101102 工程數學歷屆試題 電機所 勘誤表

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101-102 

 

 

工程數學歷屆試題 

 

 

電機所 

 

 

 

 

勘誤表 

background image

1.

台灣大學電機工程研究所

C

喻超凡數位企業有限公司

102–9

可得對應的特徵向量為

X

1

=

⎡
⎣

1

2

3

⎤
⎦

將

λ = 1

代回

(A

− λI)X = 0

中可得

⎡
⎣

2

−2

0

1

2

−3

1

4

−5

⎤
⎦

⎡
⎣

x

1

x

2

x

3

⎤
⎦

=

⎡
⎣

0

0

0

⎤
⎦

可得對應的特徵向量為

X

2

=

⎡
⎣

1

1

1

⎤
⎦

將

λ = 2

代回

(A

− λI)X = 0

中可得

⎡
⎣

1

−2

0

1

1

−3

1

4

−6

⎤
⎦

⎡
⎣

x

1

x

2

x

3

⎤
⎦

=

⎡
⎣

0

0

0

⎤
⎦

可得對應的特徵向量為

X

3

=

⎡
⎣

2

1

1

⎤
⎦

因為

λ

1

≥ λ

2

≥ λ

3

,

故

P = [X

3

X

2

X

1

] =

⎡
⎣

2

1

1

1

1

2

1

1

3

⎤
⎦

且

det(B) = det(P M

2

P

−1

) = det(P )

· det(M

2

)

· det(P

−1

) = det(M

2

) = 2

AB

− BA = P M

1

P

−1

P M

2

P

−1

− P M

2

P

−1

P M

1

P

−1

= P M

1

M

2

P

−1

− P M

2

M

1

P

−1

= P M

1

M

2

P

−1

− P M

1

M

2

P

−1

= 0

9. (5%) Let

u and v be two vectors with norms ||u|| = 4 and ||v|| = 7, respectively,

in some inner product space. Let < 2

u + v , 2u − v > = (A14)

(A14) = ? (5%)

《喻超凡, 喻超弘 102台大電機 C》

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102–22

PChome

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超凡小鋪

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《解》

由題意可知

B = AEc

12

Ec

35

,

且

A

的最簡列梯矩陣為

⎡
⎣

1

0

2

0

1

0

1

1

0

−1

0

0

0

1

1

⎤
⎦

故存在一個可逆的矩陣

P

使得

P A =

⎡
⎣

1

0

2

0

1

0

1

1

0

−1

0

0

0

1

1

⎤
⎦

上式兩端後乘

Ec

12

Ec

35

,

即

P AEc

12

Ec

35

= P B =

⎡
⎣

1

0

2

0

1

0

1

1

0

−1

0

0

0

1

1

⎤
⎦

Ec

12

Ec

35

=

⎡
⎣

0

1

1

0

2

1

0

−1 0 1

0

0

1

1

0

⎤
⎦

則

Er

12

P B =

⎡
⎣

1

0

−1 0 1

0

1

1

0

2

0

0

1

1

0

⎤
⎦

Er

(−1)

32

Er

(1)

31

Er

12

P B =

⎡
⎣

1

0

0

1

1

0

1

0

−1 2

0

0

1

1

0

⎤
⎦

故

B

的最簡列梯矩陣為

⎡
⎣

1

0

0

1

1

0

1

0

−1 2

0

0

1

1

0

⎤
⎦

13. (10%) Let T be a linear operator an M

2×2

and T (A) = A

− 2A

T

.

Find an

expression for

T

−1

(

a

b

c

d

)

《喻超凡, 喻超弘 102台大電機 D》

《解》

令

T

−1

(

a

b

c

d

) =

α

β

γ

δ

background image

3.

台灣大學電子工程研究所甲

喻超凡數位企業有限公司

102–33

中可得

Φ

(t)Y (t) + Φ(t)Y

(t) = AΦ(t)Y (t) + B

即

Y

(t) = Φ

−1

(t)B

⇒ Y (t) =

Φ

−1

(t)B dt

故

X

p

(t) = Φ(t)Y (t)

= Φ(t)

Φ

−1

B dt

= Φ(t)

 

e

−2t

e

−5t

e

−2t

−2e

−5t

−1

3t

e

−t

dt

=

e

−2t

e

−5t

e

−2t

−2e

−5t

⎡
⎢

⎣

1

3

e

t

+

1

3

e

2t

(t

−

1

2

)

−

1

12

e

4t

+ e

5t

(

t

5

−

1

25

)

⎤
⎥

⎦

=

⎡
⎢

⎣

1

4

e

−t

+

6

5

t

−

27

50

1

2

e

−t

+

3

5

t

−

21

50

⎤
⎥

⎦

(3) ODE

的通解為

x(t)

y(t)

= X

h

(t) + X

p

(t) =

e

−2t

e

−5t

e

−2t

−2e

−5t

 

c

1

c

2

+

⎡
⎢

⎣

1

4

e

−t

+

6

5

t

−

27

50

1

2

e

−t

+

3

5

t

−

21

50

⎤
⎥

⎦

再由

x(0)

y(0)

=

0

0

=

1

1

1

−2

 

c

1

c

2

+

⎡
⎢

⎣

1

4

−

27

50

1

2

−

21

50

⎤
⎥

⎦

可解得

c

1

=

1

6

、

c

2

=

37

300

,

故

x(t)

y(t)

=

e

−2t

e

−5t

e

−2t

−2e

−5t

⎡
⎢

⎣

1

6

37

300

⎤
⎥

⎦

+

⎡
⎢

⎣

1

4

e

−t

+

6

5

t

−

27

50

1

2

e

−t

+

3

5

t

−

21

50

⎤
⎥

⎦

(d)

