Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/jax.js

2017年5月13日 星期六

國立臺灣大學一百零五學年度轉學生入學考試試題詳解

※注意:請於試卷上「非選擇題作答區」標明題號並依序作答。

Correctly number each of your answer
to indicate which question is answered.

  1. Work need not be shown.
  2. Only answers will be graded.
  3. 5 points each and 100 points total.
  1. Find the interval on which y=x33x2+2x+1 is both decreasing and concave downward. Answer.  (1)  .
  2. 訣竅函數遞減表明 y<0;而凹口向下表明 y<0
    解法為了找出所求的區間,我們解下列的聯立不等式

    {y=3x26x+2<0y=6x6<0

    因此可得

    {113<x<1+13x<1

    113<x<1


  3. Find dydx=  (2)   and d2ydx2=  (3)   at the point x=1, y=1 of the curve x3+xy2y4=0.
  4. 訣竅利用隱函數微分即可。
    解法隱函數微分一次可得 3x2+y+xy8y3y=0,取 (x,y)=(1,1) 代入後可得

    3+1+dydx|(x,y)=(1,1)8dydx|(x,y)=(1,1)=0

    整理即有 dydx|(x,y)=(1,1)=47。接著對已經隱函數微分一次後的方程再微分一次可得

    6x+2y+(x8y3)y24y2y2=0

    x=1y=1dydx|(x,y)=(1,1)=47 代入可得

    6+247+(18)d2ydx2|(x,y)=(1,1)2412(47)2=0

    整理求得 d2ydx2|(x,y)=(1,1)=34343

  5. Evaluate 323+2xx2dx. Answer:  (4)  .
  6. 訣竅配方法後三角代換。
    解法因為 3+2xx2=4(x1)2,令 x=1+2sinθ,則
    1. x=2 時則有 θ=π6
    2. x=3 時則有 θ=π2
    3. 求導有 dx=2cosθdθ
    由以上所知代入後計算如下:

    323+2xx2dx=π2π62cosθ2cosθdθ=2π2π6(1+cos2θ)dθ=(2θ+sin2θ)|π2π6=2π332.


  7. Find the volume of the solid generated by revolving the following region about the y-axis: {(x,y):0xπ and 0ysinx}. Answer:  (5)  .
  8. 訣竅根據旋轉體體積公式即可。
    解法利用旋轉體體積公式可得

    V=π02πxf(x)dx=2ππ0xsinxdx=(2πxcosx)|π0+2ππ0cosxdx=2π2+(2πsinx)|π0=2π2.


  9. Find the arc length of the curve y=x0sintdt from x=0 to x=π/3. Answer:  (6)  .
  10. 訣竅利用曲線弧長的公式即可。
    解法運用弧長的計算公式列式並計算如下:

    s=π301+f2(x)dx=π301+sinxdx=π30(sinx2+cosx2)dx=2cosx2+2sinx2|π30=33.


  11. Find the solution of the differential equation y=(1+2x)(1+y2) with the initial condition y(0)=1. Answer:  (7)  .
  12. 訣竅利用分離變數法即可。
    解法移項整理有

    dy1+y2=(1+2x)dx

    同取範圍為 [0,x] 的定積分可得

    arctany(x)arctany(0)=x+x2

    運用初始條件並整理之可得

    y(x)=tan(x2+x+π4)


  13. Find the solution of the differential equation y+ytanx=secx with the initial condition y(0)=2. Answer:  (8)  .
  14. 訣竅利用積分因子即可。
    解法對該微分方程同乘以 secx 如此可得

    (ysecx)=ysecx+ysecxtanx=sec2x

    同取範圍為 [0,x] 的定積分,於是有

    y(x)secxy(0)sec(0)=tanx

    使用初始條件並整理之,可解得

    y(x)=(2+tanx)cosx


  15. Find the first three nonzero terms of the McLaurin series of tanx. Answer:  (9)  .
  16. 訣竅直接計算 Taylor 展開式即可。
    解法f(x)=tanx,則

    f(x)=sec2xf(x)=2sec2xtanxf(x)=2sec4+4sec2xtan2xf(4)(x)=16sec4xtanx+8sec2xtan2xf(5)(x)=16sec6x+32sec4xtan2x+16sec4xtanx+16sec2xtan3x

    如此我們有

    f(0)=0=f(4)(0) ; f(0)=1 ; f(0)=2 ; f(5)(0)=16

    因此 Taylor 展開後的前三個非零項為 x+x33+2x515

  17. Let u=u(x,y) be a function of x, y. Express ux in terms of polar coordinates r, θ together with ur and uθ. Answer:  (10)  .
  18. 訣竅用多變數微分的連鎖律。
    解法直接計算有

    ux=urrx+uθθx=cosθursinθruθ

    其中

    rx=xx2+y2=12x2+y22x=rcosθr=cosθθx=11+(yx)2yx2=rsinθr2=sinθr.


