御藍教育/段考卷/高三

段考詳解範圍:數列與函數的極限(卷頭印:第一章數列與函數的極限);內容含數列的極限、無窮級數、函數、函數的極限與連續

建國中學 111 上
高三第一次段考
數學試題、答案與詳解

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01 · 試題

原卷 15 題,照原卷順序

多選題 2 題(每題 8 分,占 16 分;每題 5 個選項,各選項獨立判定,全對得 8 分,答錯 1 個選項得 6 分,答錯 2 個選項得 4 分,答錯 3 個選項得 2 分,答錯 4 個以上選項或所有選項均未作答得零分)、填充題 12 題(每題 6 分,占 72 分;完全答對才給分,答錯不倒扣)、計算題 1 大題(12 分,兩小題各 6 分);滿分 100 分。原卷三個大題各自從 1 編號,本頁依序連續編為第 1~15 題:填充題 1~12 是本頁第 3~14 題,計算題 1 是本頁第 15 題。本卷沒有學校公布的答案,本頁答案為本站依題目計算。

一、多選題(每題 8 分,占 16 分)
1
設 ⟨an​⟩,⟨bn​⟩,⟨cn​⟩ 為三個實數數列,試問下列哪些選項是正確的?
  1. (1) 若 ⟨an​⟩ 發散,則 ⟨an2​⟩ 也發散
  2. (2) 若對於任何正整數 n 皆有 an​≤bn​≤cn​,而 n→∞lim​an​=n→∞lim​cn​=1,則 n→∞lim​bn​=1
  3. (3) 若級數 S=a1​+a2​+a3​+⋯=k=1∑∞​ak​ 收斂,則 n→∞lim​an​=0
  4. (4) 若 S=a1​+a2​+⋯=k=1∑∞​ak​ 為收斂的無窮等比級數,則 T=a2​+a4​+⋯=k=1∑∞​a2k​ 也收斂
  5. (5) 若 an​<1 且 L=n→∞lim​an​ 存在,則 L<1
2
已知 f(x)、g(x) 為定義在實數上的實係數多項式函數,則下列哪些選項正確?
  1. (1) 若 x→1lim​x3−1f(x)​ 存在,則 x3−1 為 f(x) 的因式
  2. (2) 若 x→1−lim​f(x)=3,則 x→1+lim​f(x)=3
  3. (3) 若 f(x)、g(x) 皆在 x=0 連續且定義 h(x)=f(x)+g(x),則 h(x) 在 x=0 連續
  4. (4) 若 f(x)、g(x) 皆在 x=0 連續且定義 h(x)=(f∘g)(x),則 h(x) 在 x=0 連續
  5. (5) 設 f(x)=x3,g(x)=x2+2,則 (f⋅g)(x) 為 6 次多項式函數
二、填充題(每題 6 分,占 72 分)
3
已知數列 ⟨an​⟩ 收斂,且 n→∞lim​an​−35an​+2​=6,試求 n→∞lim​an​= ____。
4
求 n→∞lim​n+2​−n​n+7​−n+4​​= ____。
5
設 (x+1)(x+2)⋯(x+n)=an​xn+an−1​xn−1+an−2​xn−2+⋯+a1​x+a0​,其中 n 是正整數,則 n→∞lim​3n2⋅an−1​an−2​​= ____。
6
求 11​+1+(1+2)1​+1+(1+2)+(1+2+3)1​+⋯+1+(1+2)+(1+2+3)+⋯+(1+2+⋯+n)1​+⋯= ____。
7
一皮球自離地面 20 公尺處落下,每次反彈高度為落下高度的 53​,則此皮球到靜止時所經過的路程為 ____ 公尺。
8
無窮級數 22​+227​+2312​+⋯+2n5n−3​+⋯= ____。
9
x 是實數,函數 f(x)=x2+3x+32x2+3x+8​ 的值域為 ____。(以集合表示)
10
設 a 為實數,f(x)=x+1,g(x)=ax−1,若 (g∘f)(x)=(f∘g)(x),則 a 的值為 ____。
11
求 x→−2lim​x+2(x+1)100−1​= ____。
12
設 a,b∈R,若 f(x)=⎩⎨⎧​x−3,x−2x2+ax+b​,​x≤2x>2​,且 x→2lim​f(x) 存在,則數對 (a,b)= ____。
13
已知 x→0lim​xsinx​=1,則 x→0lim​1−cosxxsinx​= ____。
14
設 f(x) 為三次多項式,若 x→1lim​x2+3x−4f(x)​=−1 且 x→2lim​x2−4f(x)​=2,則 x→3lim​f(x)= ____。
三、計算題(每題 12 分,占 12 分)
15
等差數列 ⟨an​⟩,⟨bn​⟩ 其公差分別為 d1​,d2​,且 d1​d2​=0。已知 n→∞lim​bn​an​​=3,試回答下列問題:(1) 求 d2​d1​​ 之值。(6 分) (2) 求 n→∞lim​nb2n​a1​+a2​+⋯+an​​ 之值。(6 分)
02 · 答案

