國立臺灣大學112學年度碩士班招生考試
題號:194
科目:工程數學(A)

解答:(a)F(x,y,z)=x2+y2−z2⇒→n=(Fx,Fy,Fz)=(2x,2y,−2z)=(2,0,−1)⇒單位法向量→n|→n|=(2√5,0,−1√5)(b)C:x2+y2=1,z=1⇒r(t)=(x(t),y(t),z(t)),其中{x(t)=costy(t)=sintz(t)=1⇒r′(t)=(−sint,cost,0),0≤t≤2π⇒→F=(−sint,cost,cos3tsin3t)⇒線積分∫C→F⋅dr=∫2π0(−sint,cost,cos3tsin3t)⋅(−sint,cost,0)dt=∫2π0sin2t+cos2tdt=∫2π01dt=2π
解答:(a)先求齊次解y‴−3y″+3y′−y=0⇒λ3−3λ2+3λ−1=0⇒(λ−1)3=0⇒λ=1⇒yh=(C1+C2x+C3x2)ex接著令yp=Ax3ex⇒y′p=3Ax2ex+Ax3ex⇒y″p=6Axex+6Ax2ex+Ax3ex⇒y‴p=6Aex+18Axex+9Ax2ex+Ax3ex⇒y‴p−3y″p+3y′p−yp=6Aex=ex⇒A=16⇒y=yh+yp⇒y=(C1+C2x+C3x2)ex+16x3ex(b)L{xy″}−L{xy′}+L{y}=L{1}⇒−dds(s2Y(s)−s−1)+dds(sY(s)−1)+Y(s)=1s⇒(2−2s)Y(s)+(s−s2)Y′(s)+1=1s⇒Y′(s)+2sY(s)=1s2積分因子μ(s)=e∫2/sds=s2⇒s2Y′(s)+2sY(s)=1⇒(s2Y(s))′=1⇒s2Y(s)=s+C⇒Y(s)=1s+Cs2⇒y(x)=L−1{Y(s)}=L−1{1s}+L−1{Cs2}⇒y(x)=1+Cx⇒y′(0)=C=1⇒C=1⇒y(x)=x+1


解答:(a)令u(x,t)=F(x)G(t)⇒{utt=FG″uxx=F″G,依題意FG″=F″G⇒F″F=G″G=k為常數邊界條件{u(0,t)=F(0)G(t)=0u(1,t)=F(1)G(t)=0,若G(t)=0,則u=0為明顯解,不討論因此邊界條件變為F(0)=F(1)=0現在對常數k進行討論:若k=0,則F″=0⇒F(x)=ax+b,再將邊界條件代入⇒{F(0)=b=0F(1)=a+b=0⇒F=0,則u=0為明顯解,不討論若k>0,假設k=c2⇒F″−c2F=0⇒F=C1ecx+C2e−cx,代入邊界條件⇒{F(0)=C1+C2=0F(1)=C1ec+C2e−c=0⇒C1=C1=0,則u=0為明顯解,不討論因此只能假設k<0,假設k=−c2⇒F″+c2F=0⇒F=Acos(cx)+Bsin(cx)再代入邊界條件:{F(0)=A=0F(1)=Acos(c)+Bsin(c)=0⇒sin(c)=0⇒c=nπ⇒Fn(x)=sin(nπx),n∈N接著求G(t),G″G=k=−c2=−n2π2⇒G″+n2π2G=0⇒Gn(t)=Ancosnπt+Bnsinnπt⇒un(x,t)=(Ancosnπt+Bnsinnπt)sin(nπx)⇒u(x,t)=∞∑n=1(Ancosnπt+Bnsinnπt)sin(nπx),n∈N (b)u(x,0)=f(x)⇒f(x)=∞∑n=1Ansin(nπx),n∈N⇒An=2∫10f(x)sin(nπx)dxut(x,0)=g(x)=∞∑n=1(nπBncos(nπt)−nπAnsin(nπt))sin(nπx)|t=0⇒g(x)=∞∑n=1(nπBn)sin(nπx)⇒Bn=2nπ∫10g(x)sin(nπx)dx因此u(x,t)=∞∑n=1(Ancos(nπt)+Bnsin(nπt))sin(nπx),其中{An=2∫10f(x)sin(nπx)dxBn=2nπ∫10g(x)sin(nπx)dx,n∈N
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