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東京科学大学 院試 過去問 解答例

東京科学大 情報理工学院 数理・計算科学系 専門科目(数理・計算科学) 2023年度 院試 過去問 解答例・解説(全12問)

全12問。情報1問・線形代数1問。テーマタグは6件(固有値・固有ベクトル・群論・環論・波動関数)。2022年度と共通のテーマは固有値・固有ベクトル・群論・環論・波動関数。

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収録5年度分の解答PDF:東京科学大学 情報理工学院 数理・計算科学系 専門科目(数理・計算科学)(¥2,880・紙面見本あり)

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解説12問と大問1問の途中式・最終答(全12問)
解答PDFに収録
途中式と最終答(最終答つき12問)
問題本文
非収録

東京科学大 専門科目(数理・計算科学) 2023年度 院試 過去問の出題内容(全12問)

この12問の分野は情報1問・線形代数1問です。

大問分野主題解説の小見出し最終答
第1問線形代数冪零行列冪零性を使い切る / 固有値の見方あり
第2問—Simpson公式補助関数の狙い / 3次式で厳密な理由あり
第3問—漸近記法同時成立は不可能あり
第4問—対称群共役類はサイクル型 / 偶置換の判定あり
第5問—閉包の性質閉包は有限和と相性がよい / 開球の閉包と閉球あり
第6問—熱核熱核の微分 / 初期値への収束あり
第7問—分数ナップサック価値密度順の貪欲解 / 双対解で最適性を証明するあり
第8問—一様分布と無限積二進小区間 / 無限積への変換あり
第9問—ベータ型分布の最尤推定対数尤度 / 事象の変形あり
第10問—反転と言語複製) は正規 / ) の分解あり
第11問情報二進GCD型アルゴリズム二の因子を除く理由 / 長さの下限あり
第12問—比率付き乱数生成配列方式の本質 / 大きい共通単位をまとめるあり

2023年度の出題テーマと、同じテーマを出した他大学・他年度

この年度は6問に6テーマが出ています。

前年度(2022年度)との違い

大問数
2022年度 12問 → 2023年度 12問
2023年度で新しく出たテーマ
正規表現・形式言語・特性関数
2022年度のページを見る

第1問 — 冪零行列

冪零性を使い切る

A3=OA^3=O により、AA の3次以上の項はすべて消える。線形独立性も逆行列も、この打ち切りを使うと 低次の係数比較だけで処理できる。

固有値の見方

X=I+NX=I+N で NN が冪零なら、XX は「単位行列に冪零を足した行列」であり、固有値はすべて1になる。 固有ベクトルに (X−I)3(X-I)^3 を作用させる証明が最も短い。

解答

直接計算すると B2=(202202−20−2),B3=O B^2= \begin{pmatrix} 2&0&2\\ 2&0&2\\ -2&0&-2 \end{pmatrix},\qquad B^3=O である。

次に I,A,A2I,A,A^2 の線形独立性を示す。 αI+βA+γA2=O \alpha I+\beta A+\gamma A^2=O とする。両辺に右から A2A^2 を掛けると、A3=OA^3=O より αA2=O \alpha A^2=O である。仮定 A2≠OA^2\ne O から α=0\alpha=0。次に βA+γA2=O \beta A+\gamma A^2=O に右から AA を掛けると βA2=O \beta A^2=O となるので β=0\beta=0。最後に γA2=O\gamma A^2=O より γ=0\gamma=0 である。 したがって I,A,A2I,A,A^2 は線形独立である。

X=I+(A+2A2) X=I+(A+2A^2) とおく。N=A+2A2N=A+2A^2 と書けば、A3=OA^3=O から N3=ON^3=O である。 もし Xv=λvXv=\lambda v となる非零ベクトル vv があれば、 (X−I)3v=(λ−1)3v=0 (X-I)^3v=(\lambda-1)^3v=0 である。v≠0v\ne0 なので λ=1 \lambda=1 である。よって XX の固有値はすべて 11 である。

逆行列を X−1=I+cA+dA2 X^{-1}=I+cA+dA^2 とおくと (I+A+2A2)(I+cA+dA2)=I+(1+c)A+(2+c+d)A2 (I+A+2A^2)(I+cA+dA^2) =I+(1+c)A+(2+c+d)A^2 である。これが II になるためには 1+c=0,2+c+d=0 1+c=0,\qquad 2+c+d=0 であり、c=d=−1c=d=-1 である。したがって X−1=I−A−A2. X^{-1}=I-A-A^2.

最終答

B2=(202202−20−2),B3=O. B^2=\begin{pmatrix}2&0&2\\2&0&2\\-2&0&-2\end{pmatrix},\qquad B^3=O. I,A,A2I,A,A^2 は線形独立である。XX の固有値はすべて 11。また X−1=I−A−A2. X^{-1}=I-A-A^2.

