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2020年2月18日 星期二

國立臺灣大學九十八學年度研究所碩士班入學考試試題:微積分乙(不含線性代數)

  1. (10%) Show that ther series n=012n+1 diverges.
  2. 訣竅利用極限比較審斂法即可判斷。
    解法an=12n+1bn=1n,容易知道 limnanbn=12,故兩級數 n=1ann=1bn 有相同的歛散性。而後者為調和級數(p 級數在 p=1 的情形)故發散,因此題目給定的級數也為發散級數。

  3. (10%) The population of a town is increasing at the rate of 400te0.02t people per year, where t is the number of years from now. Find the total gain in population during the next 5 years.
  4. 訣竅依照題意表達出給定的量,由此可看出使用微積分基本定理表達淨人口成長。
    解法P(t) 表在時刻 t 的人口數,那麼按照題意有 P(t)=400te0.02t,故由微積分基本定理以及分部積分法計算五年後的人口淨成長為

    P(5)P(0)=50P(t)dt=40050te0.02tdt=2000050tde0.02t=20000(te0.02t|5050e0.02tdt)=20000(5e0.150e0.02t|50)=105(e0.110e0.1+10)=105(109e0.1)


  5. (10%) Find the solution of y+(cosx)y=cosx, y(0)=2.
  6. 訣竅運用積分因子法求解微分方程。
    解法給定方程的積分因子為 ecosxdx=esinx,故兩邊同乘以 esinx 可得

    ddx(y(x)esinx)=esinxdydx(x)+esinx(cosx)y(x)=esinxcosx

    故在區間 [0,x] 上取定積分可得

    esinxy(x)y(0)=esinx1

    y(0)=2 可解得 y(x)=1+esinx

  7. (20%) Suppose x1 and x2 are bivariate normally distributed and the definitions of corresponding probability density functions are as follows.

    f(x1)=12πσ21e(x1μ1)22σ21f(x2)=12πσ22e(x2μ2)22σ22f(x1,x2)=12πσ21σ22(1ρ2)e12(1ρ2)((x1μ1)2σ212ρ(x1μ1)(x2μ2)σ1σ2+(x2μ2)2σ22)

    1. (5%) Calculate ecx1f(x1)dx1.
    2. (5%) According to the definition of the conditional probability density function,

      f(x2x1)=f(x1,x2)f(x1),

      show that

      f(x2x1)=12πσ22(1ρ2)e(x2(μ2+ρσ2σ1(x1μ1)))22σ22(1ρ2)

    3. (10%) Calculate ex1ecx2f(x1,x2)dx1dx2.
  8. 訣竅第一小題將被積分函數重新配方後運用變數代換法求解;第二小題可直接利用定義計算;第三小題則將前兩小題的結果組合使用即可。
    解法
    1. 按照題目給定的函數整理並配方計算如下

      ecx1f(x1)dx1=12πσ21exp[(x1μ1)22σ21+cx1]dx1=12πσ21exp[12σ21(x1μ1σ21c)2+2μ1c+σ21c22]dx1=exp(2μ1c+σ21c2)2πσ21exp[12σ21(x1μ1σ21c)2]dx1=exp(2μ1c+σ21c2)2πσ212σ1π=exp(2μ1c+σ21c2)

    2. 按照定義可知

      f(x2x1)=f(x1,x2)f(x1)=2πσ212πσ21σ22(1ρ2)exp{12(1ρ2)[(x1μ1)2σ212ρ(x1μ1)(x2μ2)σ1σ2+(x2μ2)2σ22]+(x1μ1)22σ21}=12πσ22(1ρ2)exp{12σ22(1ρ2)[(x2μ2)22ρσ2σ1(x1μ1)(x2μ2)]ρ2(x1μ1)22σ21(1ρ2)}=12πσ22(1ρ2)exp[12σ22(1ρ2)[(x2μ2)ρσ2σ1(x1μ1)]2]=12πσ22(1ρ2)exp[[x2(μ2+ρσ2σ1(x1μ1))]22σ22(1ρ2)]

