111 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)》

📄 試題原卷 免費註冊後即可對照原始考卷 PDF免費註冊

第 1 題

Problem 1. (25%) Multiple Choice Questions: There may be more than one correct choice
for each of the multiple choice questions. You need to select all choices that apply for each
question. No credit is given unless you select all of the correct choices and no others.

  1. (7%) Consider the following system of linear equations:
    x1+3x2+2x4=b1x_1 + 3x_2 + 2x_4 = b_1
    x3+4x4=b2x_3 + 4x_4 = b_2
    x1+3x2+x3+6x4=b3x_1 + 3x_2 + x_3 + 6x_4 = b_3
    🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
    This system can be written in matrix form Mx=bMx = b.
    Which of the following statements is/are true?
    (A) The system is always solvable.
    (B) The dimension of the column space of M is 2.
    (C) The dimension of the row space of M is 2.
    (D) The dimension of the nullspace of M is 2.
    (E) The nullspace of M is orthogonal to the column space of M.
🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 1 頁

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

矩陣 MM 的秩等於列空間與行空間的維度;若 MM 有 nn 個欄,則由秩-零度定理,

dim⁡Null⁡(M)=n−rank⁡(M).\dim\operatorname{Null}(M)=n-\operatorname{rank}(M).

此外,Mx=bMx=b 對所有 b∈R3b\in\mathbb R^3 都有解,必須滿足 MM 的欄空間涵蓋整個 R3\mathbb R^3。

解題方法

依題目方程式,係數矩陣為

M=[130200141316].M= \begin{bmatrix} 1&3&0&2\\ 0&0&1&4\\ 1&3&1&6 \end{bmatrix}.

第三列是前兩列相加,因此第三列不增加秩;前兩列彼此獨立,所以

rank⁡(M)=2.\operatorname{rank}(M)=2.

矩陣有 44 個欄,故

dim⁡Null⁡(M)=4−2=2.\dim\operatorname{Null}(M)=4-2=2.

選項分析

🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊,享三天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 2 題

  1. (7%) Consider the following matrices:
    M=[0.70.20.30.8]M = \begin{bmatrix} 0.7 & 0.2 \\ 0.3 & 0.8 \end{bmatrix} and M∞=lim⁡n→∞Mn=[abcd]M^\infty = \lim_{n \to \infty} M^n = \begin{bmatrix} a & b \\ c & d \end{bmatrix}.
    Which of the following statements is/are true?
    (A) a = 3/5.
    (B) b = 2/5.
    (C) c = 3/5.
    (D) d = 2/5.
    (E) None of the above.
🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 1 頁

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考察矩陣冪極限 M∞=lim⁡n→∞MnM^\infty=\lim_{n\to\infty}M^n,以及特徵值與特徵向量。若矩陣的特徵值包含 11,且其餘特徵值絕對值小於 11,則矩陣冪的極限會保留特徵值 11 所對應的部分。


解題方法

給定

M=[0.70.20.30.8].M= \begin{bmatrix} 0.7&0.2\\ 0.3&0.8 \end{bmatrix}.

先求特徵值:

det⁡(M−λI)=∣0.7−λ0.20.30.8−λ∣\det(M-\lambda I) = \begin{vmatrix} 0.7-\lambda&0.2\\ 0.3&0.8-\lambda \end{vmatrix} =(0.7−λ)(0.8−λ)−0.06=λ2−1.5λ+0.5=(λ−1)(λ−0.5).=(0.7-\lambda)(0.8-\lambda)-0.06 =\lambda^2-1.5\lambda+0.5 =(\lambda-1)(\lambda-0.5).

因此特徵值為

λ1=1,λ2=0.5.\lambda_1=1,\qquad \lambda_2=0.5.

因為 ∣0.5∣<1|0.5|<1,所以當 n→∞n\to\infty 時,λ2n→0\lambda_2^n\to 0,只剩下特徵值 11 所對應的投影矩陣。

對 λ=1\lambda=1,求右特徵向量:

(M−I)v=0⟹[−0.30.20.3−0.2][xy]=0.(M-I)v=0 \quad\Longrightarrow\quad \begin{bmatrix} -0.3&0.2\\ 0.3&-0.2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix}=0.

由 −0.3x+0.2y=0-0.3x+0.2y=0 得

y=32x.y=\frac{3}{2}x.

可取右特徵向量

v=[23].v= \begin{bmatrix}2\\3\end{bmatrix}.