答案一覽,先對再看詳解

第 1 題(2)(3)(4)
第 2 題(2)(3)(4)
第 3 題20
第 4 題23​
第 5 題121​
第 6 題23​
第 7 題80
第 8 題7
第 9 題{y ​ 35​≤y≤11}
第 10 題1
第 11 題−100
第 12 題(−5, 6)
第 13 題2
第 14 題22
第 15 題(1) 3 (2) 43​
03 · 勾錯題號

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04 · 逐題詳解

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01多選第 1 題:數列與級數收斂的基本性質

1 (1)錯誤。反例:an​=(−1)n,數列 −1,1,−1,1,… 發散;但 an2​=1 是常數數列,收斂到 1。
1 (2)正確。這就是夾擠定理:bn​ 被 an​ 與 cn​ 夾在中間,而兩邊的極限都是 1,所以 ⟨bn​⟩ 收斂且極限為 1。
1 (3)正確。設前 n 項的和為 Sn​,級數收斂表示 n→∞lim​Sn​=S。而 an​=Sn​−Sn−1​(n≥2),所以 n→∞lim​an​=S−S=0。
反過來不成立:an​→0 不能推得級數收斂。
1 (4)正確。設首項 a1​、公比 r。無窮等比級數收斂的條件是 a1​=0 或 ∣r∣<1。a1​=0 時 T 每一項都是 0,收斂。∣r∣<1 時,T=a2​+a4​+a6​+⋯ 是首項 a1​r、公比 r2 的等比級數,∣r2∣<1,所以也收斂,和為 1−r2a1​r​。
1 (5)錯誤。反例:an​=1−n1​,每一項都小於 1,但 L=1,不小於 1。
「每一項都小於 1」取極限後只能得到 L≤1,不等號要補上等號。
判斷這類敘述:對的要說得出是哪一個定理,錯的只要舉一個反例;常用的反例是 (−1)n 與 1−n1​。

02多選第 2 題:多項式函數的極限與連續

2 (1)錯誤。x→1 時分母 x3−1→0,極限存在只能推得分子也趨近 0,即 f(1)=0,f(x) 有因式 x−1。但 x3−1=(x−1)(x2+x+1),f(x) 不一定有 x2+x+1 這個因式。反例:f(x)=x−1,x→1lim​x3−1x−1​=x→1lim​x2+x+11​=31​ 存在,但 x3−1 不是 x−1 的因式。
2 (2)正確。多項式函數在每一點都連續,所以在 x=1 的左極限、右極限都等於 f(1)。左極限是 3 表示 f(1)=3,於是右極限也是 3。
2 (3)正確。x→0lim​h(x)=x→0lim​f(x)+x→0lim​g(x)=f(0)+g(0)=h(0),所以 h(x) 在 x=0 連續。(兩個多項式的和仍是多項式,也可以直接得到。)
2 (4)正確。f(x)、g(x) 都是多項式,把 g(x) 代入 f 之後 h(x)=f(g(x)) 展開仍是多項式,多項式函數在每一點都連續,所以 h(x) 在 x=0 連續。
對一般的函數,只知道 f 在 0 連續是不夠的,要 f 在 g(0) 連續才行;本題的 f 是多項式,在每一點都連續,所以沒有問題。
2 (5)錯誤。卷面印的是 (f⋅g)(x),中間是乘號,表示兩個函數相乘:(f⋅g)(x)=f(x)g(x)=x3(x2+2)=x5+2x3,是 5 次多項式函數,不是 6 次。
如果是合成 (f∘g)(x)=f(g(x))=(x2+2)3 才是 6 次。選項 (4) 用的是合成記號 ∘,選項 (5) 用的是乘號,兩個記號不同,本頁照卷面的乘號判斷。
多項式函數處處連續,所以極限就是函數值;「分母趨近 0 而極限存在」只能得到分子在那一點的值是 0。

