109 年 國立臺灣大學醫療器材與醫學影像研究所《工程數學(C)》
第 1 題5 分
Which are the possible solutions of the differential equation
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
登入後即可作答並保存紀錄。
觀念說明
本題為一階可分離變數微分方程式(Separable ODE)。求解需考量:
- 常數解(平衡解):令 。
- 非常數通解:利用分離變數法與部分分式積分求解。
詳細推導
1. 常數解(平衡解):
令 ,解得 與 。
故選項 (A) 與 (B) 均為可能之解。
2. 分離變數求通解:
將原式分離變數並進行部分分式拆解:
第 2 題5 分
Which are the possible solutions of the differential equation
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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本題為一階線性非齊次微分方程:
1. 求解齊次解
齊次微分方程 之解為:
2. 求解特解
設特解 ,代入原微分方程:
第 3 題5 分
Which statements are correct for the equation ?
(A) The differential equation is exact.
(B) It is possible to find an integrating factor so that the equation becomes exact.
(C) is one possible solution.
(D) is one possible solution.
(E) None of the above
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核心觀念
一階微分方程可寫成
若在某區域內滿足
則此微分方程為恰當微分方程(exact differential equation),存在勢函數 使得
若不恰當,仍可能透過乘上一個積分因子(integrating factor),使
成為恰當方程。
本題中
解題方法
先檢查原方程是否為恰當方程,再尋找簡單的積分因子。
1. 檢查是否恰當
計算偏微分:
由於
所以原微分方程不是恰當方程。
2. 尋找積分因子
觀察若乘上 ,則
檢查新的恰當條件:
兩者相等,因此 是一個積分因子,方程可化為恰當微分方程:
尋找勢函數 。對 積分:
對 微分:
與 比較可得
因此通解為
選項分析
(A) The differential equation is exact.
原方程的兩個係數為
但
因此原方程不是恰當方程。
所以 (A) 錯誤。
(B) It is possible to find an integrating factor so that the equation becomes exact.
取積分因子
乘上後得到
且
第 4 題5 分
Consider the equation
with the boundary conditions , . Which statements are correct?
(A) The particular solution is .
(B) The general solution is .
(C) There is a unique solution to this boundary-value problem.
(D) This differential equation is homogeneous.
(E) None of the above.
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核心觀念
本題考查:
- 二階常係數非齊次微分方程。
- 特解 的求法。
- 特徵方程與齊次解。
- 邊界條件下解的唯一性。
- 齊次與非齊次微分方程的判斷。
原方程為
因右側不為零,所以這是非齊次微分方程。
解題方法
1. 求特解
右側是一次多項式 ,設特解為
則
代入原方程:
整理得
比較係數:
因此特解為
2. 求齊次解
先考慮對應的齊次方程:
其特徵方程為
解得
因此齊次解為
所以微分方程的通解為
3. 套用邊界條件
由 :
所以
再由 :
因此
由於
故 可唯一決定:
因此此邊界值問題確實有唯一解。
選項分析
第 5 題5 分
Which are the possible solutions of the differential equation
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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本題屬於缺自變數 的二階非線性微分方程,採用降階法推導。
設 ,則 。代入原式:
一、當 時
二、當 時
分離變數積分:
即:
1. 若
第 6 題5 分
Assume and solve . Which statements are always true?
(A)
(B)
(C)
(D) for
(E) for
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核心觀念
本題考查冪級數解法。設
則逐項微分可得
將各項改寫成相同的 次方後,比較係數即可得到遞迴關係。
解題方法
原方程為
由冪級數表示式,
另外,
因此原方程變為
比較常數項
的常數項為 ,而 沒有常數項,因此
得到
比較 項,
對於 ,
所以
令 ,則 ,可寫成
將索引名稱改回 :
第 7 題5 分
Consider the equation with the initial condition . Which statements about the function and its Laplace transform are correct?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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觀念與重點公式
- 微分與積分之 Laplace 轉換:
- 基本 Laplace 反轉換:
推導步驟
- 求取 :
對原積分微分方程式兩邊取 Laplace 轉換,並代入初始條件 :
第 8 題5 分
Which are the possible solutions of the given system?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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將微分方程組寫成矩陣形式:
其中 ,。
選項皆為 之形式。代入方程組求特解:
其中 。展開得:
第 9 題5 分
Consider the wave equation for with initial conditions .
Which are the possible solutions?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E) None of the above.
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觀念解析
標準常數波速波動方程式為 ,在初始條件 與 下,其達朗貝爾(d'Alembert)通解為 (即選項 (D))。
然而,本題方程式為變係數波動方程式:
第 10 題5 分
Evaluate the Fourier transform
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查高斯函數的 Fourier transform,以及調變定理。
採用 Fourier transform 定義
基本公式為
若時域函數乘上 ,則頻域會平移:
題目中的合理修正
題面寫成
其中積分變數是 ,但高斯項卻使用 ;且選項全部出現 ,題幹卻沒有給出。因此題目文字有變數與因子遺漏。
依選項形式,本題原意應為
要求
解題方法
先合併指數項:
因此
套用高斯 Fourier transform 公式,其中
得到
所以正確的 Fourier transform 為
第 11 題5 分
Find an equation involving g, h, and k that makes this augmented matrix correspond to a consistent system:
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
增廣矩陣所代表的聯立方程組要「有解」,列簡化後不可出現矛盾列:
因為這代表方程式
不可能成立。因此,本題只要利用列運算找出左側係數恰好變成零列時,增廣欄也必須同時變成 。
解題方法
原增廣矩陣為
觀察第三列的前三個元素:
可表示為前兩列的線性組合:
因此進行列運算
計算前三個欄位:
增廣欄則為
所以矩陣化為
第 12 題5 分
Let , , and . For what value(s) of h is in the plane spanned by and ?