左特徵向量 wTw^T 滿足 wTM=wTw^TM=w^T,可取

🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊,享三天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 3 題

  1. (6%) Which of the following subsets of R³ are subspaces (or is a subspace)?
    (A) All vectors [x y z]T[x \ y \ z]^T with x=yx = y.
    (B) All vectors [x y z]T[x \ y \ z]^T with xyz=0xyz = 0.
    (C) All vectors [x y z]T[x \ y \ z]^T with x≤y≤zx \leq y \leq z.
    (D) All vectors [x y z]T[x \ y \ z]^T with x−y+z=1x - y + z = 1.
    (E) All vectors [x y z]T[x \ y \ z]^T with x−y+z=0x - y + z = 0.
🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 1 頁

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

子集合 W⊆R3W\subseteq \mathbb{R}^3 為子空間,必須滿足:

  1. 零向量 0∈W\mathbf{0}\in W;
  2. 對向量加法封閉;
  3. 對純量乘法封閉。

若集合可表示為齊次線性方程式

ax+by+cz=0,a x+b y+c z=0,

則它是線性映射的核,因此必為子空間。

解題方法

逐一檢查各選項是否包含零向量,並判斷其條件是否為齊次線性條件,以及是否對加法與純量乘法封閉。

選項分析

(A) x=yx=y

可改寫為

x−y=0.x-y=0.

這是齊次線性方程式。零向量 (0,0,0)(0,0,0) 滿足條件;若 u,v\mathbf{u},\mathbf{v} 都滿足 x=yx=y,則其和仍滿足該條件;純量倍數也仍滿足 x=yx=y。

因此,(A) 是子空間。

(B) xyz=0xyz=0

此條件表示 x=0x=0、y=0y=0 或 z=0z=0,是三個座標平面的聯集,不是單一線性子空間。

例如

u=(1,0,1),v=(0,1,1)\mathbf{u}=(1,0,1),\qquad \mathbf{v}=(0,1,1)

都滿足 xyz=0xyz=0,但

u+v=(1,1,2),\mathbf{u}+\mathbf{v}=(1,1,2),

且

1⋅1⋅2≠0.1\cdot 1\cdot 2\neq 0.
🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊,享三天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 4 題

  1. (5%) Consider the following vectors:
    b=[100]b = \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix}, a1=[110]a_1 = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix}, a2=[222]a_2 = \begin{bmatrix} 2 \\ 2 \\ 2 \end{bmatrix}, and a3=[−12−1]a_3 = \begin{bmatrix} -1 \\ 2 \\ -1 \end{bmatrix}.
    Project bb onto lines through a1a_1, a2a_2, and a3a_3 with orthogonal projections P1P_1, P2P_2, and P3P_3, respectively. Let p=P1+P2+P3=[x y z]Tp = P_1 + P_2 + P_3 = [x \ y \ z]^T with length (norm) ∣∣p∣∣||p||. Which of the following statements is true?
    (A) ∣∣p∣∣=1/9||p|| = 1/9.
    (B) ∣∣p∣∣=1/3||p|| = 1/3.
    (C) ∣∣p∣∣=2/3||p|| = 2/3.
    (D) ∣∣p∣∣=1||p|| = 1.
    (E) None of the above.
🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 2 頁

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查向量的正交投影。將向量 bb 投影到由 aia_i 張成的直線上,投影公式為

Pi=bTaiaiTaiai.P_i=\frac{b^Ta_i}{a_i^Ta_i}a_i.

題目給定

b=[100],a1=[110],a2=[222],a3=[−12−1].b=\begin{bmatrix}1\\0\\0\end{bmatrix},\quad a_1=\begin{bmatrix}1\\1\\0\end{bmatrix},\quad a_2=\begin{bmatrix}2\\2\\2\end{bmatrix},\quad a_3=\begin{bmatrix}-1\\2\\-1\end{bmatrix}.

解題方法

先分別計算三個投影向量。

對 a1a_1:

bTa1=1,a1Ta1=2b^Ta_1=1,\qquad a_1^Ta_1=2

因此

P1=12[110]=[12120].P_1=\frac{1}{2} \begin{bmatrix}1\\1\\0\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}\frac12\\\frac12\\0\end{bmatrix}.