03填充 1~3(第 3~5 題):數列的極限

第 3 題設 n→∞lim​an​=L。若 L=3,則分子趨近 17、分母趨近 0,分式不會收斂,與題意不合,所以 L=3。於是由極限的四則運算,L−35L+2​=6,5L+2=6L−18,L=20。
檢查:20−35×20+2​=17102​=6。
第 4 題分子、分母各自有理化:n+7​−n+4​=n+7​+n+4​3​,n+2​−n​=n+2​+n​2​。所以原式 =23​⋅n+7​+n+4​n+2​+n​​。後面的分式上下同除以 n​:1+n7​​+1+n4​​1+n2​​+1​→1+11+1​=1。所以極限為 23​。
第 5 題把 (x+1)(x+2)⋯(x+n) 展開:xn−1 的係數是從 n 個括號中挑一個取常數、其餘取 x,所以 an−1​=1+2+⋯+n=2n(n+1)​。xn−2 的係數是挑兩個括號取常數,所以 an−2​ 是 1,2,…,n 中任取兩個相異數相乘的總和。由 (1+2+⋯+n)2=(12+22+⋯+n2)+2an−2​,得 an−2​=21​[4n2(n+1)2​−6n(n+1)(2n+1)​]=24n(n+1)(n−1)(3n+2)​。所以 3n2⋅an−1​an−2​​=24n(n+1)(n−1)(3n+2)​⋅3n2⋅n(n+1)2​=36n2(n−1)(3n+2)​,上下同除以 n2,極限為 363​=121​。
用 n=3 檢查:(x+1)(x+2)(x+3)=x3+6x2+11x+6,a2​=6、a1​=11;公式給 23×4​=6、243×4×2×11​=11,相符。

04填充 4~6(第 6~8 題):無窮級數的和

第 6 題第 n 項的分母是 k=1∑n​(1+2+⋯+k)=k=1∑n​2k(k+1)​=21​[6n(n+1)(2n+1)​+2n(n+1)​]=6n(n+1)(n+2)​。所以第 n 項是 n(n+1)(n+2)6​=3[n(n+1)1​−(n+1)(n+2)1​]。前 n 項的和拆項相消:Sn​=3[1×21​−(n+1)(n+2)1​]。n→∞ 時 (n+1)(n+2)1​→0,所以和為 23​。
前三項的分母是 1, 4, 10,公式 6n(n+1)(n+2)​ 給 1, 4, 10,相符。
第 7 題第一次落下 20 公尺。之後每一次都是「彈上去再落下來」,高度依序是 20×53​=12、12×53​、…,每個高度走兩趟。總路程 =20+2(12+12×53​+12×(53​)2+⋯)=20+2×1−53​12​=20+2×30=80 公尺。
第一段的 20 公尺只有落下、沒有彈上,不能乘以 2。
第 8 題設前 n 項的和 Sn​=22​+227​+2312​+⋯+2n5n−3​,則 21​Sn​=222​+237​+⋯+2n5n−8​+2n+15n−3​。兩式相減:21​Sn​=22​+(225​+235​+⋯+2n5​)−2n+15n−3​。n→∞ 時,括號內趨近 1−21​45​​=25​,最後一項 2n+15n−3​→0,所以 21​S=1+25​=27​,S=7。
三種常見的無窮級數:分母是連乘的用拆項相消,來回彈跳的寫成等比級數,分子等差、分母等比的用「乘以公比後相減」。

