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:

203210x10=1.

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},

f(x) = (x+10)^\underline{10},对于x\geq0,f'(x) > 0,故f(x)(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.

截屏2023-01-06 22.56.02

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.

截屏2023-01-06 22.59.51

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:

0nu(k)Δv(k)δk=u(k)v(k)|0n0nv(k+1)Δu(k)δk.

注意和分布积分的联系与区别:

abf(x)g(x)dx=f(x)g(x)|ababf(x)g(x)dx.

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:

0k<nH2k+1=kH2k+1|0n0k<n(k+1)(12k+2+12k+3)δk=nH2n+1120k<n4k+52k+3δk

主要求解\sum\limits_{0 \leq k < n}\frac{4k+5}{2k+3} \delta k,有:

0k<n4k+52k+3δk=0k<n(212k+3)δk=2n0k<n12k+3δk=2n0k<n[(12k+2+12k+312k+2)]δk=2n0k<n(12k+2+12k+3)δk+120k<n1k+1δk=2n1k<2n+11k+1δk+120k<n1k+1δk=2n(H2n+11)+12Hn

综上:

0k<nH2k+1=(n+12)H2n+114Hnn12.

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:

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对应的分量都是m.有:

f(3m)=f(n)+(3mn)m=k=13mlog3k=j,kj[j=log3k][1k3m]j=log3k,j1<log3kj,3j1<k3j=j,kj[3j1<k3j][1jm]=j=1mj(3j3j1)=2j=1mj3j1

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:

f(n)=2j=1mj3j1(3mn)m=nm123m+12,m=log3n

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:

E(X)=GX(z)V(X)=GX(z)+GX(z)GX(z)2

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)

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:

E(W2)=H(1)+H(1)=[F(z)G(z)+2F(z)G(z)+F(z)G(z)+F(z)G(z)+F(z)G(z)]|z=1=(F(1)+F(1))+(G(1)+G(1))+2F(1)G(1)=E(X2)+E(Y2)+2E(X)E(Y)V(W)=E(W2)E2(W)=E(X2)+E(Y2)+2E(X)E(Y)(E(X)+E(Y))2=(E(X2)E2(X))+(E(Y2)E2(Y))=V(x)+V(Y)

 

5

题目(18分):

We call an integer k winner numberif and only if k is divisible by the floor of its fourth root,that is,if k4|k.Find out how many winner numbers there are from 1 to 20221124.

解答:

先令K=10000,这样固定了上界,更好计算(方便理解):

1k10000[k4|k]=k,n[k=k4][k|n][1n10000]=k,m,n[k4n(k+1)4][n=km][1n10000]=1[]+k,m[k4n(k+1)4][1k<10][]=1+1k<10((k+1)4kk3)=1+1k<10(4k2+6k+5)

现在我们对K进行推广,设上界为N,令K = \lfloor\sqrt[4]{N}\rfloor,有:

W=1k<K(4k2+6k+5)+m[K4KmN]=4(K1)K(2K1)6+12(11+6K1)(K1)+m[m[K3,NK]]

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:

1kN[k4|k]=23(K1)K(2K1)+12(K1)(6K+10)+NKK3+1,K=n4.

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THTHTTTHTT的任意模式,S_AA胜利的模式,S_BB胜利的模式,有:

1+N(T+H)=SA+SBN=SAk=152k[A(k)=A(k)]+SBk=152k[B(k)=A(k)]N=SAk=152k[A(k)=B(k)]+SBk=152k[B(k)=B(k)]

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:

SASB=B:BB:AA:AA:B

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:

E(X)=k=1lA(k)~[A(k)=A(k)],A(k)~Ap1Hq1T,l=|A|.V(X)=(k=1lA(k)~[A(k)=A(k)])2k=1l(2k1)A(k)~[A(k)=A(k)]

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):

How many isolate 3D parts we will get at most by separating a cubein the 3D Euclidean space with arbitrary n 2D planes?

解答:

考虑P_nP_{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

Pn=Pn1+Ln1

所以很容易将此推广到高维空间。

对于k维空间,被nk-1维超平面最多的划分数量为P_n^{k},那么

Pnk=Pn1k+Pn1k1

特别的

Pn1=1+n

下面证明

Pnk=i=0k(ni)

利用数学归纳法证明该结论。

k=1时,即为线段情形,显然有

Pnk=i=0k(ni)=n+1

n=0时,

Pnk=i=0k(0i)=1

假设结论对于n'\le n-1, k' \le k-1时结论成立,那么

PnkPn1k=Pn1k1Pn1kPn2k=Pn2k1P1kP0k=P0k1Pnk1=i=0n1Pik1Pnk=1+i=0n1Pik1=1+i=0n1j=0k1(ij)=1+j=0k1i=jn1(ij)=1+j=0k1(nj+1)=1+j=1k(nj)=j=0k(nj)

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:

j=in(ji)=(n+1i+1)

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:

P3n=1+112n(n+1)(2n+1)n(n+1)4+n




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