對 a2a_2:

bTa2=2,a2Ta2=22+22+22=12b^Ta_2=2,\qquad a_2^Ta_2=2^2+2^2+2^2=12

因此

P2=212[222]=[131313].P_2=\frac{2}{12} \begin{bmatrix}2\\2\\2\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}\frac13\\\frac13\\\frac13\end{bmatrix}.

對 a3a_3:

bTa3=−1,a3Ta3=(−1)2+22+(−1)2=6b^Ta_3=-1,\qquad a_3^Ta_3=(-1)^2+2^2+(-1)^2=6

因此

🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊,享三天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 Problem 2 題10 分

Problem 2. (10%) Let RnR^n denote the set of all real n×1n \times 1 vectors, and span{V1,...,Vk}={∑i=1kαiVi∣αi∈R,Vi∈Rn}span\{V_1,...,V_k\} = \{\sum_{i=1}^k \alpha_i V_i \mid \alpha_i \in R, V_i \in R^n\}. Suppose
W1=span{[110],[011]}W_1 = span \left\{ \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix}, \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{bmatrix} \right\}, W2=span{[101],[110]}W_2 = span \left\{ \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix}, \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix} \right\}.
Find a basis for W1∩W2W_1 \cap W_2 (i.e., the intersection of W1W_1 and W2W_2). (You need to provide logical reasoning and/or derivations, otherwise no credits)

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 2 頁

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查兩個子空間交集 W1∩W2W_1\cap W_2 的求法。向量同時屬於 W1W_1 與 W2W_2,必須滿足兩個 span 的表示形式。

令

V1=[110],V2=[011],V_1=\begin{bmatrix}1\\1\\0\end{bmatrix},\quad V_2=\begin{bmatrix}0\\1\\1\end{bmatrix}, U1=[101],U2=[110].U_1=\begin{bmatrix}1\\0\\1\end{bmatrix},\quad U_2=\begin{bmatrix}1\\1\\0\end{bmatrix}.

解題方法

任取 W1W_1 中的向量:

[x1x2x3]=α[110]+β[011]=[αα+ββ].\begin{bmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{bmatrix} = \alpha\begin{bmatrix}1\\1\\0\end{bmatrix} +\beta\begin{bmatrix}0\\1\\1\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}\alpha\\\alpha+\beta\\\beta\end{bmatrix}.

因此,W1W_1 中的向量必須滿足

x1=α,x2=α+β,x3=β,x_1=\alpha,\quad x_2=\alpha+\beta,\quad x_3=\beta,

所以

x2=x1+x3.(1)x_2=x_1+x_3. \tag{1}

同理,任取 W2W_2 中的向量:

[x1x2x3]=γ[101]+δ[110]=[γ+δδγ].\begin{bmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{bmatrix} = \gamma\begin{bmatrix}1\\0\\1\end{bmatrix} +\delta\begin{bmatrix}1\\1\\0\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}\gamma+\delta\\\delta\\\gamma\end{bmatrix}.

因此

🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊,享三天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 Problem 3 題15 分

Problem 3. (15%) Let
A=[422242224]A = \begin{bmatrix} 4 & 2 & 2 \\ 2 & 4 & 2 \\ 2 & 2 & 4 \end{bmatrix}
Find (a) (10%) eigenvalues and orthonormal eigenvectors of AA, and (b) (5%) a matrix BB such that B2=AB^2 = A. (You need to provide logical reasoning and/or derivations, otherwise no credits.)

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 2 頁

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

矩陣 AA 是實對稱矩陣,因此可用正交特徵分解表示。若 AA 的特徵值為 λi\lambda_i、對應的單位特徵向量為 qiq_i,則可在特徵向量方向上取平方根,構造滿足 B2=AB^2=A 的矩陣。

解題方法

令 JJ 為所有元素皆為 11 的 3×33\times3 矩陣,則

A=2I+2J.A=2I+2J.

向量 (1,1,1)T(1,1,1)^T 經 JJ 作用後變成 3(1,1,1)T3(1,1,1)^T,所以它是 JJ 的特徵向量,特徵值為 33。任何與 (1,1,1)T(1,1,1)^T 正交的向量經 JJ 作用後皆變成零,因此對應特徵值為 00。由 A=2I+2JA=2I+2J 可知,AA 的特徵值為 88 與 22(重根兩次)。

可取以下一組正交單位特徵向量:

q1=13[111],q2=12[1−10],q3=16[11−2].q_1=\frac{1}{\sqrt{3}} \begin{bmatrix} 1\\ 1\\ 1 \end{bmatrix}, \qquad q_2=\frac{1}{\sqrt{2}} \begin{bmatrix} 1\\ -1\\ 0 \end{bmatrix}, \qquad q_3=\frac{1}{\sqrt{6}} \begin{bmatrix} 1\\ 1\\ -2 \end{bmatrix}.

