2022北航具体数学期末试题
1
题目(8分):
Solve\ the\ equation\ with\ respect\ to\ x\ given\ that\ x >0:
解答:
注意到x^\underline{m} = x\cdot(x-1)\cdot\cdot\cdot(x-m+1),x^\underline{-m}=\frac{1}{(x+1)(x+2)\cdot\cdot\cdot(x+m)},m\geq0.
题目等价于2032^\underline{10} = (x+10)(x+9)\cdot\cdot\cdot(x+1) = (x+10)^\underline{10},
记f(x) = (x+10)^\underline{10},对于x\geq0,f'(x) > 0,故f(x)在(0,+\infty)上递增,故该方程要有解则只有唯一解,显然唯一解为:x=2022.
2
题目(12分):
Donote\ H_n\ the\ n^{th}\ harmonic\ number.Please:
(1)Prove\ that\ for\ n > 1,we\ have\ ln(n) < H_n < ln(n) + 1(4分)
(2)for\ a\ given\ n > 0,find\ the\ closed\ form\ of\ \sum\limits_{0 \leq k < n}H_{2k+1}(8分)
解答
(1)一方面,考虑如下的积分,有ln(n) = \int_1^n\frac{1}{x}dx < \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k} = H_n.
另一方面,考虑如下的积分,显然有H_n = \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k} < 1 + \int_1^n\frac{1}{x}dx = ln(n) + 1.
综上,ln(n) < H_n < ln(n) + 1.
(2)可以利用分布和分的方式计算,分布和分的公式如下:
注意和分布积分的联系与区别:
同时注意在有限和分中\sum_0^n f(k) \delta k = \sum\limits_{0 \leq k < n}f(k)
本题中令u(k) = H_{2k+1},\Delta u(k) = u(k+1)-u(k) = \frac{1}{2k+2} + \frac{1}{2k+3},\Delta v(k) = 1,v(k) = k,
故有:
主要求解\sum\limits_{0 \leq k < n}\frac{4k+5}{2k+3} \delta k,有:
综上:
类似的可以计算\sum\limits_{0 \leq k < n}k\cdot H_{k},\sum\limits_{0 \leq k < n}k^2\cdot H_{k},\sum\limits_{0 \leq k < n}\frac{H_{k}}{k(k+1)}等的封闭形式,参考思路为分布和分,取u(k) = H_k即可.
3
题目(18分):
Calculate\ f(20221201)\ for\ f(n)=\sum_{k=1}^n\lceil log_3k\rceil.
解答:
这是一道取整函数求和的题目,我们可以按照以下思路进行求解:
设m = \lceil log_3n \rceil,为了计算方便,我们对原和式增加3^m - n项,这3^m - n项对应的分量都是m.有:
而计算\sum\limits_{j=1}^mj\cdot3^{j-1}只需要利用高中的错位相减法即可,不再赘述,其封闭形式为\frac{2m-1}{4}3^m + \frac{1}{4}.
故:
带入n = 20221201,m=16,f(n)=302015856.
4
题目(20分):
Suppose\ there\ are\ three\ random\ variable\ X, Y\ and\ W,\ and\ their\ probabilistic\ generating\ functions\ are\ F(z), G(z)\ and\ H(z)\ respectively. \Given\ that\ H(z) = F(z)\cdot G(z), prove\ that
(1)E(W) = E(X) + E(Y)(10分)
(2)V(W) = V(X) + V(Y)(10分)
解答:
对于随机变量X的概率生成函数G_X(z) = \sum\limits_{k\geq 0}Pr(X = k)z^k,我们有:
有了这2个公式,证明就轻而易举了。
(1).F(1) = G(1) = H(1) = \sum\limits_{k\geq 0}Pr(k) = 1
根据乘法求导规则,H'(z) = F'(z)G(z) + F(z)G'(z),而E(W) = H'(z)|_{z=1} = (F'(z)G(z) + F(z)G'(z))|_{z=1},故E(W) = F'(1)\cdot 1 + 1\cdot G'(1) = E(X) + E(Y).
(2).类似的,H''(z) = F''(z)G(z) + 2F'(z)G'(z) + F(z)G''(z)
而E(W^2) = \sum\limits_{k\geq 0}Pr(W=k)k^2 = \sum\limits_{k\geq 0}Pr(W=k)[k(k-1)z^{k-2} + kz{k-1}]|_{z=1} = H''(1) + H'(1).
因此:
5
题目(18分):
解答:
先令K=10000,这样固定了上界,更好计算(方便理解):
现在我们对K进行推广,设上界为N,令K = \lfloor\sqrt[4]{N}\rfloor,有:
右半部分和为\lfloor\frac{N}{K}\rfloor - \lceil K^3\rceil + 1 = \lfloor\frac{N}{K}\rfloor - K^3 + 1.
综上:
带入N = 20221124,w = 406725.
6
题目(16分):
(1) Calculate\ the\ winning\ probabilities\ of\ two\ ending\ patterns\, THTHT\ and\ TTHTT.(8分)\
(2)Calculate\ the\ expected\ amount\ of\ flips\ and\ its\ standard\ deviation\ when\ flipping\ fair\ coins\ and\ ending\ immediately\ after\ HTTH\ appears.(8分)
$$
解答:
(1)设N为没有包含模式THTHT和TTHTT的任意模式,S_A为A胜利的模式,S_B为B胜利的模式,有:
而定义A:B = \sum\limits_{k=1}^{min(l,m)}2^{k-1}[A^{(k)} = B_{(k)}],l = |A|,m=|B|.
综上有:
当A= THTHT,B=TTHTT时,带入计算有B:B = 19,B:A = 1,A:A = 21,A:B = 1,故\frac{S_A}{S_B} = \frac{9}{10}.
(2)根据对应模式期望、方差公式:
在此题中,A = HTTH,l = 4,故E(X) = p^{-1} + p^{-2}q^{-2} = 18.(fair\ coin\ that\ p = q = \frac{1}{2})
V(X) = (p^{-1} + p^{-2}q^{-2})^2 - [(2*1 - 1)p^{-1} + (2*4 - 1)p^{-2}q^{-2}] = 210.
7
题目(8分):
解答:
考虑P_n和P_{n-1}的递推关系,将前n-1个平面投影到第n个平面上,那么第n个平面被划分为L_{n-1}个区域,所以
所以很容易将此推广到高维空间。
对于k维空间,被n个k-1维超平面最多的划分数量为P_n^{k},那么
特别的
下面证明
利用数学归纳法证明该结论。
k=1时,即为线段情形,显然有
n=0时,
假设结论对于n'\le n-1, k' \le k-1时结论成立,那么
所以结论对n'=n,k'=k也成立,从而结论得证。这里利用了如下恒等式:
对于n = 3时,有P_3^k = P_3^{k-1} + P_2^{k-1} = P_3^{k-1} + \frac{(n-1)n}{2} + 1
根据累加法,求出和为:
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