因

a = 3

、

b = 1

、

c = 4

、

d = 2 ,

故

ODE

可改寫成

d

2

y

dt

2

+ 7

dy

dt

+ 10y = 2e

−t

+ 6t , y(0) = 0 , y

(0) = 1

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102–58

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可解得

x

1

(t) = c

1

e

−4t

− 2e

−2t

x

2

(t) = c

2

e

−2t

− 2te

−2t

故

y

1

y

2

= P X =

1

1

−1 1

 

c

1

e

−4t

− 2e

−2t

c

2

e

−2t

− 2te

−2t

=

c

1

e

−4t

+ c

2

e

−2t

− 2e

−2t

− 2te

−2t

−c

1

e

−4t

+ c

2

e

−2t

+ 2e

−2t

− 2te

−2t

4.

試求出下列行列式

(1) (5%) D =

1

1

1

· · · 1

1

0

1

· · · 1

1

1

0

· · · 1

· · · · · · · · · · · ·

1

1

1

· · · 0

(2) (10%) D =

a

1

x

x

· · · x

x

a

2

x

· · · x

x

x

a

3

· · · x

· · · · · · · · · · · ·

x

x

x

· · · a

n

《喻超凡, 喻超弘 102台大生機線代》

《解》

(1)

因

D = det

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

1

1

1

· · · 1

1

0

1

· · · 1

1

1

0

· · · 1

· · · · · · · · · · · ·

1

1

1

· · · 0

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

n×n

= det

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

0

1

1

· · · 1

1

0

1

· · · 1

1

1

0

· · · 1

· · · · · · · · · · · ·

1

1

1

· · · 0

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

n×n

+ det

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

1

1

1

· · · 1

0

0

1

· · · 1

0

1

0

· · · 1

· · · · · · · · · · · ·

0

1

1

· · · 0

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

n×n

= det

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

0

1

1

· · · 1

1

0

1

· · · 1

1

1

0

· · · 1

· · · · · · · · · · · ·

1

1

1

· · · 0

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

n×n

+ det

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

0

1

1

· · · 1

1

0

1

· · · 1

1

1

0

· · · 1

· · · · · · · · · · · ·

1

1

1

· · · 0

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

(n−1)×(n−1)

background image

7.

台灣大學生物機電工程研究所線性代數

喻超凡數位企業有限公司

102–59

= det(A) + det(B)

又矩陣

A

的特徵值為

λ = (n

− 1)

、

(

−1)

、

(

−1)

、

· · ·

、

(

−1) ( n − 1

個

) ,

故

det(A) = (

−1)

n−1

(n

− 1)

矩陣

B

的特徵值為

λ = (n

− 2)

、

(

−1)

、

(

−1)

、

· · ·

、

(

−1) ( n − 2

個

) ,

故

det(B) = (

−1)

n−2

(n

− 2)

則

D = det(A) + det(B) = (

−1)

n−1

(n

− 1) + (−1)

n−2

(n

− 2)

= (

−1)

n−2

{−(n − 1) + (n − 2)} = (−1)

n−1

(2)

D =

a

1

x

x

· · · x

x

a

2

x

· · · x

x

x

a

3

· · · x

· · · · · · · · · · · · · · ·

x

x

x

· · · a

n

(

第

1

行乘

(

−1)

加到第

2

行到第

n

行

)

=

a

1

x

x

· · ·

x

x

− a

1

a

2

− x

0

· · ·

0

x

− a

1

0

a

3

− x · · ·

0

· · ·

· · ·

· · ·

· · ·

· · ·

x

− a

1

0

0

· · · a

n

− x

= (x

− a

1

)(a

2

− x) · · · (a

n

− x)

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

a

1

x

− a

1

x

a

2

− x

x

a

3

− x

· · ·

x

a

n

− x

1

1

0

· · ·

0

1

0

1

· · ·

0

· · ·

· · ·

· · ·

· · ·

· · ·

1

0

0

· · ·

1

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

(

從第二行開始乘

(

−1)

加到第一行

)

= (x

− a

1

)(a

2

− x) · · · (a

n

− x)

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

β

x

a

2

− x

x

a

3

− x

· · ·

x

a

n

− x

0

1

0

· · ·

0

0

0

1

· · ·

0

· · ·

· · ·

· · ·

· · ·

· · ·

0

0

0

· · ·

1

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

background image

3.

台聯系統

C

卷

喻超凡數位企業有限公司

102–89

10. Which of the following statements are true ?

(A) Let T be a linear transformation from

R

n

onto

R

m

. Then T is one-to-one.

(B) Let T be a linear transformation from

R

n

to

R

m

. Then

{v

1

,

· · · , v

k

} can be

linearly dependent even if

{T v

1

,

· · · , T v

k

} is linearly independent.

(C) Let T be a linear transformation from

R

n

to

R

n

, and let S

⊂

R

n

be a subspace

such that T

s ∈ S for all s ∈ S. Then dim (S) ∈ {0 , 1 , n}, where dim (S)

denotes the dimension of S.

(D) Let A

∈

R

m×n

with m > n > 3. Then rank (AA

T

) < rank (A).

(E) None of the above are true.

《喻超凡, 喻超弘 102台聯 C》

《解》

(A) False :

(B) False ;

{T v

1

,

· · · , T v

k

}

為線性獨立

,

則

{v

1

,

· · · , v

k

}

一定線性獨立

,

但逆定理

不恆真 。

(C) False ;

(D) False ;

應該是

rank (AA

T

) = rank (A).

(E) True ;

background image

3.