  19. Find the directional derivative of f(x,y,z)=xyz2 at the point (e,e,1) in the direction u=313i+1213j+413k. Answer:  (11)  .
  20. 訣竅方向導數可利用梯度與方向的內積求解即可。
    解法首先計算梯度為 f=(yxy1z2,xyz2lnx,2xyz),於是在 (e,e,1) 時的梯度為

    f(e,e,1)=(ee,ee,2ee)

    因此方向導數為

    Duf(e,e,1)=(ee,ee,2ee)(313,1213,413)=23ee13


  21. Find the critical points of f(x,y)=x2+y4+3xy25x which are saddle points. Answer:  (12)  .
  22. 訣竅利用一階偏導為零求出臨界點,再用二階判別式找出鞍點。
    解法

    為了找出臨界點,我們解以下的聯立方程組:

    {fx=2x+3y25=0fy=4y3+6xy=0

    由第二式可知 y=02y2+3x=0
    • y=0,則 x=52
    • 2y2+3x=0,則代回第一式可得 x=2,從而有 y=±3

    再者,我們計算二階偏導函數可得

    fxx=2 ;fxy=6y=fyx ; fyy=12y2+6x

    如此由 Hessian 行列式有

    H(x,y)=|fxxfxyfyxfyy|=|26y6y12y2+6x|=12x12y2

    因此代入座標檢查可知

    H(52,0)=30>0,因此不為鞍點;
    H(2,±3)=48<0,故皆為鞍點。


  23. Find the minimum of x2+y2+z2 for (x,y,z) on the intersection curve of the two surfaces y+2z=1 and 3x2+y2z2=1. Answer:  (13)  .
  24. 訣竅本題使用限制條件並搭配基本的不等式即可求解;亦可先化簡後再利用 Lagrange 乘子法來求解;亦可直接使用多條件的 Lagrange 乘子法直接計算。
    解法一3x2+y2z2=1 來消去 x2+y2+z2 中的 x 可得

    x2+y2+z2=1y2+z23+y2+z2=1+2y23

    接著運用 Cauchy 不等式與另一個限制條件可知

    (y2+(2z)2)(12+22)(y+2z)2=1

    這表明

    x2+y2+z2=13+23(y2+2z2)13+2313=59

    由不等式的等號成立條件容易知道 y=z,故得 y=z=13x=±33
    解法二欲求極小值的函數可先透過第一個條件改寫為 f(x,z)=x2+5z24z+1,而第二個條件則改寫為 3x2+3z24z=0,如此我們設 Lagrange 乘子函數為

    F(x,z,λ)=(x2+5z24z+1)+λ(3x2+3z24z)

    如此解下列聯立方程組:

    {Fx(x,z,λ)=2x+6xλ=0,Fz(x,z,λ)=10z4+λ(6z4)=0,Fλ(x,z,λ)=3x2+3z24z=0.

    由第一條式子可知 x=0λ=13
    • x=0,則代入第三式可得 z=0z=43
    • λ=13,則代入第二式有 z=13,因此 x=±33
    因此最小值可能發生的座標為 (0,0)(0,43)(±33,13),代入這些座標後可知

    f(0,0)=1 ; f(0,43)=419 ; f(±33,13)=59

    因此最小值為 59
    解法三設 Lagrange 乘子函數如下

    F(x,y,z,λ1,λ2)=x2+y2+z2+λ1(y+2z1)+λ2(3x2+y2z21)

    據此解下列聯立方程組:

    {Fx(x,y,z,λ1,λ2)=2x+6λ2x=0,Fy(x,y,z,λ1,λ2)=2y+λ1+2λ2y=0,Fz(x,y,z,λ1,λ2)=2z+2λ12λ2z=0,Fλ1(x,y,z,λ1,λ2)=y+2z1=0,Fλ2(x,y,z,λ1,λ2)=3x2+y2z21=0.

