114 年 國立中山大學電波聯合碩士班《工程數學甲》
第 1 題5 分
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 a finite number of solutions.
(B) rank([A, b]) is equal to rank(A).
(C) The rank of A is less than or equal to 2.
(D) is a solution of the linear system.
(E) The vectors are linearly dependent.
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核心觀念
本題考查以下線性代數觀念:
-
可解的充要條件為
-
若存在不全為零的係數,使
則 線性相依,且 。 -
對 ,若系統可解且 ,則未知數有自由變數,因此有無限多組解。
解題方法
由題目條件
可改寫為
因此
所以 是 的非零零空間向量。
另外,由
可知
因此原方程組至少有一組解:
由於
所有
皆滿足
因此此系統有無限多組解。
選項分析
(A) 線性系統有有限多組解。
錯誤。由上式可知
是一族無限多組解,因此不是有限多組解。
第 2 題5 分
Let
Which of the following statements are true?
(A) rank(A) = 2.
(B) trace(A) = 7.
(C) det(A) ≠ 0.
(D) 3 is an eigenvalue of A.
(E) All eigenvalues of A are non-negative.
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核心觀念
本題考查:
- 矩陣的秩與線性獨立性。
- 跡的定義: 為主對角線元素總和。
- 行列式與特徵值的關係:
- 特徵值與特徵向量的定義:若 ,則 是 的特徵值。
- 對稱矩陣與半正定矩陣的性質。
解題方法:利用矩陣結構分解
令
則
以及
因此
又因為
可分別計算:
所以 是 的特徵值。
同理,
所以 是 的特徵值。
若向量 同時滿足 與 ,則
由於 線性獨立,而五維空間中與它們同時正交的子空間維度為 ,因此其餘三個特徵值皆為 。
故 的全部特徵值為
此外, 的所有欄向量皆位於 中,而 、 顯示 都在其像空間內,因此
選項分析
(A)
由上面的分解可知, 的像空間為
且 線性獨立,所以
第 3 題5 分
Let
where are column vectors of , and is an orthogonal matrix, i.e., . Which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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先觀察
對每一列向量 有
因 正交,保留內積:
故只需計算 的欄向量內積。
第 4 題5 分
Let
where are column vectors of A. Let be the orthogonal projection of onto , and . Which of the following statements are true?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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計算投影
Gram 矩陣
內積向量
係數
第 5 題5 分
Let , , and is a non-zero matrix. Which of the following statements are true?
(A) trace(A) ≠ 0.
(B) det(A) = 1.
(C) rank(A) = n.
(D) If n = 3, then trace(A) ≤ 3.
(E) All eigenvalues of A are real numbers.
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核心觀念
由
可知 是正交矩陣。因為 ,所以 是 的右逆矩陣;對方陣而言,右逆即為逆矩陣,因此
正交矩陣的重要性質包括:
- 可逆,因此 。
- ,且 ,所以
- 的每一列、每一行皆為單位向量,因此每個元素皆滿足絕對值不超過 。
- 正交矩陣的特徵值絕對值皆為 ,但不一定是實數。
解題方法
本題採用「正交矩陣的基本性質」逐項判斷。對於聲稱所有正交矩陣都滿足的敘述,只要找出一個反例即可判定錯誤;對於必然成立的敘述,則由矩陣定理直接證明。
選項分析
(A)
錯誤。
考慮二階旋轉矩陣
可得
但
因此 不一定不為 。
(B)
錯誤。
對 取行列式:
因此
所以
例如
滿足 ,但
所以不能必然得到 。
(C)
正確。
由 可知
第 6 題5 分
Let , where denotes the column space of A, denotes the null space of A, and denotes the dimension of a subspace S. Which of the following statements are true?
(A) If A has linearly independent columns, then is nonsingular.
(B) .
(C) .
(D) If is nonsingular, then is also nonsingular.
(E) It is possible for a matrix A to have in and in .
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(A) 若 的欄向量線性無關,則 。對任意 ,。故 正定且可逆。成立。
(B) 為線性映射,依 \textbf{秩-零定理}
成立。
(C) 、,二者一般不相等。例如
第 7 題5 分
Find the inverse Laplace transform of .
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
利用拉普拉斯轉換基本公式:
因此,分母中的 對應時間域中的 。再利用線性性質:
其中常數 會保留在時間域函數前方。
解題方法
由定義可得:
因此:
所以:
選項分析
第 8 題5 分
Which of the following is wrong?
(A) The Fourier transform of a rectangular pulse of width T and height 1 is .
(B) The Fourier transform of (unit step function) is .
(C) If is odd, its Fourier series contains only sine terms.
(D) The initial value theorem for the Laplace transform is .
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核心觀念
本題綜合考查:
- 矩形脈波的傅立葉轉換。
- 單位階躍函數的廣義傅立葉轉換。
- 奇函數的傅立葉級數型態。
- 拉普拉斯轉換的初值定理。
採用角頻率形式的傅立葉轉換定義:
並採用
解題方法
逐一檢查各選項所對應的標準公式。傅立葉轉換中,單位階躍函數必須以廣義函數的方式處理,不能只保留脈衝項;這是本題的關鍵。
選項分析
(A) 正確
設矩形脈波為
其傅立葉轉換為
計算得
利用 :
因此
所以 (A) 正確。此選項隱含矩形脈波以 為中心;若脈波平移,結果還會多一個相位因子。
(B) 錯誤
單位階躍函數可寫成
已知
以及
其中 必須理解為柯西主值。因此
更嚴謹地寫成
第 9 題5 分
Which of the following statements about the Gibbs phenomenon is wrong?
(A) It occurs near discontinuities when approximating a function using its Fourier series.