台聯系統

C

卷

喻超凡數位企業有限公司

102–101

可得

X(10) = 0

或

T (t) = 0 ,

因

T (t) = 0

會使得

g(x , t) = X(x)T (t) = 0 ,

即方程

式只有零解

(trivial

解

) ,

無非零解

,

因此取

X(10) = 0 ,

同理

g(20 , t) = 0 = X(20)T (t)

可得

X(20) = 0 ,

現解

X

(x) + λX(x) = 0 , X(10) = X(20) = 0

(2)

Sturm–Liouville

邊界值問題

(i) λ < 0 ,

令

λ =

−p

2

(0 < p <

∞)

代入

(2)

式

,

可得

X

(x)

− p

2

X(x) = 0

其通解為

X(x) = c

1

sinh p(x

− 10) + c

2

cosh p(x

− 10)

代入邊界條件

X(10) = 0 ,

可得

c

2

= 0 , X(20) = 0 = c

1

sinh 10p ,

可得

c

1

= 0,

故

X(x) = 0 ,

則

g(x, t) = X(x)T (t) = 0

無非零解 。

(ii) λ = 0 ,

代入

(2)

式

,

可得

X

(x) = 0 ,

其通解為

X(x) = c

1

+ c

2

(x

− 10)

代入邊界條件

X(10) = 0 ,

可得

c

1

= 0 , X(20) = 0 = c

2

× 10 ,

可得

c

2

= 0 ,

故

X(x) = 0 ,

則

g(x, t) = X(x)T (t) = 0

無非零解 。

(iii) λ > 0 ,

令

λ = p

2

(0 < p <

∞)

代入

(2)

式

,

可得

X

(x) + p

2

X(x) = 0

其通解為

X(x) = c

1

sin p(x

− 10) + c

2

cos p(x

− 10)

代入邊界條件

X(10) = 0 ,

可得

c

2

= 0 , X(20) = 0 = c

1

sin 10p ,

令

c

1

= 0 ,

可得

sin 10p = 0 ,

故

p =

nπ

10

(n = 1 , 2 , 3 ,

· · ·)

則

X(x) = c

1

sin

nπ(x

− 10)

10

= c

1

sin(

nπx

10

− nπ) = c

1

(

−1)

n

sin

nπx

10

= X

n

將

λ = p

2

= (

nπ

10

)

2

代回

(1)

式中可得

˙

T + 5(

nπ

10

)

2

T = 0

background image

102–102

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上式為一階

ODE,

其解為

T (t) = de

−(

n2π2

20

)t

= T

n

(n = 1 , 2 , 3 ,

· · ·)

因此

g

n

(x , t) = T

n

(t)X

n

(x) = de

−(

n2π2

20

)t

c

1

(

−1)

n

sin

nπx

10

= c

n

e

−(

n2π2

20

)t

sin

nπx

10

(3)

由重疊原理知

g(x , t) =

∞

n=1

g

n

(x, t) =

∞

n=1

c

n

e

−(

n2π2

20

)t

sin

nπx

10

(4)

本題答案選

(B)

20. Continued from Question 19, we further assume that g(x , 0) = x for 10 < x < 20

and that the solution g(x , t) takes the form of

g(x , t) =

∞

n=1

c

n

X

n

(x)T

n

(t)

for some constants c

n

. Which of the following statements are true ?

(A) c

n

=

20((

−1)

n

− 2)

nπ

, X

n

(x) = sin(

nπ

10

x) and T

n

(t) = exp(

−

n

2

π

2

20

t)

(B) c

n

=

20(1

− 2(−1)

n

)

nπ

, X

n

(x) = sin(

nπ

10

x) and T

n

(t) = exp(

−

n

2

π

2

20

t)

(C)

∞

n=1

c

n

X

n

(20)T

n

(0) = 20

(D)

∞

n=1

c

n

X

n

(10)T

n

(0) = 0

(E) None of the above are true.

《喻超凡, 喻超弘 102台聯 C》

《解》

由

g(x , 0) = x =

∞

n=1

c

n

sin

nπx

10

background image

4.

台聯系統

D

卷

喻超凡數位企業有限公司

102–109

5. (25%) Let V be a subspace of

R

5

generated by

⎧

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎨
⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎩

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

1

3

−3
−1
−4

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

,

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

1

4

−1
−2
−2

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

,

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

2

9

0

−5
−2

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

⎫

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎬
⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎭

and W be a subspace generated by

⎧

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎨
⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎩

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

1

6

2

−2

3

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

,

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

2

8

−1
−6
−5

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

,

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

1

3

−1
−5
−6

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

⎫

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎬
⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎭

(1) (10%) Find a basis and dimension for V + W . You must justify your answer

mathematically.

(2) (15%) Find a basis and dimension for V

∩ W . You must justify your answer

mathematically.

《喻超凡, 喻超弘 102台聯 D》

《解》

令

A =

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

1

1

2

1

2

1

3

4

9

6

8

3

−3 −1

0

2

−1 −1

−1 −2 −5 −2 −6 −5
−4 −2 −2

3

−5 −6

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

R

(−3)

12

R

(3)

13

R

(1)

14

R

(4)

15

GGGGGGGGGGGGGGGGGGGGA

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

1

1

2

1

2

1

0

1

3

3

2

0

0

2

6

5

5

2

0

−1 −3 −1 −4 −4

0

2

6

7

3

−2

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

background image

4.

