109 年 國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系碩士班丙組《工程數學(L)》
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第 1 題
- First, verify that the given function is a solution of the given differential equation, for any constants A, B.
Then, solve for A, B so that y satisfies the given initial or boundary conditions.
; ;
,
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核心觀念
本題考查二階常係數線性微分方程的解驗證,以及利用初始條件決定待定常數。
給定微分方程為
候選函數為
其中 為任意常數。解題分為兩步:
- 代入微分方程,驗證候選函數確實為解。
- 代入 與 ,求出 。
解題方法
一、驗證給定函數為微分方程的解
對
微分一次:
再微分一次:
因此
\begin{align*}
y''+4y
&=\left(4-4A\sin 2x-4B\cos 2x\right) \
&\quad+4\left(2x^2-1+A\sin 2x+B\cos 2x\right)\
&=4-4A\sin 2x-4B\cos 2x\
&\quad+8x^2-4+4A\sin 2x+4B\cos 2x\
&=8x^2.
\end{align*}
所以對任意常數 ,皆有
故給定函數確實是此微分方程的解。
二、利用初始條件求
由
代入 :
第 2 題
- From the residue theorem of the complex integral calculus, that
for . Show that for .
HINT: for .
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核心觀念
本題結合以下兩個公式:
- 題目由留數定理給出
- Beta 函數與 Gamma 函數的關係:
關鍵在於將題目中的積分辨認為 Beta 函數,取
因為 ,所以 且 ,符合 Beta 函數公式的使用條件。
解題方法
考察 Beta 函數:
令
則
因此
將變數名稱 改寫為 ,得到
由題目所給的積分結果,
另一方面,由 Beta-Gamma 關係式,
第 3 題
- Decompose the given matrix as the sum of two matrices, one symmetric and one skew symmetric.
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核心觀念
任意方陣 都能唯一分解為一個對稱矩陣 與一個反對稱矩陣(skew-symmetric matrix) 之和:
其中:
- 對稱矩陣滿足 。
- 反對稱矩陣滿足 。
分解公式為:
解題方法
題目給定
其轉置矩陣為
1. 求對稱部分
依公式
先計算:
因此
確實有
所以 是對稱矩陣。
2. 求反對稱部分
依公式
先計算:
因此
第 4 題
- Let be the mass density of a (negligibly thick) distribution of mass over a surface S. That is, is the mass per unit area at each point on S; it may vary over S. Then the x, y, z coordinates of the center of gravity are defined as
where is the total mass.
Evaluate and in S is the spherical surface ; .
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核心觀念
本題使用曲面質量與重心定義:
球面為半徑 的球面:
且面密度為
球面關於原點對稱,因此
求總質量
由定義,
球面面積為
而由對稱性,
因此
求
由重心公式,
展開分子:
第一項因對稱性為零,因此只需求
採用球面參數式
其中
所以