    由第一式可知 x=0λ2=13
    • x=0,則第五式可寫為 y2z2=1,而第四式表明 y=12z,代入則有 3z24z=0,因此 z=043,從而 y=1y=53
    • λ2=13,則第二式與第三式可分別寫為 4y+3λ1=08z+6λ1=0。將前者乘以兩倍後減去後者,即有 y=z。並由第四式可得 y=z=13,再代入最後一式則能解得 x=±33
    綜合以上討論可知最小值的可能座標為 (0,1,0)(0,53,43)(±33,13,13),代入這些座標後可得

    f(0,1,0)=1 ; f(0,53,43)=419 ; f(±33,13,13)=59

    因此最小值為 59

  25. Evaluate 301x/3ey3dydx. Answer:  (14)  .
  26. 訣竅交換積分順序計算即可
    解法原先的積分範圍為 {0x3x/3y1,可改寫為 {0x3y20y1,如此原重積分可改寫並計算如下:

    103y20ey3dxdy=10xey3|x=3y2x=0dy=103y2ey3dy=ey3|10=e1.


  27. Let R be the region in the first quadrant of the xy-plane bounded by xy=1, xy=2, y=x and y=2x. Evaluate Rexydxdy. Answer:  (15)  .
  28. 訣竅利用變數代換後改寫積分範圍。
    解法u=xyv=yx,如此有

    2121eu|(x,y)(u,v)|dvdu=2121eu12vdvdu=(21eudu)(21dv2v)=e(e1)ln22.

    其中 |(x,y)(u,v)| 計算如下:

    (x,y)(u,v)=|xuxvyuyv|=|12uvu2v3v2uu2v|=12v


  29. Evaluate Ωcosx2+y2+z2x2+y2+z2dxdydz, where Ω is given by Ω={(x,y,z):1x2+y2+z22}. Answer:  (16)  .
  30. 訣竅利用球極座標代換即可。
    解法運用球極座標代換,令 {x=ρsinϕcosθy=ρsinϕsinθz=ρcosϕ,其中範圍為 {1ρ20θ2π0ϕπ,如此原三重積分可改寫並計算如下:

    212π0π0cos(ρ)ρ2ρ2sinϕdϕdθdρ=2π(21cosρdρ)(π0sinϕdϕ)=4π(sin(2)sin(1)).


  31. Evaluate Ωzex2+y2+3z2dxdydz, where Ω is the cylinder defined by Ω={(x,y,z):x2+y21 and 0z1}. Answer:  (17)  .
  32. 訣竅利用圓柱座標代換即可。
    解法利用圓柱座標代換 {x=rcosθy=rsinθz=z,則 {0r10θ2π0z1,如此原三重積分可改寫並計算如下:

    Ωzex2+y2+z2dxdydz=102π010zer2+3z2rdrdθdz=2π(10ze3z2dz)(10rer2dr)=2πe3z26|10er22|10=π(e31)(e1)6.


  33. Let S be the surface described by z=x2+y22 with 4x2+y21 oriented with normals with positive k-components. F(x,y,z)=xiyj+k. Evaluate SFdS. Answer:  (18)  .Also, evaluate SdS. Answer:  (19)  .
  34. 訣竅運用曲面積分的定義即可。
    解法首先由 z 分量為正,求出 dS=(2x,y,1)dA,因此有

    SFdS=S(2x2+y2+1)dA

    運用橢圓座標變換,令 {x=rcosθ/2y=rsinθ,其中範圍為 {0r10θ2π,如此上式可改寫並計算如下:

    SFdS=2π010(2r2cos2θ4+r2sin2θ+1)r2drdθ=2π0r4cos2θ16+r4sin2θ8+r24|10dθ=2π0(14+sin2θ8cos2θ16)dθ=2π0(9323cos2θ32)dθ=9θ323sin2θ64|2π0=9π16.

    另一方面,我們有

    SdS=S4x2+y2+1dA=2π010r2+1r2drdθ=2π(r2+1)326|10=(221)π3.


  35. Let C be the counterclockwise oriented boundary of the region in the xy-plane enclosed by x2+y22x=0 and x2+y22y=0. Evaluate the line integral C(y+ex2)dx+(3x+sin(y2))dy. Answer:  (20)  .
  36. 訣竅利用 Green 定理改寫為重積分計算即可。
    解法Dx2+y22x0x2+y22y0 所圍成的共同區域,如下圖:
    如此利用 Green 定理可改寫並計算如下:

    D(31)dA=2DdA=2(π21)=π2

    其中 DdA 代表 D 區域的面積,可以看出此為兩個四分之一圓相加後扣去一個單位正方形的面積可得。

2 則留言:

  1. L題有解法3:
    利用題目給定之兩平面,可求出兩平面之交線參數式x=f(t),y=g(t),z=h(t),接著將其代入至x^2+y^2+z^2,可得到一串t的函數,接著微分=0可得出t值,再代回x^2+y^2+z^2即可得出最小值為5/9

    回覆刪除