第2問 — Simpson公式

補助関数の狙い

JJ は、積分値とSimpson近似値の差を表す関数である。 aa における0次から4次までの微分が消えるように係数 1,4,11,4,1 が選ばれている。

3次式で厳密な理由

Simpson公式は3次多項式まで完全に積分する。剰余が J(5)J^{(5)} で表され、3次式ではそれが0になるためである。

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第3問 — 漸近記法

OO と ω\omega は全てを二分しない

比 f(n)/g(n)f(n)/g(n) が振動する場合、上に有界でもなく、任意定数を最終的に超えるわけでもない。 そのため (2) のような二分法は成り立たない。

同時成立は不可能

OO は最終的な上界を与え、ω\omega は任意の定数倍を最終的に超えることを要求する。 同じ定数を使うとただちに矛盾する。

漸近記法の途中式・最終答をPDFで見る

第4問 — 対称群

共役類はサイクル型

対称群では共役類を数える問題は、整数の分割を数える問題に帰着する。 S4S_4 では 44 の分割が5個なので共役類も5個である。

偶置換の判定

ℓ\ell-サイクルの符号は (−1)ℓ−1(-1)^{\ell-1} である。 5サイクルと3サイクルは偶置換、互換は奇置換、二つの互換の積は偶置換である。

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第5問 — 閉包の性質

閉包は有限和と相性がよい

有限個の閉集合の和集合は閉なので、A∪B‾=A‾∪B‾\overline{A\cup B}=\overline A\cup\overline B が成り立つ。 無限和では閉性が壊れるため、(3) は一般には成り立たない。

開球の閉包と閉球

通常のユークリッド空間では一致することが多いが、一般の距離空間では一致しない。 離散距離はその標準的な反例である。

閉包の性質の途中式・最終答をPDFで見る

第6問 — 熱核

熱核の微分

時間微分と空間二階微分で同じ係数 −1/(2t)+x2/(4t2)-1/(2t)+x^2/(4t^2) が出る。ここを明示すれば熱方程式の核であることが分かる。

初期値への収束

熱核は t→0+t\to0+ で原点に集中する確率密度である。連続性で原点近くを押さえ、有界性で遠方のガウス尾部を押さえる。

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第7問 — 分数ナップサック

価値密度順の貪欲解

これは分数ナップサック問題である。ci/aic_i/a_i が降順に並んでいるため、容量が尽きるまで順に入れ、 最後の一つだけを分数で入れる解が最適になる。

双対解で最適性を証明する

貪欲解を主問題側で示すだけでなく、同じ値を持つ双対実行可能解を構成することで、双対定理から最適性が確認できる。

分数ナップサックの途中式・最終答をPDFで見る

第8問 — 一様分布と無限積

二進小区間

最初の nn 桁を固定することは、長さ 2−n2^{-n} の小区間を一つ選ぶことに等しい。 一様分布なので、その確率はそのまま区間の長さになる。

無限積への変換

[−1,1][-1,1] 上の一様分布を 2U−12U-1 と表し、その二進展開を独立な符号列に直すと、 特性関数が独立性により余弦の積に分解される。

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第9問 — ベータ型分布の最尤推定

対数尤度

0<Xi<10<X_i<1 なので log⁡Xi<0\log X_i<0 である。最尤推定量の式では分母が負になるため、 −n/∑log⁡Xi-n/\sum\log X_i は正である。

事象の変形

θ^≤0\widehat\theta\le0 を積 ∏Xi\prod X_i の条件に直すと、マルコフの不等式を使える。 負のべき乗を取るため、条件 s<n(θ0+1)s<n(\theta_0+1) が積分可能性に対応する。

ベータ型分布の最尤推定の途中式・最終答をPDFで見る

第10問 — 反転と言語複製

R(L1)R(L_1) は正規

01n01^n を反転して結合すると、中央の 11 の個数が必ず偶数になる。 偶奇だけを覚えればよいのでDFAで認識できる。

W(L2)W(L_2) の分解

0m10n0^m10^n を二回並べると 0m10m+n10n0^m10^{m+n}10^n になる。 これは 0m10m0^m10^m と 0n10n0^n10^n の連接として文法化できる。

反転と言語複製の途中式・最終答をPDFで見る

第11問 — 二進GCD型アルゴリズム

二の因子を除く理由

奇数同士の差は偶数になる。最大公約数は奇数なので、差から2の因子を取り除いても最大公約数は変わらない。 これが二進GCD法の基本である。

長さの下限

和が毎回少なくとも半分になるため、長い列を作るには初期和が大きくなければならない。 長さ9では最終直前の和が少なくとも2なので、初期和は少なくとも256である。

二進GCD型アルゴリズムの途中式・最終答をPDFで見る

第12問 — 比率付き乱数生成

配列方式の本質

配列中の出現回数を重みに一致させれば、一様な添字乱数を使って任意の整数比率を実現できる。

大きい共通単位をまとめる

Nqi+riNq_i+r_i と分けると、qiq_i の配列の各要素に重み NN を持たせられる。 これにより、元の重みの総和に比例する巨大な配列を作らずに済む。

比率付き乱数生成の途中式・最終答をPDFで見る

東京科学大 専門科目(数理・計算科学) 院試 過去問の収録5年度