112年公務人員高等考試三級考試試題
類 科:天文、氣象
科 目:應用數學(包括微積分、微分方程與向量分析)
解答:(一)f(x,y)=x3−3y2+6xy−x−9y+10⇒∇f=(fx,fy)=(3x2+6y−1,−6y+6x−9)⇒∇f(1,−1)=(3−6−1,6+6−9)=(−4,3)⇒最大方向導數=||∇f(1,−1)||=√(−4)2+32=5(二)f(x,y)=x2+y2+2x−2y+12=(x+1)2+(y−1)2+10≥10當x=−1及y=1時(符合x2+y2=2≤4),f(x,y)有最小值10當x2+y2=4時⇒f(x,y)=2x−2y+16,利用 Lagrange 算子求極值{f=2x−2y+16g=x2+y2−4⇒{fx=λgxfy=λgyg=0⇒{2=2xλ−2=2yλ⇒−1=xy⇒x=−y⇒g(x,−x)=0⇒x2=2⇒x=±√2⇒f(√2,−√2)=16+4√2為最大值因此最大值=16+4√2,最小值=10解答:(一)A=[1221]⇒det(A−λI)=0⇒(λ+1)(λ−3)=0⇒λ1=−1,λ2=3λ1=−1⇒(A−λ1I)x=0⇒x1+x1=0,取v1=[−11]λ2=3⇒(A−λ2I)x=0⇒x1=x2,最v2=[11]⇒P=[v1v2]=[−1111](二)→x′(t)=A→x(t)⇒→x(t)=c1eλ1tv1+c2eλ2tv2=c1e−t[−11]+c2e3t[11]初始值→x(0)=[11]=c1[−11]+c2[11]⇒{−c1+c2=1c1+c2=1⇒{c1=0c2=1⇒→x(t)=e3t[11]
解答:(一)f(x)=x2⇒f(x)為偶函數⇒bn=0,∀na0=12π∫π−πf(x)dx=12π[13x3]|π−π=π23an=1π∫π−πf(x)cos(nx)dx=1π[1n3((n2x2−2)sin(nx)+2nxcos(nx))]|π−π=4n2(−1)n⇒f(x)=π23+∞∑n=14n2(−1)ncos(nx)(二)假設u(x,t)=X(x+π)T(t),則ux(−π,t)=ux(π,t)=0⇒X′(0)T(t)=X′(2π)T(t)=0⇒X′(0)=X′(2π)=0又ut(x,t)=uxx(x,t)⇒X(x+π)T′(t)=X″(x+π)T(t)⇒T′(t)T(t)=X″(x+π)X(x+π)=k為常數若k>0⇒x″(x+π)−kX(x+π)=0⇒X(x+π)=c1e√k(x+π)+c2e−√k(x+π)⇒X′(x+π)=c1√ke√k(x+π)−c2√ke−√k(x+π)⇒初始值{X′(0)=c1√k=0⋯(1)X′(2π)=c1√ke2√kπ=c2√ke−2√kπ⋯(2),由(1)得c1=0代入(2)⇒c2=0⇒X(x+π)=0⇒u(x,t)=0為明顯解,不討論若k=0⇒X″(x+π)=0⇒X(x+π)=c1x+c2⇒X′(x+π)=c1⇒初始值X′(0)=X′(2π)=0⇒c1=0⇒X(x+π)=c2同時T′=0⇒T=c3⇒u(x,t)=c2c3⇒u(x,t)=c為一常數 若k=−ρ2<0⇒X″(x+π)+ρ2X(x+π)=0⇒X(x+π)=Acos(ρ(x+π))+Bsin(ρ(x+π))⇒X′(x+π)=−Aρsin(ρ(x+π))+Bρcos(ρ(x+π))⇒初始值{X′(0)=Bρ=0⋯(3)X′(2π)=−Aρsin2ρπ+Bρcos(2ρπ)=0⋯(4),由(3)得B=0代入(4)⇒{A=B=0⇒u(x,t)=0明顯解sin2ρπ=0⇒ρ=n/2,n∈N⇒Xn(x+π)=cos(n(x+π)/2),n∈N同時T′+ρ2T=0⇒T=c4e−ρ2t⇒un(x,t)=c4e−n2t/4cos(n2(x+π)),n∈N綜合以上討論,u(x,t)=a0+∞∑n=1ane−n2t/4cos(n(x+π)/2)⇒u(x,0)=x2=a0+∞∑n=1ancos(n(x+π)/2),其中a0=12π∫π−πx2dx=π2/3,an=1π∫π−πx2cos(n(x+π)/2)dx=8πn(1+(−1)n)=16πn,n為偶數⇒u(x,t)=π23+∞∑k=18πke−k2tcos(k(x+π))
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解題僅供參考,其他歷年試題及詳解
感謝解答!
回覆刪除請問最後一題偏微分方程的解答您有想法嗎?
是否可能為題目的邊界條件給定的有問題呢?
一般教科書上的偏微分方程式例題的邊界都是x=0與x=L
該題則改為x= -π 與 x= π
如您所解的最後根本無法解答,又或是要用數值解才可能有解答
我個人給一個意見,是否可能使用平移的方式將邊界從-π到π平移到0到2π呢?
以上個人建議供參!
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