109年公務人員高等考試三級考試試題
類科:氣象學科目:應用數學(包括微積分、微分方程與向量分析)

解:
矩陣A為正定⇔A的特徵值均為正數,因此我們先求矩陣的特徵值:A=[abbbbabbbbabbbba]⇒det(A−λI)=0⇒|a−λbbbba−λbbbba−λbbbba−λ|=0⇒λ4−4aλ3+(6a2−6b2)λ2−(4a3+8b3−12ab2)λ+(a4−3b4+8ab3−6a2b2)=0⇒(λ−(a−b))3(λ−(a+3b))=0⇒特徵值λ=a−b,a+3b因此該矩陣為正定的充分必要條件為a>b且a+3b>0
解:
{u′(t)=2u(t)−v(t)+et⋯(1a)v′(t)=3u(t)−2v(t)−et⋯(1b)u(0)=1,v(0)=2,由(1a)可得v(t)=2u(t)−u′(t)+et⋯(2a),代入(1b)⇒2u′(t)−u″(t)+et=3u(t)−4u(t)+2u′(t)−2et−et⇒u″(t)−u(t)=4et⋯(3a)同理,由(1b)可得u(t)=13(v′(t)+2v(t)+et)⋯(2b),代入(1a)⇒v″(t)−v(t)=4et⋯(3b)將初始值{u(0)=1v(0)=2代入(2b)及(2a)⇒{1=13(v′(0)+4+1)2=2−u′(0)+1⇒{u′(0)=1v′(0)=−2{u″(t)−u(t)=4et⋯(3a)v″(t)−v(t)=4et⋯(3b)⇒{u(t)=C1et+C2e−t+2tet⋯(4a)v(t)=C3et+C4e−t+2tet⋯(4b)⇒{u′(t)=C1et−C2e−t+2et+2tet⋯(5a)v′(t)=C3et−C4e−t+2et+2tet⋯(5b);最後將{u(0)=1v(0)=2代入(4a)及(4b),及{u′(0)=1v′(0)=−2代入(5a)及(5b)⇒{C1+C2=1C3+C4=2C1−C2=−1C3−C4=−4⇒{C1=0C2=1C3=−1C4=3⇒{u(t)=e−t+2tetv(t)=−et+3e−t+2tet

解:
令→F=[F1F2F3],→G=[G1G2G3]⇒→F×→G=[F2G3−F3G2F3G1−F1G3F1G2−F2G1]⇒div(→F×→G)=[DxDyDz]⋅[F2G3−F3G2F3G1−F1G3F1G2−F2G1]又(curl→F)⋅→G−→F⋅(curl→G)=([DxDyDz]×[F1F2F3])⋅[G1G2G3]−[F1F2F3]⋅([DxDyDz]×[G1G2G3])=[DyF3−DzF2DzF1−DxF3DxF2−DyF1]⋅[G1G2G3]−[F1F2F3]⋅[DyG3−DzG2DzG1−DxG3DxG2−DyG1]=DyF3G1−DzF2G1+DzF1G2−DxF3G2+DxF2G3−DyF1G3−(F1DyG3−F1DzG2+F2DzG1−F2DxG3+F3DxG2−F3DyG1)=(DxF2G3+F2DxG3−DxF3G2)+(DyF3G1+F3DyG1−DyF1G3−F1DyG3)+(DzF1G2+F1DzG2−DzF2G1−F2DzG1)=Dx(F2G3−F3G2)+Dy(F3G1−F1G3)+Dz(F1G2−F2G1)=[DxDyDz]⋅[F2G3−F3G2F3G1−F1G3F1G2−F2G1]=div(→F×→G),故得證

解:
(一)f(x)=a0+∞∑n=1(ancosnπxL+bnsinnπxL),其中{a0=12L∫L−Lf(x)dxan=1L∫L−Lf(x)cosnπxLdx,n=1,2,...bn=1L∫L−Lf(x)sinnπxLdx,n=1,2,...(二)基底函數ϕ(x)=1,sinnπxL,cosnπxL,其中n=1,2,...ϕ(x)=1⇒∫L−Lϕ(x)2dx=∫L−L1dx=2L;ϕ(x)=sinnπxL⇒∫L−Lϕ(x)2dx=∫L−Lsin2nπxLdx=[x2−L4nπsin2nπxL]|L−L=L2−(−L2)=L;ϕ(x)=cosnπxL⇒∫L−Lϕ(x)2dx=∫L−Lcos2nπxLdx=[x2+L4nπsin2nπxL]|L−L=L2−(−L2)=L⇒{ϕ(x)=1⇒∫L−Lϕ(x)2dx=2Lϕ(x)=sinnπxL⇒∫L−Lϕ(x)2dx=Lϕ(x)=cosnπxL⇒∫L−Lϕ(x)2dx=L(三)f(x)=a0+∞∑n=1(ancosnπxL+bnsinnπxL)將上式同乘f(x)再積分(x=−L至x=L)⇒∫L−Lf2(x)dx=a0∫L−Lf(x)dx+∞∑n=1(an∫L−LcosnπxLdx+bn∫L−LsinnπxLdx)=2La20+∞∑n=1(La2n+Lb2n)=L⋅2a20+L⋅∞∑n=1(a2n+b2n)

解:
首先坐標轉換,將(x,y,z)→(r,θ,φ),其中{r=√x2+y2+z2θ=arccoszrφ=arctanyx因此(∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)w=0≡wxx+wyy+wzz=0坐標轉換→1r2⋅∂∂r(r2∂w∂r)+1r2sinθ⋅∂∂θ(sinθ∂w∂θ)+1r2sin2θ⋅∂2w∂φ2=0⋯(1)由於w(√x2+y2+z2)=w(r)代表w的變數只有r,沒有φ及θ,也就是{∂w∂φ=0∂w∂θ=0因此(1)可減化成1r2⋅∂∂r(r2∂w∂r)=0⇒1r2⋅(2r∂w∂r+r2∂2w∂r2)=0⇒2r∂w∂r+r2∂2w∂r2=0⇒2∂w∂r+r∂2w∂r2=0(相當於求:xy″+2y′=0的ODE)⇒w=c1r0+c2r−1⇒w=c1+c2r,c1,c2為常數
-- END (僅供參考) --
第一題,我想到兩個條件
回覆刪除tr(A)=所有特徵值相加=4a>0,即a>0
det(A)=所有特徵值相乘>0
並不能保證特徵值為正!例:-3,-1,4,5,四數相加,相乘都為正,但...
刪除我想再請教一下第一題,您是如何得知(λ-(a-b))^3 * (λ-(a+3b))=0呢?前面一個式子太複雜了,如何可以快速得到這一個步驟呢?
回覆刪除謝謝
矩陣(A-λI)只有對角線有a,其他都是b,所以λ=(a-b)就可以把對角線都變成b,行列式就是0了。接著用長除法就可以找到另一個特徵值。
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