      計算完畢。
    3. 利用第二題的結果並交換積分次序,所求可以改寫如下

      ex1ecx2f(x1,x2)dx1dx2=[ex1f(x1)ecx2f(x2x1)dx2]dx1

      接著運用第一小題的結論可知

      ecx2f(x2x1)dx2=exp[2c(μ2+ρσ2σ1(x1μ1))+σ22(1ρ2)c2]

      如此所求為

      ex1ecx2f(x1,x2)dx1dx2=exp(σ22(1ρ2)c2+2cμ22cρσ2σ1μ1)e(cρσ2σ1+1)x1f(x1)dx1=exp(σ22(1ρ2)c2+2cμ22cρσ2σ1μ1+2μ1(cρσ2σ1+1)+σ21(cρσ2σ1+1)2)=exp(c2σ22+2cμ2+2μ1+2cρσ1σ2+σ21)


  9. (10%) If f is differentiable at some number z, show that, for any positive numbers a and b with a<b,

    f(z)=limh0a2f(z+bh)b2f(z+ah)+(b2a2)f(z)(a2bb2a)h.

  10. 訣竅運用導數的定義去改寫即可。
    解法首先由導數的定義注意到

    limh0a2f(z+bh)a2f(z)bh=a2f(z),limh0b2f(z+ah)b2f(z)ah=b2f(z)

    將兩式分別乘以 ba 後相減有

    limh0a2f(z+bh)b2f(z+ah)+(b2a2)f(z)h=(a2bb2a)f(z)

    同除以 a2bb2a 便完成證明。

  11. (10%) Compute the line integral:

    C(x3+x2+x+1)x4dx

    where C is the lower quarter-circle centered at 0 joining 1i2 and 1i2 in the positive (counterclockwise) sense.
  12. 訣竅將其參數化後代入求解。
    解法x=cosθy=sinθ,其參數範圍為 θ[5π4,7π4],故所求的線積分可表達並計算如下

    Cx3+x2+x+1x4dx=7π45π4(sin3θ+sin2θ+sinθ+1sin4θ)cosθdθ=(ln|sinθ|1sinθ12sin2θ13sin3θ)|7π45π4=0


  13. (10%)
    1. (5%) Evaluate the following integral:

      21z+2z(x+2z2)dxdz

    2. (5%) Switch the order of x and z in the above integrals, i.e., rewrite the above integral into a summation of terms of the form (You don't have to evaluate the integral).

      ????(x+2z2)dzdx

  14. 訣竅第一小題可直接計算迭代積分即可;第二小題則按其題意改寫積分範圍後交換積分次序。
    解法
    1. 直接計算定積分可知

      21z+2z(x+2z2)dxdz=21(x22+2xz2)|x=z+2x=zdz=21((z+2)22+2(z+2)z2(z)222(z)z2)dz=21(4z3+4z2+2z+2)dz=(z4+4z33+z2+2z)|21=36

    2. 原積分範圍為 {zxz+21z2,由第一式可知 x2zxz。為了比較 x2x 的大小,我們可區分範圍 x[2,1] 時有 xx2,從而 xz2;而當 x[1,4] 時有 x2x,從而 x2z2,故所求為

      21z+2z(x+2z2)dxdz=122x(x+2z2)dzdx+412x2(x+2z2)dzdx


  15. (20%) Find the limit:
    1. (10%)

      limh03h3+8h27h+114h3h2+5

    2. (10%)

      limz0z2+2cosz2z4

  16. 訣竅第一小題可以注意到在 h=0 處連續故直接代入即可;第二小題可應用羅必達法則或餘弦函數的泰勒展開式求解。
    解法
    1. 運用極限的四則運算定理可知

      limh03h3+8h27h+114h3h2+5=limh0(3h3+8h27h+11)limh0(4h3h2+5)=115

    2. 【方法一】 運用羅必達法則可知

      limz0z2+2cosz2z4=limz02z2sinz4z3=limz01cosz6z2=limz0sinz12z=112

      【方法二】 運用餘弦函數的泰勒展開式可知

      limz0z2+2cosz2z4=limz0z2+2(1z22+z424)2z4=limz0z412z4=112

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