(B) The oscillatory behavior in the Gibbs phenomenon disappears completely as more terms are added to the Fourier series.
(C) The Gibbs phenomenon results in a characteristic overshoot near discontinuities, even with a large number of terms.
(D) The oscillations caused by the Gibbs phenomenon become narrower as more terms are included.
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核心觀念
本題考查傅立葉級數逼近不連續函數時的 Gibbs phenomenon(吉布斯現象)。
對週期函數 ,其傅立葉級數的第 階部分和為
若 為分段光滑函數,依 Dirichlet 收斂定理:
- 在連續點 ,有 。
- 在跳躍不連續點 ,有
然而, 在不連續點附近會出現持續的振盪與超越,這種現象就是 Gibbs phenomenon。
其重要特徵是:
- 超越量不會隨 增加而完全消失。
- 超越區域會逐漸變窄。
- 超越量約為跳躍量的 ,通常概略記為 。
若跳躍量為
則極限超越量約為
解題方法
判斷 Gibbs phenomenon 的關鍵是分清楚「振盪幅度」與「振盪範圍」:
- 增加傅立葉級數項數時,振盪範圍會縮小。
- 但靠近跳躍點的最大超越幅度仍維持約跳躍量的 。
- 因此,傅立葉級數會逐點收斂,但在不連續點附近並非一致收斂。
以方波為例:
其傅立葉級數為
在 附近,函數由 跳躍至 ,跳躍量為
第 10 題5 分
Suppose we are given the following information about a signal :
a. is a real and even signal.
b. has period and Fourier coefficients .
c. .
d. .
Show that , and specify numerical values for the constants A, B, and C.
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核心觀念
本題使用離散時間傅立葉級數(DTFS)的三個重要性質:
-
傅立葉係數以週期 重複
-
實數且偶信號的係數對稱
若 為實數且偶信號,則
-
Parseval 定理
DTFS 合成式為
解題方法
1. 利用係數週期性找出
已知 ,因此
題目給定 ,所以
由於 為實數且偶信號,
又因係數以 為週期,
因此目前已知的兩個非零係數為
2. 利用 Parseval 定理判斷其他係數
題目給定
由 Parseval 定理,
而 與 已經貢獻
能量總和已經完全用盡,因此其餘係數皆必須為零:
3. 使用傅立葉級數合成式
因此
第 11 題5 分
What is the Fourier transform of ?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
採用傅立葉轉換定義
利用狄拉克脈衝的篩選性質
可得基本公式
解題方法
將兩個脈衝分別處理:
因此
同理,
利用傅立葉轉換的線性:
其中使用歐拉公式
選項分析
第 12 題5 分
The Fourier transform of the discrete-time signal is:
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
本題考查離散時間傅立葉轉換(DTFT)的基本性質:
- 離散時間訊號的 DTFT 必定具有 週期。
- 複指數訊號的轉換對偶為
- 餘弦訊號可利用歐拉公式拆成兩個複指數:
解題方法與推導
題目給定
令
利用歐拉公式,
DTFT 定義為
代入上式:
使用廣義傅立葉轉換關係
可得
合併寫成
第 13 題5 分
The solution to the differential equation with and , using the Laplace transform, is given by:
.
where * denotes convolution. What are the correct values of A, B, C, and D?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
本題考查:
- 拉普拉斯變換處理初始值問題。
- 微分方程中初始條件的代入。
- 卷積定理:
因此
- 部分分式分解。
解題方法
令
由初始條件 、,有
將原方程
作拉普拉斯變換:
整理得
所以
因為
故
一、求卷積項係數 、
先分解傳遞函數:
比較係數:
因此
由 ,得
所以
因此
利用卷積定理:
故
二、求初始條件項係數 、
再分解
第 14 題7 分
(7%) Magnetic resonance imaging is a medical imaging technique that uses macroscopic nuclear magnetization (M) of hydrogen in human tissues as its signal source. According to the well-known Bloch equation, the longitudinal magnetization Mz(t) follows the differential equation
where is the steady-state nuclear magnetization, and presents the longitudinal relaxation time, which is a tissue-dependent constant. Assume that an excitation pulse is applied to the magnetization right before to remove completely; in other words, . Find on the interval .
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對兩側積分,取 :
時 ,代回得
第 15 題8 分
Use separation of variables to find the product solution of , which satisfies
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核心觀念
本題考查偏微分方程的變數分離法。設解具有乘積形式
其中 僅依賴 , 僅依賴 。代入後,將含 的項與含 的項分離;由於兩者分別只依賴不同變數,因此必須等於同一個分離常數。
解題方法
令
則
代入原方程:
兩邊乘以 ,得
對非零乘積解 ,除以 :
左側只含 ,右側只含 ,故令兩者皆等於分離常數 :
分別解兩個常微分方程。
對 :
因此
積分得
所以
同理,對 :
積分得
第 16 題10 分
Given that an 3D object is enclosed by a surface and the xy plane (i.e., ), where .
(1) (4%) Find the normal vector over the surface of this object. Note that the normal vector should be provided in the form of a unit vector here.
(2) (6%) What is the surface area of this object?
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(1) 單位法向量
曲面 的梯度即為法向量方向
單位法向量
(2) 曲面積
與 的交線滿足 ,故投影區域 為半徑 的圓盤。
曲面積
第 17 題10 分
Given that is a complex variable and represents its complex conjugate.
(1) (2%) Sketch the set of points determined by on the complex plane.
(2) (8%) Let be the contour of your answer in (1) in a positive sense. Solve
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(1)
,故 。
在複平面上為以原點為中心、半徑 的圓;正向取逆時針方向。
(2)
,有簡單極點 。
的半徑 ,兩極點皆在圓內。