御藍教育/段考卷/高三

段考詳解範圍:複數與多項式方程式(複數的運算與絕對值、複數平面、極式與棣美弗定理、複數的 n 次方根、實係數多項式方程式與虛根成對、勘根定理)

北一女中 114 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

單選題 4 題(28 分)、多選題 3 題(21 分)、填充題 6 題(42 分)、題組題 2 題(14 分);滿分 105 分,總分超過 100 分者以 100 分計。全卷以 z̄ 代表複數 z 的共軛複數

一、單選題(28 分)|說明:每題答對者得 7 分;答錯、未作答或畫記多於一個選項者得 0 分。
1
已知 α=1+3​i 為複係數多項式方程式 x2−6x+k=0 的一根,試問此多項式方程式的另一根為下列哪個選項?
  1. (1) −1+3​i
  2. (2) 1−3​i
  3. (3) −1−3​i
  4. (4) 7−3​i
  5. (5) 5−3​i
2
複數 (cos10∘−isin10∘)4(cos75∘+isin75∘)5(sin140∘+icos140∘)2​ 經過化簡後,與下列哪個選項之值相等?
  1. (1) 22​​−22​​i
  2. (2) 46​+2​​+46​−2​​i
  3. (3) −46​−2​​+46​−2​​i
  4. (4) 21​−23​​i
  5. (5) −22​​+22​​i
3
設 m 為實數,且二次多項式方程式 x2−(m+3)x+(m+6)=0 有兩相異負根,則 m 的範圍為下列哪個選項?
  1. (1) −6<m<−3
  2. (2) −5<m<−3
  3. (3) −6<m<−5
  4. (4) −3<m<3
  5. (5) −5<m<3
4
已知方程式 2(x−π)(x−24​)(x−10)=x 有三個實根 α,β,γ(α<β<γ),且三個整數 a,b,c 滿足 a<α<a+1,b<β<b+1,c<γ<c+1,則 a+b+c 與下列哪個選項之值相等?
  1. (1) 14
  2. (2) 15
  3. (3) 16
  4. (4) 17
  5. (5) 18
二、多選題(21 分)|說明:每題各有五個選項,其中至少有一個是正確的選項。各題之選項獨立判斷,所有選項均答對者,得 7 分;答錯一個選項者,得 4 分;答錯兩個選項者,得 1 分。答錯三個選項以上,及所有選項均未作答者,該題以 0 分計算。
5
給定一實係數三次多項式函數 f(x)=−2x3+bx2+cx+3。令 g(x)=f(−x)−3,已知圖形 y=g(x) 的對稱中心為 (1,0)。試選出正確的選項。
  1. (1) g(2)=0
  2. (2) y=f(x) 圖形的對稱中心 (−1,3)
  3. (3) f(x) 除以 x2−2x+2 的餘式為 20x−17
  4. (4) f(1+i)=−20+3i
  5. (5) 設實係數多項式 h(x) 除以 (x2−2x+2)(x2+1) 的餘式為 f(x),則 h(1+i)=3+20i
6
設 z6=64 的解為 2,2ω,2ω2,2ω3,2ω4,2ω5。試選出正確的選項。
  1. (1) ∣ω∣=1
  2. (2) 2+2ω+2ω2+2ω3+2ω4+2ω5=64
  3. (3) (cos12π​+isin12π​)ω 滿足方程式 x6=i
  4. (4) x=2cos1213π​ 為方程式 (x+isin12π​)6=64i 的唯一實數解
  5. (5) 設 k>0,若方程式 (x+ki)6=64i 有實數解,則所有 k 的可能值總和為 2
7
設複數 z 的虛部不為 0,且 ∣z∣=4。設在複數平面上,點 A,B,C 分別代表複數 1,z,z3。已知 A,B,C 三點共線。試選出正確的選項。
  1. (1) AB=kBC,其中 k 為實數
  2. (2) z(z+1) 的虛部為 0
  3. (3) z 的實部為 −41​
  4. (4) z(z+1) 的實部為 16
  5. (5) 在複數平面上,8、z、z2 三點共線
三、填充題(42 分)|說明:每格答對得 7 分,答錯不倒扣,未完全答對不給分。(原卷題號 A~F,本頁編為第 8~13 題)
8
已知複數 z=(1+i)3(1−2i)7(3+i)5(4−3i)​,則 ∣z∣= ____。
9
若複數 (2​1+i​)114=a+bi,其中 a,b 為實數,則數對 (a,b)= ____。
10
已知 f(x) 為實係數多項式,若 f(1+3​i)=2+i,且 1−i2f(1−3​i)​=a+bi,其中 a,b 為實數,則數對 (a,b)= ____。
11
如圖,設 O 為複數平面上的原點,已知 OABC 為正方形,其中 B 代表複數 1+3i,若 A 代表複數 a+bi,其中 a,b 為實數,則數對 (a,b)= ____。
載入中...
12
分別將滿足 z8=i 的各根依序相連,則所成圖形的面積為 ____(化成最簡根式)。
13
設 k 為實數,已知存在複數 z 滿足聯立方程組:{z−z=−2i∣z−1∣=k​,則 k 的範圍為 k≥ ____。
四、題組題(14 分)|說明:每題答對者得 7 分;答錯、未作答或畫記多於一個選項者得 0 分。(原卷題號 18、19,本頁編為第 14、15 題)
14
設複數 z1​,z2​ 滿足 ∣z1​∣=∣z1​+z2​∣=2,∣z1​−z2​∣=23​,則 ∣z2​∣=?
  1. (1) 2
  2. (2) 3
  3. (3) 22​
  4. (4) 23​
  5. (5) 4
15
承上題(原卷第 18 題),log2​(​(z1​z2​​)114+(z1​​z2​)114​)=?
  1. (1) 114
  2. (2) 115
  3. (3) 228
  4. (4) 229
  5. (5) 2025
02 · 答案