(A) 0
(B) -10
(C) 16
(D) -17
(E) 20
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核心觀念
若向量 位於向量 與 所張成的平面 中,代表 可由 與 線性組合而成,即集態 為線性相關(Linearly Dependent)。因此,由這三個向量所構成的矩陣,其行列式值必須為 。
計算步驟
建立矩陣 。
令 ,沿第三行進行降階展開:
分別計算各 子行列式:
第 13 題5 分
Determine the rank of the matrix in the following.
(A) 0
(B) 1
(C) 2
(D) 3
(E) 4
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核心觀念
矩陣的秩 定義為其線性獨立列向量的最大個數,也等於高斯消去法中主元的個數。
本題矩陣為 ,因此
透過初等列運算化為階梯形矩陣,初等列運算不會改變矩陣的秩。
解題方法
原矩陣為
先以第一列消去第一欄:
得到
再利用第二列消去第三、四列的第二欄:
因此
第 14 題5 分
Matrix A can be written in the form A=LU, where L is an m x m lower triangular matrix with 1's on the diagonal and U is an m x n echelon form of A. Such a factorization is called an LU factorization. Please find the L matrix for LU factorization of the following matrix A.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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觀念說明
進行 LU 分解()時,若不進行列交換,對矩陣 執行高斯消去法化簡為上三角梯形矩陣 的過程中,用以消去第 行第 列元素()所使用的消去乘數(multipliers),即為下三角矩陣 對應位置之元素。
詳細推導
給定矩陣:
- 消去第一行對角線下方元素:
- 第二列:
- 第三列:
第 15 題5 分
Find the determinant for the following matrix
(A) -5
(B) 5
(C) 1
(D) -1
(E) 0
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核心觀念
本題考查行列式的基本性質:
- 對矩陣作「某一列減去另一列的倍數」,行列式值不變。
- 若矩陣經列運算後出現兩列成比例,則行列式為 。
- 行列式為 等價於矩陣的列向量或行向量線性相關。
解題方法
原矩陣為
分別進行列運算
此類列運算不改變行列式值,因此
化簡第二、三列:
注意
所以第二、三列的後兩個元素分別為
第 16 題5 分
Find the dimension of the subspace H =
in .
(A) 2
(B) 3
(C) 4
(D) 1
(E) 0
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核心觀念
題目中的集合 是所有向量
所形成的子空間。將各參數分離,可得
因此
所以, 的維度就是上述向量所張成空間的維度,也就是對應矩陣的秩。
解題方法
先觀察第三個生成向量:
因此它不會增加新的獨立方向,只需檢查
是否線性獨立。
將三個向量作為矩陣的欄向量:
計算行列式:
第 17 題5 分
Let , , , , and consider the bases for given by and . Find the change-of-coordinates matrix from to .
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心概念
本題測試 座標變換矩陣(change‑of‑coordinates matrix)的概念。
在兩個基底 與 之間,若要把向量的 座標 轉換成 座標 ,必須找到滿足
的矩陣 。
關鍵步驟:將每一個 基底向量以 基底表示,形成矩陣的各欄。
解題步驟
- 寫出基底矩陣(以標準基底表示)
- 計算 的逆矩陣
- 求變換矩陣
根據 可得
故
第 18 題5 分
Which of the following statements is True?
(A) If is a matrix, then .
(B) If , then .
(C) If and are in and , then the area of the triangle in the plane with vertices at , , and is .
(D) If is an matrix and , then .
(E) Any system of linear equations in variables can be solved by Cramer's rule.
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核心觀念
本題考查行列式的基本性質、冪零矩陣、行列式與面積的關係,以及克拉瑪法則的適用條件。
對 矩陣 ,有:
- 。
- ,因此 。
- 若 可逆,則 ;若 ,則 不可逆。
- 由兩向量 張成的三角形面積為 。
- 克拉瑪法則要求係數矩陣的行列式不為零,才能保證方程組有唯一解並使用該法則求解。
解題方法
逐一檢查各選項是否符合行列式的基本公式。特別是矩陣乘上常數時,行列式會乘上常數的 次方;矩陣取冪時,行列式也取相同次方。
選項分析
(A) 錯誤。
是 矩陣,因此
不等於一般所述的 。
(B) 正確。
已知 ,取行列式得
第 19 題5 分
Find the singular values of the following matrix:
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
矩陣 的奇異值,是矩陣 的特徵值之非負平方根。若 是實矩陣,則 為對稱半正定矩陣,因此其特徵值皆非負。
本題矩陣為
解題方法
先計算 :
設 的特徵值為 ,由特徵方程式求解:
展開得
第 20 題5 分
Let be an matrix. Choose the following statements equivalent to the statement that is an invertible matrix.
(A)
(B)
(C) has nonzero singular values.
(D) Dimension of .
(E) The columns of form a linearly independent set.
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核心觀念
本題考查方陣可逆的等價條件。對 矩陣 ,以下敘述等價:
- 可逆。
- 。
- 。
- ,且 。
- 的欄向量線性獨立。
- 有 個非零奇異值。
其中,秩-零度定理給出
解題方法
判斷各選項是否描述了滿秩條件或零空間的正確形式。對 方陣,滿秩 等價於 可逆;若秩小於 ,則矩陣不可逆。
選項分析
(A) :錯誤。
可逆矩陣的零空間只有零向量:
若 ,則每個向量都滿足 ,因此 是零矩陣,不可逆。