台聯系統

D

卷

喻超凡數位企業有限公司

102–111

即

⎧

⎪

⎨
⎪

⎩

a + b + 2c + (

−d) + 2(−e) + (−f) = 0

b + 3c + 3(

−d) + 2(−e) = 0

−(−d) + (−e) + 2(−f) = 0

可解得

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

a

b

c

−d

−e

−f

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

= c

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

1

−3

1

0

0

0

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

+ (

−e)

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

2

−5

0

1

1

0

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

+ (

−f)

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

3

−6

0

2

0

1

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

故

V

∩ W

的基底為

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

1

6

2

−2

3

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

+

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

2

8

−1
−6
−5

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

, 2

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

1

6

2

−2

3

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

+

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

1

3

−1
−5
−6

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

=

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

3

14

1

−8
−2

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

,

⎡
⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

3

15

3

−9

0

⎤
⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

6. (10%) True or False. You must justify your answer mathematically.

(1) (5%) Two matrices that represent the same linear transformation T : V

→ V

with respect to different bases are not necessarily similar.

(2) (5%) The standard basis for

R

n

will always make the coordinate matrix for

the linear transformation T the simplest matrix possible.

《喻超凡, 喻超弘 102台聯 D》

《解》

(1) False ;

設

α

、

β

為

V

的有序基底

,

則

[T ]

β

= [I]

β

α

[T ]

α

[I]

α

β

= ([I]

α

β

)

−1

[T ]

α

[I]

α

β

(2) False ;

R

2

的標準基底為

α ,

再令

T (

x

y

) =

1

1

1

−1

 

x

y

background image

102–124

PChome

商店街

/

超凡小鋪

http://www.superyu.idv.tw

c =

− det(A

2

) =

−

1

2

0

−2

2

4

=

−2

故選

(A)

、

(C)

3. Continued from Problem 2. Determine which of the following vectors are the

eigenvectors of the matrix A

2

:

(A)

⎡
⎣

1

1

0

⎤
⎦

(B)

⎡
⎣

0

1

2

⎤
⎦

(C)

⎡
⎣

2

1

2

⎤
⎦

(D)

⎡
⎣

1

0

1

⎤
⎦

(E)

⎡
⎣

4

1

3

⎤
⎦

.

《喻超凡, 喻超弘 102交大光顯》

《解》

因

det(A

2

− λI) = (−1)

3

(λ

3

− 4λ

2

+ 5λ

− 2) = 0

可解得

λ = 1

、

1

、

2 ,

將

λ = 1

代回

(A

2

− λI)X = 0

中可得

⎡
⎣

−2 2 2
−1 1 1
−2 2 2

⎤
⎦

⎡
⎣

x

1

x

2

x

3

⎤
⎦

=

⎡
⎣

0

0

0

⎤
⎦

可得對應的特徵向量為

X = c

1

⎡
⎣

1

1

0

⎤
⎦

+ c

2

⎡
⎣

1

0

1

⎤
⎦

( c

1

、

c

2

不全為

0 )

將

λ = 2

代回

(A

2

− λI)X = 0

中可得

⎡
⎣

−3 2 2
−1 0 1
−2 2 1

⎤
⎦

⎡
⎣

x

1

x

2

x

3

⎤
⎦

=

⎡
⎣

0

0

0

⎤
⎦

可得對應的特徵向量為

X = c

3

⎡
⎣

2

1

2

⎤
⎦

(c

3

= 0)

選

(A)

、

(C)

、

(D)

、

(E)

background image

102–168

PChome

商店街

/

超凡小鋪

http://www.superyu.idv.tw

故

a

n

(t) + 2βa

n

(t) + n

2

a

n

(t) = 0

令

a

n

(t) = e

mt

代回 上式可得

m

2

+ 2βm + n

2

= 0

故

m =

−β ±

n

2

− β

2

i (0 < β < 1) ,

因此

a

n

(t) = e

−βt

(A

n

cos

n

2

− β

2

t + B

n

sin

n

2

− β

2

t)

則

PDE

的全解為

u(x , t) =

∞

n=1

e

−βt

(A

n

cos

n

2

− β

2

t + B

n

sin

n

2

− β

2

t) sin nx

(1)

再由

u(x , 0) = f (x) =

∞

n=1

A

n

sin nx

故

A

n

=

2

π

π

0

f (x) sin nx dx

且

u

t

(x , 0) = 0 =

∞

n=1

(

−βA

n

+

n

2

− β

2

B

n

) sin nx

故

B

n

=

βA

n

n

2

− β

2

,

將

A

n

、

B

n

代回

(1)

式即為解 。

4. (12%) The differential equation

m

d

2

x

dt

2

+ b

dx

dt

+ kx = 0

can be used to describe a damped simple harmonic motion. Its solution can be

written as the form of x(t) = x

m

e

−αt

cos(ωt + φ), where x

m

is the amplitude of

the damped oscillator. Please solve this differential equation and find the α and

ω in terms of m, b, k.

《喻超凡, 喻超弘 102成大光電》

《解》

令

x = e

λt

代回

ODE

中可得

mλ

2

+ bλ + k = 0

background image

2.

成功大學光電工程研究所

喻超凡數位企業有限公司

102–169

故

λ =

−b ±

√

4mk

− b

2

i

2m

=

−

b

2m

±

k

m

− (

b

2m

)

2

i =

−α ± ω i

其中

α =

b

2m

、

ω =

k

m

− (

b

2m

)

2

,

故

x(t) = e

−αt

(c

1

cos ωt + c

2

sin ωt) = x

m

e

−αt

cos(ωt + φ)

其中

x

m

=

#

c

2

1

+ c

2

2

、

φ = tan

−1

(

−c

2

c

1

)

。

5. (1) (5%)

#»

F = [sin

2

x ,

−y sin 2x , 5z], S the surface of the box |x| ≤ a, |y| ≤ b,

|z| ≤ c. Please evaluate the integral

 

S

#»

F

· #»

n dA.

