112 年 國立中山大學電波聯合碩士班《工程數學甲》
第 1 題
Which of the following is true about the initial value problem of with , and ? Assume that the particular solution .
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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考慮常係數齊次方程
根為 。
齊次解
右端 中
- : 已屬於齊次解,且 為二重根,需乘以 。故試解形式
- 常數 : 與根 相同,需乘以 。故試解
合併得到
代入 (只保留 與常數項):
配合右端:
第 2 題
The points A(1, -2, 1), B(0, 1, 6), and C(-3, 4, -2) form a triangle. Find the angle (°) between the line AB and the line from A to the midpoint of the line BC. (Numbers are rounded to 2 decimal places).
(A) 81.29°
(B) 121.51°
(C) 33.89°
(D) 47.40°
(E) 0.83°
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核心觀念
本題考查三維空間向量、線段中點與兩向量夾角公式。
若兩條直線的方向向量分別為 、,則其夾角 滿足
其中:
- 為內積;
- 、 為向量長度;
- 直線夾角通常取較小的銳角。
解題方法
先求線段 的中點 :
直線 的方向向量為
從 指向中點 的方向向量為
為方便計算,方向向量可乘以非零常數,因此取
令
計算內積:
計算兩向量長度:
因此
換算成角度:
選項分析
- (A) :錯誤。
此數值是直線 與 的夾角。因為
,有
第 3 題
Which of the following is/are linear differential equation(s)?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
線性 階常微分方程可寫成
其中各係數 只能是獨立變數的函數,未知函數及其各階導數只能一次方出現,且彼此不可相乘。右側是否為零不影響線性,右側不為零時稱為非齊次線性方程。
偏微分方程的判斷原則相同。
選項分析
(A)
未知函數為 ,可辨認為
其中 與 都只是獨立變數 的函數, 與 均只以一次方出現。因此這是二階、變係數、齊次線性微分方程。
所以 (A) 正確。
(B)
此式可寫成
係數 、、 僅依賴獨立變數 ,未知函數及其導數沒有平方,也沒有彼此相乘。
因此這是變係數齊次線性微分方程。 的定義域不影響其線性判定。
所以 (B) 正確。
(C)
將方程式整理為
未知函數為 ,其中出現 ,即未知函數的二次方。這違反線性微分方程中「未知函數只能一次方出現」的條件。
因此 (C) 錯誤,它是非線性微分方程。
第 4 題
Consider the differential equation , which of the following is/are correct?
(A) It's an autonomous differential equation.
(B) The general solution is .
(C) is a regular singular point.
(D) The interval of definition of the general solution is .
(E) The interval of definition of the general solution is .
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核心觀念
本題考查三個重點:
- Euler–Cauchy 型微分方程:若方程含有 、 等形式,可令 ,並設 。
- 正則奇異點:對標準型
若 與 在 附近解析,則 是正則奇異點。 - 解的定義區間:標準二階微分方程的解區間不能包含使最高階導數係數為零的奇異點。
解題方法
原方程移項為
令
則方程化為
這是以 為中心的 Euler–Cauchy 方程。設
因為
代入得
因此特徵方程為
即
特徵根 為重根,所以在不包含 的任一區間上,
其最大解區間為
正則奇異點判斷
將方程除以 :
因此
第 5 題
Consider the Laplace's equation with the conditions listed below. According to the boundary conditions, it's possible to reduce the Laplace's equation into two simultaneous equations with respect to x and y, separately. Assume is the eigenvalue, identify the correct statements.
(A) The Laplace's equation is elliptic.
(B) This question is a Dirichlet problem.
(C) The problem for X is .
(D) The problem for Y is .
(E) The problem for Y is .
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考慮分離變數 ,代入 得
因此
由此可判斷:
第 6 題
Following question 5, which of the following is/are correct?
(A) , ,
(B) , ,
(C) , ,
(D) The product solution is .
(E) The product solution is .
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解題要點
-
令 ,代入拉普拉斯方程 得
-
方程:
受 Dirichlet 边界限制,特征值與特征函数為
-
方程:
解為雙曲函數
第 7 題
Which of the following is/are true about the differential equation, ?
(A) It is a second-order homogeneous differential equation.
(B) There are two critical points.