答案一覽,先對再看詳解

第 1 題(5)
第 2 題(1)
第 3 題(3)
第 4 題(4)
第 5 題(1)(2)
第 6 題(1)(3)
第 7 題(1)(2)
第 8 題2
第 9 題(0,1)
第 10 題(3,1)
第 11 題(2,1)
第 12 題22​
第 13 題1(即 k≥1)
第 14 題(1)
第 15 題(4)
03 · 勾錯題號

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04 · 逐題詳解

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01單選題(第 1~4 題):根與係數、極式化簡、負根條件、勘根定理

第 1 題答案 (5)。二次方程式 x2−6x+k=0 的兩根和為 6(根與係數關係對複係數也成立),所以另一根是 6−α=6−(1+3​i)=5−3​i。
題目說的是「複係數」,k 不一定是實數,不能用虛根成對直接選共軛的 1−3​i。事實上 k=α(6−α)=(1+3​i)(5−3​i)=8+43​i,確實不是實數。
第 2 題答案 (1)。先把每個括號寫成標準極式 cosθ+isinθ:sin140∘+icos140∘=cos(−50∘)+isin(−50∘)(因為 sin140∘=cos50∘、cos140∘=−sin50∘);cos10∘−isin10∘=cos(−10∘)+isin(−10∘)。由棣美弗定理,分子的輻角是 75∘×5+(−50∘)×2=275∘,分母的輻角是 (−10∘)×4=−40∘,相除後輻角為 275∘−(−40∘)=315∘。所以原式 =cos315∘+isin315∘=22​​−22​​i。
sinθ+icosθ 與 cosθ−isinθ 都不是標準極式,要先改寫才能用棣美弗定理。
第 3 題答案 (3)。設兩根為 x1​,x2​。兩相異實根:判別式 (m+3)2−4(m+6)>0,即 m2+2m−15>0,(m+5)(m−3)>0,得 m<−5 或 m>3。兩根都是負的:兩根和 x1​+x2​=m+3<0 且兩根積 x1​x2​=m+6>0,得 −6<m<−3。三個條件取交集:−6<m<−5。
只有「和為負」不夠(可能一正一負),只有「積為正」也不夠(可能兩根同正),兩個條件加上判別式缺一不可。
第 4 題答案 (4)。令 f(x)=2(x−π)(x−24​)(x−10)−x,其中 π≈3.14、24​≈4.90。逐點看正負:f(3) 的乘積項三個因式都是負的,乘積為負,再減 3,f(3)<0。f(4)=2(4−π)(4−24​)(−6)−4≈2×0.86×0.90×6−4≈5.3>0。f(5) 的乘積項是正、正、負,乘積為負,f(5)<0。f(10)=−10<0。f(11)=2(11−π)(11−24​)−11≈2×7.86×6.10−11>0。由勘根定理,(3,4)、(4,5)、(10,11) 內各至少有一個實根;三次方程式最多三個根,所以恰好各一個:a=3、b=4、c=10,a+b+c=17。
三個根都不是 π、24​、10 本身(代進去左邊是 0、右邊不是 0):α 在 π 右邊、β 在 24​ 左邊、γ 在 10 右邊。根落在哪兩個整數之間,要用整數點函數值的正負號判斷。

02多選第 5 題:三次函數的對稱中心與 f(1+i)