(2) (5%)

#»

F = [y , z

2

, x

3

], C the intersection of x

2

+ y

2

= 1 and z = y + 1. Please

evaluate the integral

 

C

#»

F

· #»r

ds. (The line integral is clockwise as seen by a

person standing at the origin.)

(3) (5%) Please find a parametric representation of the following curve: Circle

1

2

x

2

+ y

2

= 1, z = y

《喻超凡, 喻超弘 102成大光電》

《解》

(1)

由散度定理可知

 

S

#»

F

· #»

n dA =

  

V

(

∇ ·

#»

F ) dxdydz

=

  

V

(2 sin x cos x

− sin 2x + 5) dxdydz

=

 

V

5 dxdydz = 5(2a)(2b)(2c) = 40abc

(2)

令

x

2

+ y

2

= 1

、

z = y + 1

相交的曲線

C ,

所圍的區域為

S ,

再令

φ = z

− y − 1 = 0

則

S

的單位法向量為

#»

n =

∇φ

|∇φ|

=

−#»

j +

#»

k

√

2

background image

2.

成功大學光電工程研究所

喻超凡數位企業有限公司

102–171

將

(1)

式兩端取共軛轉置

,

可得

(AX)

∗

= (λX)

∗

⇒ X

∗

A

∗

= λ X

∗

(2)

因

A

為

Skew–Hermitian

矩陣

,

故滿足

A

∗

=

−A ,

將其代入

(2)

式中

,

可得

−X

∗

A = λ X

∗

兩端後乘

X

可得

−X

∗

AX = λ X

∗

X

⇒ − X

∗

λX = λ X

∗

X

故可得

(λ + λ)X

∗

X = 0

因

X

∗

X

= 0 ,

則

λ =

−λ ,

即

λ

為純虛數或零 。

7. (a) (5%) Please find all the singular points and the corresponding residues for

sin z

z

6

.

(b) (5%) Please find the Cauchy principal value for

∞

−∞

x + 5

x

3

− x

dx

(c) (5%) Please integrate

cos z

z

n

for n = 1 , 2 ,

· · · counterclockwise around

C :

|z| = 1.

《喻超凡, 喻超弘 102成大光電》

《解》

(a)

因

z = 0

為

f (z) =

sin z

z

6

的

5

階

pole ,

且

Resf (0) =

1

5!

lim

z→0

d

5

dz

5

{z

6

sin z

z

6

} =

1

5!

lim

z→0

(cos z) =

1

120

(b)

令

f (z) =

z + 5

z

3

− z

,

故

F (z)

在實軸上具有

z = 0

、

±1

的一階

poles ,

且

Resf (1) =

z + 5

3z

2

− 1

z=1

= 3

Resf (0) =

z + 5

3z

2

− 1

z=0

=

−5

Resf (

−1) =

z + 5

3z

2

− 1

z=1

= 2

background image

1.

中山大學電機工程研究所甲

喻超凡數位企業有限公司

102–187

=

x=1

x=0

y=x

3

y=0

2y dy dx

=

x=1

x=0

y

2

y=x

3

y=0

dx

=

x=1

x=0

x

6

dx =

1

7

因此

C

3

#»

F

· #»

n ds =

 

C

1

+C

2

+C

3

#»

F

· #»

n ds

−

C

1

+C

2

#»

F

· #»

n ds =

1

7

− (−1) =

8

7

8. (10%) Consider the following Lyapunov equation

XA + A

T

X + Q = 0

where A is a (n-dimensional) real square matrix, and X, Q are real symmetric

matrices.

(a) (5%) Suppose all eigenvalues of A have negative real parts. Show that

X =

∞

0

e

A

T

τ

Q e

Aτ

dτ

is a solution to the Lyapunov equation.

(b) (5%) Suppose Q is positive definite and the Lyapunov equation has a positive

definite solution X. Show that all eigenvalues of A have negative real parts.

《喻超凡, 喻超弘 102中山電機甲》

《解》

(a)

設

λ

1

、

λ

2

、

· · ·

、

λ

n

為方陣

A

的特徵值

,

且實部均為負值 。 若

A

可對解化

,

則存

在一個非奇異的矩陣

S ,

使得

e

At

= S

⎡
⎢

⎢

⎣

e

λ

1

t

0

· · ·

0

0

e

λ

2

t

· · ·

0

· · ·

· · · · · · · · ·

0

0

· · · e

λ

n

t

⎤
⎥

⎥

⎦

S

−1

background image

102–202

PChome

商店街

/

超凡小鋪

http://www.superyu.idv.tw

令

u = y

−2

,

故

du

dx

= (

−2)y

−3

dy

dx

,

代回上式可得

du

dx

− 2u = −2x

積分因子為

I = e

−2x

,

且

Iu =

e

−2x

(

−2x) dx = xe

−2x

+

1

2

e

−2x

+ c

故

ODE

的通解為

u =

1

y

2

= (x +

1

2

) + c e

2x

5. (20%) Assuming z = re

iθ

and ξ = ρe

iφ

, calculate following values.

