113 年 國立中山大學電波聯合碩士班《工程數學甲》
第 1 題
Use the Fourier series analysis equation to calculate the coefficients (when ) for the continuous-time periodic signal
with fundamental frequency .
(A)
(B)
(C)
(D)
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使用複數傅立葉級數係數的定義
將訊號的兩段寫入積分式:
分別求積分
代回得到
第 2 題
Let be a continuous-time periodic signal with fundamental frequency and Fourier coefficients . Given that . Find a relationship between the Fourier series coefficients of and the coefficients .
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
本題考查連續時間週期訊號的傅立葉級數,以及下列兩種時間變換:
- 時間位移: 的傅立葉級數係數為 。
- 時間反轉與位移: 會使係數索引由 變為 ,並產生位移相位因子。
令
解題方法
先分別求兩個訊號的傅立葉級數。
對第一項:
將索引改為 ,則
因此, 對應的第 個傅立葉級數係數為
對第二項:
因此, 對應的第 個係數為
由於
第 3 題
What is the Fourier transform of ?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
本題考查:
- 基本傅立葉轉換對:
- 時間位移定理:
採用傅立葉轉換定義
解題方法
令
由基本公式,取 ,可得
題目中的函數可改寫為
這表示 向右平移 單位。根據時間位移定理,
因此
選項分析
-
(A)
錯誤。時間位移因子 正確,但基本函數 的傅立葉轉換分子應為 ,不是 。
-
(B)
第 4 題
Use the Fourier transform synthesis equation to determine the inverse Fourier transforms of .
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
採用連續時間傅立葉轉換的合成公式:
並使用 Dirac delta 函數的取樣性質:
題目中的三個脈衝分別代表:
- 的直流成分;
- 與 的正、負角頻率成分。
正負頻率脈衝係數相同,會合成餘弦波。
解題方法
代入傅立葉合成公式:
利用 delta 函數的取樣性質,分別計算三項:
因此:
第 5 題
Use the Fourier transform synthesis equation to determine the inverse Fourier transforms of
(A)
(B)
(C)
(D)
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逆傅立葉合成式
代入題目給定之 :
第 6 題
What is the Laplace transform of ?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
拉普拉斯轉換定義為
本題訊號為
其中單位階躍函數 代表:
因此,積分範圍從 開始。
解題方法
由拉普拉斯轉換定義,
因為 在 時為 ,所以
積分得
當 時, 在 時趨近於 ,故
選項分析
- (A)
第 7 題
Determine the inverse Laplace transform of
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
本題明確給出收斂域 ,因此採用雙邊拉普拉斯轉換。雙邊拉普拉斯轉換中,收斂域會決定時域訊號是右側訊號 或左側訊號 。
常用公式為
以及
因此,同一個代數形式的 ,因收斂域不同,可能對應不同的時域訊號。
解題方法
先將分母因式分解:
故
作部分分式分解:
比較係數得
因此
解得
所以
接著利用收斂域判斷時域方向。兩個極點為 與 ,題目給定
此收斂域位於最右側極點 的右方,表示兩個部分分式都必須採用右側訊號:
因此
選項分析
(A)
第 8 題
One corner of a rectangular parallelepiped is at (1, 1, 1), and three incident sides extend from this point to (-2, 1, 6), (3, 5, 7) and (0, 1, 6). Please identify the volume of this solid.
(A) 20
(B) 40
(C) 18
(D) 42
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核心觀念
由同一頂點伸出的三條邊向量,可用純量三重積求出所張成立體的體積:
其中絕對值是因為體積必須為正值。
解題方法
設共同頂點為
三條邊的終點分別為
因此三條邊向量為
利用行列式:
第二列只有中間元素非零,沿第二列展開:
第 9 題
Consider the wave equation for a string tied to the x-axis at and at . When the string starts to vibrate, the motion takes place in the -plane. Let denote the vertical displacement from the x-axis for and be a real constant. The initial displacement is , and the string is released from rest. Given the product solution , which of the following is/are correct?
(A) The wave equation of this string is elliptic.
(B) All the boundary conditions belong to Dirichlet conditions.
(C) The initial condition yields .
(D) This is referred to as a boundary-value problem.
(E) One of the boundary conditions yields .
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核心觀念
本題考查:
- 二階偏微分方程的分類。
- 固定端點所對應的 Dirichlet 邊界條件。
- 「釋放自靜止」所代表的初始速度條件。
- 邊界值問題與初始—邊界值問題的區別。
- 分離變數法中空間函數與時間函數的條件。
題目稱為波動方程,故 代表波速平方,取 。
解題方法
弦的兩端固定在 軸上,因此端點的垂直位移永遠為零:
初始位移為 ,且弦「釋放自靜止」,表示初始速度為零:
給定分離形式
代入波動方程:
因此
分離變數後可寫成
得到
端點條件則變成
對非零解而言,必須有
這是空間函數的齊次 Dirichlet 邊界條件。
此外,
故初始靜止條件給出
對非平凡分離解而言,得到
選項分析
(A) 錯誤。
將方程改寫為
對一般二階方程
其分類判別式為
本題中
所以
第 10 題
Assume the product solution to the wave equation in Question 9 is found as . If the initial displacement is a sinusoidal wave with the amplitude of and the frequency of , which of the following is/are correct?