第 5 題答案 (1)(2)。g(x)=f(−x)−3=2x3+bx2−cx。對稱中心為 (1,0) 的三次函數可寫成 g(x)=2(x−1)3+p(x−1),展開得 2x3−6x2+(6+p)x−(2+p);常數項為 0,所以 p=−2,g(x)=2x3−6x2+4x=2x(x−1)(x−2)。比較係數得 b=−6、c=−4,f(x)=−2x3−6x2−4x+3。(1) 對:g(2)=0。(2) 對:f(x)=g(−x)+3,把 y=g(x) 的圖形對 y 軸鏡射再向上平移 3,對稱中心 (1,0)→(−1,0)→(−1,3)。(3) 錯:用長除法,f(x)=(x2−2x+2)(−2x−10)+(−20x+23),餘式是 −20x+23。(4) 錯:x=1+i 滿足 (x−1)2=−1,即 x2−2x+2=0,所以 f(1+i)=−20(1+i)+23=3−20i。(5) 錯:h(x)=(x2−2x+2)(x2+1)q(x)+f(x),代 x=1+i 時前一項為 0,h(1+i)=f(1+i)=3−20i,不是 3+20i。
求虛數的函數值時,先找出它滿足的實係數二次式,用餘式代入比直接乘三次方省事。3+20i 是 f(1−i) 的值。

03多選第 6 題:六次方根

第 6 題答案 (1)(3)。2ω 是 z6=64 的解,所以 64ω6=64,ω6=1;六個解兩兩相異,所以 ω=1。(1) 對:∣ω∣6=1,∣ω∣=1。(2) 錯:1+ω+⋯+ω5=ω−1ω6−1​=0,總和是 0。(也可由 z6−64=0 的五次項係數為 0 知六根和為 0。)(3) 對:[(cos12π​+isin12π​)ω]6=(cos2π​+isin2π​)ω6=i。(4)(5):64i=26(cos2π​+isin2π​) 的六次方根是 2(cosθ+isinθ),θ=15∘,75∘,135∘,195∘,255∘,315∘,虛部 2sinθ 依序為 26​−2​​、26​+2​​、2​、−26​−2​​、−26​+2​​、−2​。(4) 錯:x 為實數時 x+isin12π​ 的虛部是 sin15∘=46​−2​​≈0.26,但六個方根的虛部沒有一個等於它(最接近的是 2sin15∘≈0.52),所以此方程式沒有實數解。(5) 錯:x+ki 的虛部 k 要等於某個方根的虛部且 k>0,k 可以是 26​−2​​、26​+2​​、2​,總和為 6​+2​。
(4) 的陷阱在虛部少了 2 倍:若方程式是 (x+2isin12π​)6=64i,才會有實數解 x=2cos12π​。有沒有實數解,看的是虛部能不能對上某一個方根。

04多選第 7 題:三點共線

第 7 題答案 (1)(2)。z 不是實數,所以 z=1;又 ∣z∣=4,z2=1,所以 z3=z,A,B,C 是三個相異點。A,B,C 共線表示 z−1z3−1​=z2+z+1 是實數,即 z2+z=z(z+1) 是實數。(1) 對:三相異點共線,AB 與 BC 平行且 BC=0,所以 AB=kBC。(2) 對,如上。設 z=x+yi(y=0),z2+z=(x2−y2+x)+(2xy+y)i,虛部 y(2x+1)=0,得 x=−21​;由 ∣z∣=4,y2=16−41​=463​。(3) 錯:實部是 −21​。(4) 錯:z(z+1) 的實部 =x2−y2+x=41​−463​−21​=−16。(5) 錯:由上 z2+z=−16,所以 z 與 z2 的中點是 −8,直線過 −8。z=(−21​,y)、z2=−16−z=(−231​,−y),從 8 出發到這兩點的向量是 (−217​,y) 與 (−247​,−y),(−217​)(−y)−y(−247​)=32y=0,不平行,三點不共線。
三點 z1​,z2​,z3​ 共線 ⇔z2​−z1​z3​−z1​​ 是實數。(4)(5) 都是正負號的陷阱:實部是 −16,共線的是 −8、z、z2。

05填充 A~C(第 8~10 題):絕對值、棣美弗定理、共軛

第 8 題∣z∣=∣z∣,而乘、除、次方的絕對值可以分開算:∣3+i∣=10​、∣4−3i∣=5、∣1+i∣=2​、∣1−2i∣=5​。所以 ∣z∣=(2​)3(5​)7(10​)5×5​=(2​)3(5​)7(2​)5(5​)5(5​)2​=(2​)2=2。
不用把 z 乘開;把 10​ 拆成 2​×5​、5 寫成 (5​)2 就能約掉。
第 9 題2​1+i​=cos45∘+isin45∘。由棣美弗定理,114 次方的輻角是 45∘×114=5130∘=360∘×14+90∘,所以原式 =cos90∘+isin90∘=i,(a,b)=(0,1)。
cos45∘+isin45∘ 每乘 8 次回到 1,114=8×14+2,所以也等於它的平方 i。
第 10 題f(x) 是實係數多項式,所以 f(z)=f(z)​:f(1−3​i)=2+i​=2−i。於是 1−i2(2−i)​=(1−i)(1+i)(4−2i)(1+i)​=24+4i−2i+2​=26+2i​=3+i,(a,b)=(3,1)。
f(z)=f(z)​ 要係數都是實數才成立;虛根成對定理就是它在 f(z)=0 時的特例。

06填充 D~F(第 11~13 題):旋轉、正八邊形、距離

第 11 題OB 是正方形的對角線,OA 是邊:OA=2​1​OB,且由圖,A 在 OB 的順時針方向 45∘。所以把 B 代表的複數乘以 2​1​(cos(−45∘)+isin(−45∘))=21−i​ 就得到 A:(1+3i)×21−i​=21−i+3i+3​=2+i,(a,b)=(2,1)。
若往逆時針方向轉 45∘,得到的是 (1+3i)×21+i​=−1+2i,那是 C。哪一個是 A 要看圖上的位置(A 在右下、C 在左上)。
第 12 題i=cos2π​+isin2π​,所以 z8=i 的八個根是 zk​=cos(16π​+4kπ​)+isin(16π​+4kπ​),k=0,1,…,7。它們都在單位圓上、相鄰兩根的輻角差 4π​,依序相連是圓內接正八邊形。把它從圓心切成 8 個頂角 45∘、兩腰為 1 的等腰三角形,面積 =8×21​×1×1×sin45∘=22​。
面積只和半徑、邊數有關,和第一個根的輻角 16π​ 無關。
第 13 題設 z=x+yi(x,y 為實數),z−z=2yi=−2i,得 y=−1,所以 z=x−i,x 可以是任意實數。此時 ∣z−1∣=∣(x−1)−i∣=(x−1)2+1​。(x−1)2≥0,所以這個值最小是 1(x=1 時),而且 x 變動時可以取到所有不小於 1 的實數。因此有解的條件是 k≥1。
幾何上:z 在水平線 y=−1 上,∣z−1∣=k 是以點 1 為圓心、半徑 k 的圓;圓心到直線的距離是 1,半徑至少要 1 才碰得到。

07題組(第 14、15 題;原卷第 18、19 題)

第 14 題答案 (1)。用 ∣z∣2=zz 展開:∣z1​+z2​∣2=(z1​+z2​)(z1​​+z2​​)=∣z1​∣2+∣z2​∣2+(z1​z2​​+z1​​z2​),同理 ∣z1​−z2​∣2=∣z1​∣2+∣z2​∣2−(z1​z2​​+z1​​z2​)。兩式相加:∣z1​+z2​∣2+∣z1​−z2​∣2=2(∣z1​∣2+∣z2​∣2),代入得 4+12=2(4+∣z2​∣2),∣z2​∣2=4,∣z2​∣=2。
這就是平行四邊形定理:兩條對角線長的平方和等於四邊長的平方和。
第 15 題答案 (4)。令 w=z1​z2​​,則 z1​​z2​=w,且 ∣w∣=∣z1​∣∣z2​∣=4。由上題的展開式,∣z1​+z2​∣2=∣z1​∣2+∣z2​∣2+(w+w),即 4=4+4+(w+w),w+w=−4,w 的實部是 −2。絕對值 4、實部 −2,所以 w=4(cos120∘±isin120∘)。由棣美弗定理,114 次方的輻角是 ±120∘×114=±13680∘=±360∘×38,所以 w114=4114,同理 w114=4114。兩者相加為 2×4114=2×2228=2229,log2​2229=229。
114 是 3 的倍數,輻角 ±120∘ 乘上去剛好是整數圈,w 取哪一個正負號都一樣。別漏掉兩項相加多出來的那個 2:答案是 229 不是 228。
複數的題目先分清楚要用哪一種寫法:算絕對值與高次方用極式,判斷實數、共線用 x+yi 或共軛,求根的位置用根與係數或勘根定理。

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第 1 題是複係數方程式,另一根不是共軛而要用兩根和;第 4 題三個根都不在 π、√24、10 上,要用函數值的正負號找位置;第 6 題的選項 (4) 虛部對不上任何一個六次方根,所以沒有實數解;第 7 題的選項 (4)(5) 都是正負號的陷阱;第 15 題兩項相加會多一個 2。詳解逐題寫在本頁。

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