(1) Re

z + ξ

z

− ξ

(10%)

(2) Im

z + ξ

z

− ξ

(10%)

《喻超凡, 喻超弘 102中山光電》

《解》

因

z + ξ

z

− ξ

=

(z + ξ)(¯

z

− ¯ξ)

(z

− ξ)(¯z − ¯ξ)

=

z ¯

z + ξ ¯

z

− z ¯ξ− ξ ¯ξ

z ¯

z

− ξ¯z − z ¯ξ+ ξ ¯ξ

(1)

因

z ¯

z =

|z|

2

= r

2

, ξ ¯

ξ =

|ξ|

2

= ρ

2

,

且

−ξ¯z − z ¯ξ = −rρe

i(φ−θ)

− rρe

i(θ−φ)

=

−rρ(e

i(φ−θ)

+ e

−i(φ−θ)

) =

−2rρ cos(φ − θ)

ξ ¯

z

− z ¯ξ = rρe

i(φ−θ)

− rρe

i(θ−φ)

= rρ(e

i(φ−θ)

− e

−i(φ−θ)

) = 2irρ sin(φ

− θ)

代回

(1)

式可得

z + ξ

z

− ξ

=

z ¯

z + ξ ¯

z

− z ¯ξ− ξ ¯ξ

z ¯

z

− ξ¯z − z ¯ξ+ ξ ¯ξ

=

r

2

+ 2irρ sin(φ

− θ) − ρ

2

r

2

− 2rρ cos(φ − θ) + ρ

2

(2)

(1)

由

(2)

式可知

Re

z + ξ

z

− ξ

=

r

2

− ρ

2

r

2

− 2rρ cos(φ − θ) + ρ

2

(2)

由

(2)

式可知

Im

z + ξ

z

− ξ

=

2rρ sin(φ

− θ)

r

2

− 2rρ cos(φ − θ) + ρ

2

background image

1.

海洋大學光電研究所

喻超凡數位企業有限公司

102–235

8. (8%) z = x + iy,

求

z

3

的實部與虛部 。

《喻超凡, 喻超弘 102海洋光電》

《解》

z

3

= (x + iy)

3

= x

3

+ 3x

2

(iy) + 3x(iy)

2

+ (iy)

3

= (x

3

− 3xy

2

) + i(3x

2

y

− y

3

) ,

故

Re(z

3

) = x

3

− 3xy

2

Im(z

3

) = 3x

2

y

− y

3

9. (13%)

請計算積分

∞

0

x

2

+ 1

x

6

+ 1

dx

《喻超凡, 喻超弘 102海洋光電》

《解》

令

f (z) =

z

2

+ 1

z

6

+ 1

,

由

z

6

+ 1 = 0,

可得

z

6

=

−1 = e

(2kπ+π)i

⇒ z = e

(2kπ+π)i

6

(k = 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5)

為

f (z)

的奇點

,

只有

z

1

= e

i

π

6

、

z

3

= e

i

5π

6

的一階

poles

在上半面

, z

2

= e

i

π

2

為可棄

奇點

,

且其殘值分別為

Resf (z

1

) = lim

z→z

1

z

2

+ 1

6z

5

=

1

6

(e

2i

π

6

+ 1)e

−i

5π

6

=

1

6

(

−

√

3

2

− i

3

2

)

Resf (z

3

) = lim

z→z

3

z

2

+ 1

6z

5

=

1

6

(e

2i

5π

6

+ 1)e

−i

25π

6

=

1

6

(

√

3

2

− i

3

2

)

故

∞

0

x

2

+ 1

x

6

+ 1

dx =

1

2

∞

−∞

x

2

+ 1

x

6

+ 1

dx

=

1

2

· 2πi{Resf(z

1

) + Resf (z

3

)

}

=

π

2

background image

2.

暨南大學應用光電工程研究所

喻超凡數位企業有限公司

102–291

3. (15%) Solve cos x (e

2y

− y)

dy

dx

= e

y

sin 2x, y(0) = 0.

《喻超凡, 喻超弘 102暨南應光》

《解》

原式可改寫成

(e

y

− ye

−y

)dy =

sin 2x

cos x

dx

兩端積分可得

e

y

+ ye

−y

+ e

−y

=

−2 cos x + c

再由

y(0) = 0 ,

可得

1 + 1 =

−2 + c ,

故

c = 4 ,

則

ODE

的特解為

e

y

+ ye

−y

+ e

−y

=

−2 cos x + 4

4. (15%) Solve y

+ y = 4x + 10 sin x , y(π) = 0, y

(π) = 2.

《喻超凡, 喻超弘 102暨南應光》

《解》

(1)

齊次解

:

令

y = e

mx

代回

ODE

中可得

m

2

+ 1 = 0

⇒ m = ±i

故

y

h

(x) = c

1

sin x + c

2

cos x

(2)

特解

:

y

p

(x) =

1

D

2

+ 1

(4x) +

1

D

2

+ 1

(10 sin x)

= (1

− D

2

+

· · ·)(4x) + 10 ×

x

2

(

− cos x)

= 4x

− 5x cos x

(3)

通解

:

y(x) = y

h

(x) + y

p

(x) = c

1

sin x + c

2

cos x + 4x

− 5x cos x

background image

101–6

PChome

商店街

/

超凡小鋪

http://www.superyu.idv.tw

=

∞

−∞

u(τ , 0)

y

π

{y

2

+ (x

− τ)

2

}

dτ

=

∞

0

20

y

π

{y

2

+ (x

− τ)

2

}

dτ

=

20

π

(

− tan

−1

x

− τ

y

)

∞

0

=

20

π

(

π

2

+ tan

−1

x

y

)

= 10

− (−

20

π

) tan

−1

x

y

3. (16%) If the particular solution that satisfies the following equation and initial

conditions :

xy

+ 3y

+ 25xy = 0 , 0 < x <

∞ , y(0) = 12 , y

(0) = 0

can be written as y(x) = Ax

B

J

1

(Cx) + Dx

B

Y

1

(Cx). A = ? B = ? C = ? D = ?