其中 q1q_1 對應特徵值 88,而 q2,q3q_2,q_3 對應特徵值 22。這三個向量彼此正交且長度皆為 11,因此構成一組正交單位特徵向量。

令 Q=[q1 q2 q3]Q=[q_1\ q_2\ q_3],則

A=Q[800020002]QT.A=Q \begin{bmatrix} 8&0&0\\ 0&2&0\\ 0&0&2 \end{bmatrix} Q^T.

在相同的特徵向量方向上,將特徵值 8,2,28,2,2 換成其平方根,得到

🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊,享三天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 Problem 4 題10 分

Problem 4. (10%) Suppose that AnA_n is an event with probability 1, i.e., P(An)=1P(A_n) = 1, for all n≥1n \geq 1. Please find P(∩n=1∞An)P(\cap_{n=1}^\infty A_n). (Hint: Boole's inequality P(∪n=1∞En)≤∑n=1∞P(En)P(\cup_{n=1}^\infty E_n) \leq \sum_{n=1}^\infty P(E_n) might be useful.)

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 2 頁

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

利用事件的補集關係與 Boole 不等式:

(⋂n=1∞An)c=⋃n=1∞Anc.\left(\bigcap_{n=1}^{\infty} A_n\right)^c = \bigcup_{n=1}^{\infty} A_n^c.

已知對所有 n≥1n\ge 1,

P(An)=1,P(A_n)=1,

因此

P(Anc)=1−P(An)=0.P(A_n^c)=1-P(A_n)=0.

解題方法

由 Boole 不等式,

P(⋃n=1∞Anc)≤∑n=1∞P(Anc)=∑n=1∞0=0.P\left(\bigcup_{n=1}^{\infty} A_n^c\right) \le \sum_{n=1}^{\infty}P(A_n^c) = \sum_{n=1}^{\infty}0 =0.

機率不可能小於 00,故

P(⋃n=1∞Anc)=0.P\left(\bigcup_{n=1}^{\infty} A_n^c\right)=0.
🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊,享三天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 5 題15 分

Problem 5. (15%) Consider a "one-person jury" consisting of only one juror, say juror 0, and a "three-person jury" consisting of three jurors, say juror 1, juror 2, and juror 3. Assume that juror ii makes the correct decision with probability pip_i, where 0<pi<10 < p_i < 1, for i=0,1,2,3i = 0,1,2,3. Also assume that the jurors in the three-person jury decide independently and the decision of the majority is final. When is the one-person jury preferable to the three-person jury, namely, when is the probability of making a correct decision by the one-person jury is higher than that by the three-person jury (please express your answer in terms of p0,p1,p2p_0, p_1, p_2 and p3p_3)?

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

一人陪審團的正確決策機率為 p0p_0。

三人陪審團採多數決,因此正確的情況包括:

  1. 三位陪審員都判斷正確;
  2. 恰有兩位陪審員判斷正確。

由於三位陪審員彼此獨立,可直接使用乘法法則計算各事件機率。

解題方法

三人陪審團正確的機率為

P3=p1p2p3+p1p2(1−p3)+p1(1−p2)p3+(1−p1)p2p3.\begin{aligned} P_3 &=p_1p_2p_3 +p_1p_2(1-p_3) +p_1(1-p_2)p_3 +(1-p_1)p_2p_3. \end{aligned}

整理後:

P3=p1p2+p1p3+p2p3−2p1p2p3.\begin{aligned} P_3 &=p_1p_2+p_1p_3+p_2p_3-2p_1p_2p_3. \end{aligned}

一人陪審團優於三人陪審團的條件為

p0>P3.p_0>P_3.
🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊,享三天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 6 題15 分

Problem 6. (15%) Consider an urn containing a large number of coins, and suppose that each of the coins has some probability pp of turning up head when flipped. However, this value of pp varies from coin to coin. Suppose that the pp-value of a randomly chosen coin can be regarded as being the value of a random variable that is distributed over [0,1][0, 1] with a probability density function
f(x)=32x(2−x)f(x) = \frac{3}{2} x(2 - x).
(a) (7%) What is the probability that the randomly chosen coin turns up head when flipped?
(b) (8%) What is the conditional expectation of the pp-value given that the randomly chosen coin turns up head when flipped?
(You need to provide logical reasoning and/or derivations, otherwise no credits.)