05填充 7、8(第 9、10 題):函數的值域與合成

第 9 題分母 x2+3x+3 的判別式 9−12<0,恆為正,所以定義域是全體實數。設 y=x2+3x+32x2+3x+8​,去分母整理成 x 的方程式:(y−2)x2+(3y−3)x+(3y−8)=0。y 在值域內,就是這個方程式有實數解 x。y=2 時方程式是 3x−2=0,有解 x=32​,所以 2 在值域內。y=2 時是二次方程式,要判別式 (3y−3)2−4(y−2)(3y−8)≥0,展開得 −3y2+38y−55≥0,即 3y2−38y+55≤0,(3y−5)(y−11)≤0,35​≤y≤11。y=2 也在這個範圍內,所以值域為 {y ​ 35​≤y≤11}。
兩個端點都取得到:y=11 時 x=−35​,y=35​ 時 x=3。
第 10 題(g∘f)(x)=g(x+1)=a(x+1)−1=ax+a−1;(f∘g)(x)=f(ax−1)=(ax−1)+1=ax。兩者對所有 x 都相等,所以 a−1=0,a=1。

06填充 9~12(第 11~14 題):函數的極限

第 11 題令 t=x+1,則 x→−2 時 t→−1,原式 =t→−1lim​t+1t100−1​。把 t100−1 看成 (t2)50−1,分解成 (t2−1)(t98+t96+⋯+t2+1)=(t+1)(t−1)(t98+t96+⋯+t2+1),後面的括號共 50 項。約去 t+1 後代入 t=−1:(−1−1)×(1+1+⋯+1)=−2×50=−100。
第 12 題左極限:x→2−lim​f(x)=2−3=−1。極限存在,所以右極限 x→2+lim​x−2x2+ax+b​ 也要等於 −1。分母趨近 0 而極限存在,分子在 x=2 的值必須是 0:4+2a+b=0,b=−2a−4。這時 x2+ax−2a−4=(x−2)(x+2+a),約分後右極限 =2+2+a=4+a。令 4+a=−1,得 a=−5,b=6。
檢查:x2−5x+6=(x−2)(x−3),x>2 時 f(x)=x−3,右極限是 −1。
第 13 題分子分母同乘 1+cosx:1−cosxxsinx​=1−cos2xxsinx(1+cosx)​=sin2xxsinx(1+cosx)​=sinxx​⋅(1+cosx)。已知 x→0lim​xsinx​=1,所以 sinxx​→1;又 1+cosx→2。極限為 1×2=2。
第 14 題x→1 時分母 x2+3x−4=(x−1)(x+4)→0,極限存在,所以 f(1)=0;同理 x→2 時分母 x2−4=(x−2)(x+2)→0,所以 f(2)=0。f(x) 是三次多項式,可設 f(x)=(x−1)(x−2)(px+q)。第一個極限:x→1lim​x+4(x−2)(px+q)​=5−(p+q)​=−1,得 p+q=5。第二個極限:x→2lim​x+2(x−1)(px+q)​=42p+q​=2,得 2p+q=8。解得 p=3,q=2,f(x)=(x−1)(x−2)(3x+2)。多項式函數連續,x→3lim​f(x)=f(3)=2×1×11=22。
分母趨近 0 而極限存在,分子在那一點的值一定是 0,也就有對應的一次因式;先把因式寫出來約掉,再代入。

07計算題(第 15 題):兩個等差數列

第 15 題第 (1) 小題 an​=a1​+(n−1)d1​,bn​=b1​+(n−1)d2​。分子分母同除以 n:bn​an​​=nb1​−d2​​+d2​na1​−d1​​+d1​​。n→∞ 時 na1​−d1​​→0、nb1​−d2​​→0,而 d2​=0,所以極限是 d2​d1​​。已知極限為 3,故 d2​d1​​=3。 第 (2) 小題 a1​+a2​+⋯+an​=2n[2a1​+(n−1)d1​]​,b2n​=b1​+(2n−1)d2​。所以 nb2n​a1​+a2​+⋯+an​​=2[b1​+(2n−1)d2​]2a1​+(n−1)d1​​。分子分母同除以 n:=2[nb1​−d2​​+2d2​]n2a1​−d1​​+d1​​,n→∞ 時趨近 4d2​d1​​=43​。
首項 a1​、b1​ 是多少都不影響這兩個極限,只有公差的比留下來。第 (2) 小題的分母是 b2n​,n 的係數是 2d2​,不是 d2​。
等差數列的一般項是 n 的一次式、前 n 項的和是 n 的二次式;求這類分式的極限,只要比最高次項的係數。

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題目取自建國中學 111 學年度上學期 高三第一次段考 數學甲,由御藍教育重新打字排版;答案逐題重新計算,詳解為御藍教育撰寫。

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