(C) One of the critical points is an attractor.
(D) None of the critical points is an attractor.
(E) The solution y(x) increases with x when x is defined on .
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解題要點
-
方程式形式
只含一階導數,非二階,同時係非齊次(右端有常數),故 (A) 錯。 -
臨界點 (critical points)
設 :
有兩個臨界點,故 (B) 正。
第 8 題
Consider the linear system , where , are column vectors of A, and is a non-zero vector. Suppose . Which of the following statements are true?
(A) The linear system has exactly two solutions.
(B) The linear system has at most two solutions.
(C) .
(D) is a solution of the linear system.
(E) The vectors are linearly dependent.
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核心觀念
本題考查線性系統的解、矩陣秩與線性相依:
-
若 屬於 的欄空間,則 有解,且
-
若 有 個欄向量且線性相依,則
-
線性系統 有一組解 時,所有解可寫成
若零空間含有非零向量,解就不只兩組,而是有無限多組。
解題方法
由題目給出的兩個 表示式:
移項得
因此 之間存在非平凡線性關係,且
所以
是 的零空間中的非零向量。
另一方面,由 可知
是 的一組解。於是對任意 ,
皆滿足
因此此線性系統有無限多組解。
選項分析
(A) The linear system has exactly two solutions.
錯誤。由
可知有無限多組解,不是恰好兩組。
第 9 題
Consider the linear system , where , are column vectors of A, and is a non-zero vector. Suppose , , . Which of the following are solutions of the linear system?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
矩陣乘法可視為欄向量的線性組合:
題目給出
因此
所以
是齊次系統 的解。
又由
可知
是原系統 的一組特解。
由秩—零度定理,
因為 且 ,所以核空間為
因此原系統的所有解為
整理得
選項分析
(A)
令 ,則
符合所有解的形式,因此 (A) 正確。
(B)
令 ,則
第 10 題
Two matrices are row equivalent if one can be changed to the other by a sequence of elementary row operations. Which of the following statements are true?
(A) If there exists a matrix R such that B = RA, then A and B are row equivalent.
(B) If two matrices are row equivalent, then they have the same null space.
(C) If two matrices are row equivalent, then they have the same eigenvalues.
(D) If E is the reduced row echelon form of A, then E and A are row equivalent.
(E) Let A ∈ , C ∈ , and b ∈ be given. If A and C are row equivalent, then the two linear systems Ax = b and Cx = b have the same solution set.
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核心觀念
矩陣 與 列等價,表示存在一連串基本列運算將 轉換為 。等價地,存在可逆矩陣 ,使得
基本列運算具有以下性質:
- 不改變齊次線性系統的解集合,因此不改變零空間。
- 不保證保留特徵值,因為列運算通常不是相似變換。
- 可將矩陣化為唯一的列最簡形。
- 對非齊次系統進行列運算時,右側向量 也必須同步變換。
解題方法
逐一判斷各敘述是否符合上述性質,並以反例檢驗涉及「所有情況皆成立」的敘述。
選項分析
(A) 錯誤
題目只說存在矩陣 使
但沒有要求 可逆。若取
則對任意矩陣 都有 ,可是一般而言 與零矩陣並不列等價,因為基本列運算無法把非零矩陣的秩降為 。
例如
雖然 ,但 與 的秩分別為 與 ,所以不列等價。
若題目改成「存在可逆矩陣 使 」,敘述才成立。
(B) 正確
若 與 列等價,則存在可逆矩陣 使
對任意向量 ,
因此
兩矩陣具有相同的零空間。
(C) 錯誤
列等價不代表相似。特徵值在相似變換下保持不變,但一般列運算會改變特徵值。
例如令
第 11 題
Consider the linear system . Let , where Q is an orthogonal matrix, and R is an upper triangular matrix. Suppose
, , .
Which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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先由 QR 分解得 ,其中
以回代求解 :
- 第三式:。
- 第二式:。
第 12 題
Let be a least-squares solution of the linear system . Which of the following statements are true?
(A) satisfies .
(B) satisfies .
(C) always exists.
(D) is unique.
(E) is orthogonal to any vector in the range space of A.