(A) There exists a trivial solution.
(B) arbitrary integer.
(C) .
(D) There is no motion at and all other points vibrate vertically over time.
(E) The vertical displacement is reversed when ,
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核心觀念
本題考查**一維波動方程式(1D Wave Equation)**的特解性質、駐波(Standing Wave)之幾何與物理意義,以及空間頻率與時間週期的對應關係:
-
一維波動方程式之分離變數解:
對於波動方程式 ,在固定端點邊界條件下,分離變數法所求得之單模態(Single Mode)乘積解形式為:其中 為空間波數(Wave Number), 為特徵值常數, 為波速。
-
正弦波之頻率與波數關係:
空間正弦波 ,其空間頻率(Spatial Frequency) 與波數 的關係為: -
駐波之節點(Nodes)與振動特性:
- 節點處滿足 ,該處位移恆為零,不隨時間振動。
- 時間振動反向(即 )需滿足時間調變項 。
解題方法
步驟一:由初始條件確定特解參數
題目給定初始位移為正弦波 :
根據題目條件:
- 振幅(Amplitude) 。
- 空間頻率(Frequency) 。
由正弦函數之頻率定義:
代入波動方程式分離變數之特徵方程,可得分離常數 。因此,具體特解為:
選項分析
- (A) 正確:
波動方程式 為線性齊次偏微分方程式(Linear Homogeneous PDE)。對於任何線性齊次方程式與齊次邊界條件系統,皆必然存在平凡解(Trivial Solution,即 )。分離變數法的核心目的即在於排除平凡解以尋求非平凡特解。
第 11 題
Consider the differential equation with the initial condition of , where and are positive real constants. Which of the following is INCORRECT?
(A) This is a linear differential equation.
(B) This is a Bernoulli's equation.
(C) None of the critical points are attractors.
(D) When , .
(E) The solution interval is .
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考慮方程式
1. 形式判斷
- 左側是一階導數,右側含有 ,故為非線性常微分方程,非線性 ⇒ (A) 錯。
- 可寫成
符合 Bernoulli 形式 (),故 (B) 正確。
2. 臨界點與穩定性
設定 :
線性化 ,得 。
- 在 : → 不穩定(repeller)。
- 在 : → **穩定吸引子
第 12 題
Given , which of the following is correct?
(A) There are two distinct eigenvalues.
(B) The stationary point is a repeller.
(C) All solutions will converge onto the origin.
(D) One of the eigenvalues is .
(E) One of the solution vectors is .
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已知向量
是系統 的解,則
第 13 題
Define the matrix as , where and are nonzero vectors in . Which of the following statements are true?
(A) rank(A) may be 2.
(B) is an eigenvector of .
(C) is an eigenvalue of .
(D) The linear equation has infinitely many solutions.
(E) The linear equation with has infinitely many solutions.
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矩陣 為外積形式,故
-
的秩 (因 )
-
任何向量 有
其結果皆為 的比例向量,故 。
(A) 只能是 ,不可能為 。 錯
(B) 為 的比例向量,除非 否則不等於 。一般情形下 不是特徵向量。 錯
第 14 題
Define the matrix as , where is a unit vector in , meaning . Which of the following statements are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) has eigenvalues that are complex with non-zero real components.
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先計算重要的性質:
- 平方
-
對稱
為對稱矩陣,故 。 -
特徵值
為 Householder 反射矩陣,對於所有與 正交的向量 有 (特徵值 ,重複度 )。而 (特徵值 )。因此
第 15 題
Let denote the null space of , and denote the range space of . Suppose , , and both and are non-zero. Define . Suppose
, , , .
Which of the following statements are true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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設 。由 (1)(2)
第 16 題
Let be an orthogonal basis for an inner product space. Suppose , , . If is a vector with the properties , , and the orthogonal projection of onto is , then which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
因為 是正交基底,所以:
-
若 ,則
-
向量 在 上的正交投影為
- 正交分解下,範數平方可由畢氏定理計算:
已知
解題方法
求
由 ,且基底彼此正交:
因此
求
題目給出 在 上的正交投影為 :
由於 ,可得
求
利用 :
代入 、:
第 17 題
Let be a linear transformation, and and be ordered bases for and , respectively. Suppose is the matrix representing relative to and , and
If , then which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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依題目,矩陣 的第 欄即為 在基底 下的座標。