《喻超凡, 喻超弘 101台大電機 C》

《解》

原式可改寫成

x

2

y

+ 3xy

+ 25x

2

y = 0

令

1

− 2α = 3,

故

α =

−1,

令

y = x

−1

z(x)

代回

ODE

中

,

可得

x

2

z

+ xz

+ (25x

2

− 1)z = 0

故

z(x) = c

1

J

1

(5x) + c

2

Y

1

(5x)

因此

y(x) = x

−1

z(x) = c

1

J

1

(5x)

x

+ c

2

Y

1

(5x)

x

因

lim

x→0

y(x) = lim

x→0

{c

1

J

1

(5x)

x

+ c

2

Y

1

(5x)

x

} = 12

故

c

2

= 0,

且

c

1

lim

x→0

J

1

(5x)

x

= c

1

lim

x→0

5 J

1

(5x) = 5 c

1

J

1

(0)

= 5 c

1

1

2

{J

0

(0)

− J

2

(0)

}

= 5

c

1

2

= 12

background image

3.

台灣大學生物機電工程研究所

喻超凡數位企業有限公司

101–25

(3)

相異的特徵值對應的特徵函數相對權函數

w =

1

1 + x

2

為正交 。

8.

試求解下列的邊界值問題

(18%)

∂

2

u

∂x

2

=

∂u

∂t

, 0 < x < 1 , t > 0

邊界條件

: u(0 , t) = sin t , u(1 , t) = 0, t > 0

初始條件

: u(x , 0) = 0 , 0 < x < 1.

《喻超凡, 喻超弘 101台大生機》

《解》

令

u(x , t) = φ(x , t)

− x sin t + sin t,

代回

ODE

中可得

∂

2

φ

∂x

2

=

∂φ

∂t

− x cos t + cos t

且

u(0 , t) = φ(0 , t) + sin t = sin t

⇒ φ(0 , t) = 0

u(1 , t) = φ(1 , t)

− sin t + sin t = 0 ⇒ φ(1 , t) = 0

u(x , 0) = φ(x , 0) = 0

因

φ(0 , t) = φ(1 , t) = 0,

故特徵函數為

!

sin nπx

"

∞
n
=1

故

φ(x , t) =

∞

n=1

a

n

(t) sin nπx

且

(

−x + 1) =

∞

n=1

q

n

sin nπx

其中

q

n

= 2

1

0

(

−x + 1) sin nπx dx =

2

nπ

代回

PDE

中可得

∞

n=1

a

n

(t)(

−n

2

π

2

) sin nπx =

∞

n=1

a

n

(t) sin nπx + cos t

∞

n=1

2

nπ

sin nπx

background image

101–36

PChome

商店街

/

超凡小鋪

http://www.superyu.idv.tw

2. 101

台聯系統

C

卷

1. (9%) Let a > b > 0, and define M = a

uu

T

+ bI

4

, where

u = [1 2 2 1]

T

and I

4

is the identity matrix of dimension 4

× 4.

(1) (5%) Let λ

1

≥ λ

2

≥ λ

3

≥ λ

4

be the eigenvalues of M . Compute

λ

1

+ λ

2

− λ

3

− λ

4

.

(2) (4%) Find the maximal singular value of matrix M .

《喻超凡, 喻超弘 101台聯 C》

《解》

(1)

因

M

u = (au u

T

+ bI

4

)

u = au u

T

u + b u = (10a + b)u

故

u

所對應的特徵值為

λ

1

= (10a + b),

再令

v ∈ span {u}

⊥

故

<

v , u >= u

T

v = 0,

因此

M

v = (auu

T

+ bI

4

)

v = b v

則

λ

2

= λ

3

= λ

4

= b ,

故

λ

1

+ λ

2

− λ

3

− λ

4

= (10a + b) + b

− b − b = 10a

(2)

因

M

T

= (a

uu

T

+ bI

4

)

T

= a

uu

T

+ bI

4

,

故

M

為對稱矩陣

,

則

M

的奇異值即為

M

的特徵值

,

故

M

對大的奇異值為

(10a + b)

。

background image

2.

台聯系統

C

卷

喻超凡數位企業有限公司

101–45

《解》

因題目的初始條件為

y(1) = 3

、

y

(1) = 0 ,

故

ODE

的解只能對

x = 1

展開

,

因

x = 1

為

ODE

的常點

,

又因題目只要求前

6

項的解

,

因此採用直接求解法

,

令

ODE

的解為

y(x) =

∞

n=0

y

(n)

(1)

n!

(x

− 1)

n

(1)

y

(x) = 2(x

− 1)y

(x)

− 8y(x) ⇒ y

(1) =

−8y(1) = −24

y

(x) = 2(x

− 1)y

(x) + 2y

(x)

− 8y

(x)

⇒ y

(1) =

−6y

(1) = 0

y

(4)

(x) = 2(x

− 1)y

(x) + 2y

(x)

− 6y

(x)

⇒ y

(4)

(1) =

−4y

(1) = 96

y

(5)

(x) = 2(x

− 1)y

(4)

(x) + 2y

(x)

− 4y

(x)

⇒ y

(5)

(1) =

−2y

(1) = 0

y

(6)

(x) = 2(x

− 1)y

(5)

(x) + 2y

(4)

(x)

− 2y

(4)

(x)

⇒ y

(6)

(1) = 0

y

(7)

(x) = 2(x

− 1)y

(6)

(x) + 2y

(5)

(x)

⇒ y

(7)

(1) = 2y

(5)

(1) = 0

..

.

將求出的

y

(1)

、

y

(1)

、

y

(4)

(1)

、

y

(5)

(1)

、

· · · ,

代回

(1)

中

,

可得

y(x) = y(1) + y

(1)(x

− 1) +

y

(1)

2!

(x

− 1)

2

+

y

(1)

3!

(x

− 1)

3

+

y

(4)

(1)

4!

(x

− 1)

4

+

y

(5)

(1)

5!

(x

− 1)

5

+

y

(6)

(1)

6!

(x

− 1)

6

+

· · ·

= 3

−

24

2

(x

− 1)

2

+

96

4!

(x

− 1)

4

=

−5 + 8x + 12x

2

− 16x

3

+ 4x

4

= c

0

+ c

1

x + c

2

x

2

+ c

3

x

3

+ c

4

x

4

+ c

5

x

5

故

c

0

=

−5

、

c

1

= 8

、

c

2

= 12

、

c

3

=

−16

、

c

4

= 4

、

c

5

= 0 ,

本題之所能解出

,

是剛好

y

(5)

(1) = y

(6)

(1) = y

(7)

(1) =

· · · = 0

否則無法求出正確解 。

10. (10%) Consider the following boundary value problem for u(x , t) with 0 < x < π

and t > 0

∂

2

u

∂x

2

=

∂

2

u

∂t

2

, u(0 , t) = u(π , t) = 0 , u(x , 0) = f (x) ,

∂u

∂t

t=0

= 0

(1)

(1) (5%) Assuming f (x) = x, determine its Fourier sine series on interval [0 , π).

(2) (5%) Solve the boundary value problem (1) for u(x , t) when f (x) = x.

《喻超凡, 喻超弘 101台聯 C》

background image

101–70

PChome

商店街

/

超凡小鋪

http://www.superyu.idv.tw

α =

π

4

、

β = tan

−1

1

√

2

2. The matrix A =

⎡
⎣

1

2

1

0

3

1

0

5

−1

⎤
⎦

(a) (5%) Find the eigenvalues and the corresponding eigenvectors for the matrix

A.

(b) (5%) Calculate determinant of (A

4

− 4A

3

− 3A

2

+ 14A

− 7I).

《喻超凡, 喻超弘 101交大光顯》

《解》

(a)

由

det(A

− λI) = 0 ,

可得特徵值為

λ = 1

、

4

、

-2 ,

將

λ = 1

代回

(A

− λI)X = 0

中可得

⎡
⎣

0

2

1

0

2

1

0

5

−2

⎤
⎦

⎡
⎣

x

1

x

2

x

3

⎤
⎦

=

⎡
⎣

0

0

0

⎤
⎦

故對應的特徵向量為

X = c

1

⎡
⎣

1

0

0

⎤
⎦

(c

1

= 0)

將

λ = 4

代回

(A

− λI)X = 0

中可得

⎡
⎣

−3

2

1

0

−1

1

0

5

−5

⎤
⎦

⎡
⎣

x

1

x

2

x

3

⎤
⎦

=

⎡
⎣

0

0

0

⎤
⎦

background image

1.

交通大學光顯聯招

喻超凡數位企業有限公司

101–71

故對應的特徵向量為

X = c

2

⎡
⎣

1

1

1

⎤
⎦

(c

2

= 0)

將

λ =

−2

代回

(A

− λI)X = 0

中可得

⎡
⎣

3

2

1

0

5

1

0

5

1

⎤
⎦

⎡
⎣

x

1

x

2

x

3

⎤
⎦

=

⎡
⎣

0

0

0

⎤
⎦

故對應的特徵向量為

X = c

3

⎡
⎣

1

1

−5

⎤
⎦

(c

3

= 0)

(b)

令

g(A) = A

4

− 4A

3

− 3A

2

+ 14A

− 7I ,

故

g(A)

的特徵值為

g(1) = 1 , g(4) = 1 , g(

−2) = 1

故

det

{g(A)} = g(1) × g(4) × g(2) = 1

。

3. The U be the subspace of

R

4

that consist of all vectors of the form

⎡
⎢

⎢

⎣

2s

− t

s

t

−5s + 2t

⎤
⎥

⎥

⎦

(a) (5%) Find a basis for U .

(b) (5%) Find the orthogonal complement of U .

(c) (5%) Find the vector in U that is closest to

⎡
⎢

⎢

⎣

−1

0

0

1

⎤
⎥

⎥

⎦

.

《喻超凡, 喻超弘 101交大光顯》

《提示》

本題為

96

年交大光顯的考題 。

《解》

background image

101–146

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超凡小鋪

http://www.superyu.idv.tw

將

λ = 4

代回

(A

− λI)X = 0

中可得

0

−3

0

−3

 

x

1

x

2

=

0

0

故可得對應的特徵向量為

X

2

=

1

0

令

S = [X

1

X

2

] =

1

1

1

0

故

S

−1

AS = D =

1

0

0

4

則

A

1/2

= SD

1/2

S

−1

= S

1

0

0

2

S

−1

6. Let

B =

⎡
⎢

⎢

⎣

−5 −8 0

3

0

5

0

−6

5

−7 2

2

0

3

0

−4

⎤
⎥

⎥

⎦

Mark the following statements True or False. Justify each answer.

(a) (5%) B is an invertible matrix.

(b) (5%) The linear transformation x

→ Bx for any vector x ∈

R

4

is one-to-one.

(c) (5%) Dimension of the null space of B is n.

《喻超凡, 喻超弘 101北科大電機甲》

《解》

(a) T ;

因

det(B) =

−5 −8 0

3

0

5

0

−6

5

−7 2

2

0

3

0

−4

= 2

−5 −8

3

0

5

−6

0

3

−4

= 20

= 0

(b) T ;

因

det(B)

= 0,

故

N (B) = {0}

。

(c) F ; nullity (B) = 0

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