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核心觀念
令 、。最小平方法解 的定義是使殘差平方和最小:
幾何上, 是 在 的範圍空間 上的正交投影,因此殘差
必定與 中的所有向量正交。
將目標函數展開:
令其梯度為零:
得到最小平方法的正規方程式:
選項分析
(A) satisfies .
錯誤。
最小平方法只要求 最小,不保證線性系統一定有精確解。只有當 時,才有可能滿足 。
例如:
此時最小平方法解為 ,所以
(B) satisfies .
正確。
這正是由最小化 所得到的正規方程式。任何一個最小平方法解都必須滿足:
整理後即為:
(C) always exists.
正確。
第 13 題
Let and be eigenvectors of A, and and be the corresponding eigenvalues. Suppose
, , , , , .
Which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題測試矩陣的特徵向量(eigenvector)與特徵值(eigenvalue)的性質,特別是利用對角化(或相似變換)求高次矩陣乘法 。關鍵是:
- 若 為矩陣 的特徵向量,對應特徵值為 ,則 。
- 任意向量 可寫成特徵向量的線性組合 (假設特徵向量線性獨立)。
- 依線性性,。
解題過程
(a) 判斷 與特徵向量的關係
已知
而題目給出的向量
觀察可得 ,即 本身就是對應 的特徵向量。
因此在任意正整數 下
取 (偶數),得到
故
第 14 題10 分
(10%) Use the Laplace transform to solve the following initial value problem.
, ,
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核心觀念
本題考查拉普拉斯轉換解常係數線性初值問題,使用以下公式:
以及平移公式:
其中 。
解題方法
對原方程式兩邊取拉普拉斯轉換:
由初始條件 、,左側各項轉換為
右側利用平移公式:
因此
將左側整理為完全平方:
故
令 ,則
進行部分分式分解:
因為
第 15 題10 分
(10%) The Fourier transform of a continuous-time real function is given as
.
(a) Obtain the Fourier transform of the following function. (5%)
(b) To sample y(t) with equal interval, what is the maximal sampling period T to possibly prevent from aliasing? (5%)
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核心觀念
本題考查兩個重點:
- 傅立葉轉換的基本對偶關係,以及「時域相乘對應頻域摺積」。
- 取樣定理:若訊號最高角頻率為 ,則取樣角頻率必須滿足
其中
(a) 求 的傅立葉轉換
已知
先使用基本傅立葉轉換對偶關係:
其中
本題 ,因此令
則
而
根據時域相乘定理:
因此, 等於兩個寬度為 的矩形頻譜摺積,結果為三角形。
在角頻率 處,兩矩形的重疊長度為
所以
整理得
第 16 題15 分
Let be the circle oriented in a positive sense, where indicates the complex conjugate of , and a complex integral is defined as
(a) Illustrate the contour on a complex plane. Find . (10%)
(b) Find . (5%)
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核心觀念
本題考複數共軛與圓形輪廓的幾何判讀,以及留數定理。若 ,則 ,因此
所以 是以 為圓心、半徑 的圓,正向表示逆時針方向。
對被積函數
其極點由 決定。若輪廓上沒有極點,留數定理給出
解題方法
圓 的方程式為
它的最高點為 、最低點為 ;與實軸交於 。以下為示意圖,箭頭表示逆時針方向:
Let be the circle oriented in a positive sense, where indicates the complex conjugate of , and a complex integral is defined as
第 16-(a) 題10 分
Illustrate the contour on a complex plane. Find .
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核心觀念
複數平面上的 表示圓心為 、半徑為 的圓;正向表示逆時針方向。計算複變函數沿閉合曲線的積分,可使用留數定理:
解題方法
先將圓的方程式改寫成標準形式。由於
因此
可知 是圓心 、半徑 的圓,並以逆時針方向為正向。
圓與座標軸的交點可用來標示草圖:令 ,圓的方程式為 ,所以與實軸交於 ,與虛軸交於 、。
第 16-(b) 題5 分
Find .
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核心觀念
使用柯西積分定理:若函數在閉曲線 及其內部解析,則沿 的複積分為 。因此,關鍵是找出被積函數的奇點,並判斷它們是否落在圓內或圓上。
解題方法
題目中的 表示虛數單位,且 。圓的方程為
所以 是以 為圓心、半徑為 的圓。
令 ,被積函數為
奇點由分母為零決定: