(a) 推導
為兩個位元的 XOR。 表示兩者相同, 表示兩者不同。利用獨立性:
依照題目定義,
將分子、分母同除以 ,並使用 :
(b) 偶數個 1 的機率
令 ,則 是向量 中 1 的總數。用偶數指示量表示偶數個 1 的機率:
第 5 題17 分
- (17%) Consider a Gaussian distributed random variable with mean and variance . The moment-generating function of is defined as .
(a) (3%) Derive the moment-generating function of .
(b) (3%) If the first moment and second moment of are 2 and 20, respectively, find the moment-generating function of the random variable based on the result obtained from (a).
(c) (2%) Based on the result obtained from (b), find the mean and variance of .
(d) (4%) Find the correlation coefficient between and .
(e) (2%) What can you say about the range of the probability of ?
(f) (3%) Assume that Alice try to estimate the mean of based on a random sample of size taken from the distribution of . Find the minimum sample size required to ensure that the estimation error is smaller than 0.5 with a probability of 0.9.
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核心觀念
本題考查常態隨機變數的動差生成函數(moment-generating function, MGF)、線性轉換後的平均數與變異數、相關係數,以及常態母體下樣本平均數的抽樣分布。
若 ,則
此外,若 ,則 、,且 。
解題方法與推導
(a) 推導 的動差生成函數
由常態分布的機率密度函數,
將指數中的項配方:
因此,積分中與常態密度相同的部分積分為 ,得到
(b) 求
題目給定 、,因此
所以
又 ,使用線性轉換公式:
代入 :
故
(c) 求 的平均數與變異數
由 ,
因此
(d) 求 與 的相關係數
因為 ,且乘上正數、加上常數不改變相關係數的正負與大小,
已知 。令 ,則 、,且常態分布的三階中央動差 。因此
第 6 題17 分
- (17%) Random variables and have joint probability density function
Let .
(a) (4%) Find .
(b) (4%) Find .
(c) (4%) Find .
(d) (5%) Find .
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核心觀念
聯合機率密度的邊際密度,需對另一個變數在聯合支持範圍內積分:
在事件 下的條件聯合密度為
接著對條件聯合密度積分可得條件邊際密度,再用定義計算條件期望。
解題方法與推導
(a) 求
固定 時, 的範圍是 ,因此
所以
(b) 求
事件 與原本支持範圍合併後,固定 時的 範圍為
先計算事件機率。當 時,;當 時,事件將 的上限截為 。因此
故事件 下的條件聯合密度為
(c) 求
若 固定,條件 表示 或 。因此 時,