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高考申論題 107年 [氣象] 應用數學(包括微積分、微分方程與向量分析)

第 一 題

📖 題組:
一、已知矩陣方程組 { X1 + 2x2-3x3 = -1 X1 + x2 + 2x3 =1 X1-X2+4x3 =1 求其解。
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

將方程組寫成矩陣形式 AX=b。(3分)

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看到這類基本題,首先應辨識出各方程式中對應變數的係數,並依序排列構成係數矩陣 $A$。接著將未知數與等號右側常數分別寫成行向量 $X$ 與 $b$,即可精確寫出 $AX=b$ 的標準形式。

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【解題關鍵】提取方程組中各變數的係數構成矩陣 $A$,未知數與常數項分別構成行向量 $X$ 與 $b$。 【解答】 已知線性方程組為:

小題 (二)

求矩陣的特徵值和所對應的特徵向量。(12分)

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看到此題,首先以高斯消去法對增廣矩陣進行列運算以求出線性方程組的解;接著提取其係數矩陣,透過求解特徵方程式 det(A-λI)=0 找出特徵值 λ,最後將特徵值代回 (A-λI)x=0 求出對應的特徵向量,同時須注意代數重數與幾何重數的關係。

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【解題思路】利用高斯消去法對增廣矩陣進行列運算以求出方程組的解,並透過特徵方程式 $\det(A-\lambda I)=0$ 找出特徵值,進而求出對應的特徵向量。 【詳解】 一、求解矩陣方程組

小題 (三)

求矩陣A的反矩陣,並且用此反矩陣求此方程組的解。(5分)

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本題要求使用反矩陣來求解線性方程組。解題SOP為:先將方程組轉換為 $AX=B$ 的矩陣形式,接著計算係數矩陣 $A$ 的行列式 $\det(A)$ 確認其可逆性。隨後透過計算各元素的餘因子求出伴隨矩陣 $\text{adj}(A)$,進而得到反矩陣 $A^{-1}$。最後,利用矩陣乘法 $X=A^{-1}B$ 即可求得變數的唯一解。

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【解題思路】利用矩陣表示法將方程組寫為 $AX=B$,透過計算行列式與伴隨矩陣求出係數矩陣 $A$ 的反矩陣 $A^{-1}$,再由 $X=A^{-1}B$ 求解。 【詳解】 已知方程組可寫成矩陣形式 $AX = B$:

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