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

令隨機選出的硬幣其正面機率為 PP,其機率密度函數為

f(p)=32p(2−p),0≤p≤1.f(p)=\frac{3}{2}p(2-p),\qquad 0\le p\le 1.

若事件 HH 表示「擲出正面」,則在給定 P=pP=p 時,

P(H∣P=p)=p.P(H\mid P=p)=p.

因此需使用全期望公式與條件期望公式:

P(H)=E[P],P(H)=E[P], E[P∣H]=E[P1H]P(H)=∫01p P(H∣P=p)f(p) dpP(H).E[P\mid H]=\frac{E[P\mathbf{1}_H]}{P(H)} =\frac{\int_0^1 p\,P(H\mid P=p)f(p)\,dp}{P(H)}.

解題方法

(a)隨機選出的硬幣擲出正面的機率

由全期望公式,

P(H)=∫01P(H∣P=p)f(p) dp=∫01p⋅32p(2−p) dp.P(H)=\int_0^1 P(H\mid P=p)f(p)\,dp =\int_0^1 p\cdot \frac{3}{2}p(2-p)\,dp.

因此

P(H)=32∫01p2(2−p) dp=32∫01(2p2−p3) dp=32[2p33−p44]01=32(23−14)=32⋅512=58.\begin{aligned} P(H) &=\frac{3}{2}\int_0^1 p^2(2-p)\,dp\\ &=\frac{3}{2}\int_0^1(2p^2-p^3)\,dp\\ &=\frac{3}{2}\left[\frac{2p^3}{3}-\frac{p^4}{4}\right]_0^1\\ &=\frac{3}{2}\left(\frac{2}{3}-\frac{1}{4}\right)\\ &=\frac{3}{2}\cdot\frac{5}{12}\\ &=\frac{5}{8}. \end{aligned}

所以,隨機選出的硬幣擲出正面的機率為

58.\boxed{\frac{5}{8}}.

(b)已知擲出正面時,pp-value 的條件期望

由條件期望公式,

E[P∣H]=∫01p⋅P(H∣P=p)f(p) dpP(H).E[P\mid H] =\frac{\int_0^1 p\cdot P(H\mid P=p)f(p)\,dp}{P(H)}.
🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊,享三天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 7 題10 分

Problem 7. (10%) Consider a sequence of independent random pairs (Xi,Yi)(X_i, Y_i), i=1,2,...,eachpairhavingthesamejointprobabilitymassfunction,i = 1, 2, ..., each pair having the same joint probability mass function, p(1,1) = 0.2, p(1,-1) = 0.3, p(-1,1) = 0.3, p(-1,-1) = 0.2.Let. Let S_n = \sum_{i=1}^n X_i Y_i.Whatisthelimitof. What is the limit of \frac{S_n}{n}asasn \to \infty$? (You need to provide logical reasoning and/or derivations, otherwise no credits.)

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

令

Zi=XiYi.Z_i=X_iY_i.

由於 (Xi,Yi)(X_i,Y_i) 彼此獨立且同分布,因此 ZiZ_i 也是獨立同分布的隨機變數。題目要求的是樣本平均

Snn=1n∑i=1nXiYi=1n∑i=1nZi\frac{S_n}{n} =\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_iY_i =\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n Z_i

的極限,可使用大數法則。

解題方法

先求 ZiZ_i 的機率分布。

當 XiX_i 與 YiY_i 同號時,Zi=1Z_i=1:

P(Zi=1)=P(Xi=1,Yi=1)+P(Xi=−1,Yi=−1)=0.2+0.2=0.4.P(Z_i=1)=P(X_i=1,Y_i=1)+P(X_i=-1,Y_i=-1) =0.2+0.2=0.4.

當 XiX_i 與 YiY_i 異號時,Zi=−1Z_i=-1:

P(Zi=−1)=P(Xi=1,Yi=−1)+P(Xi=−1,Yi=1)=0.3+0.3=0.6.P(Z_i=-1)=P(X_i=1,Y_i=-1)+P(X_i=-1,Y_i=1) =0.3+0.3=0.6.

因此

🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊,享三天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

其他考古題