御藍教育/段考卷/高二

段考詳解範圍:三角函數(和差角與倍角公式、正餘弦的疊合、三角函數的圖形與極值)

高雄中學 114 上
高二第一次段考
數學試題、答案與詳解

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01 · 試題

原卷 14 題,照原卷順序

多選題 2 題(12 分)、填充題 10 題共 14 格(68 分,依答對格數累進計分)、非選擇題 2 題(20 分)

一、多選題(每題 6 分,共 12 分;各選項獨立判定,答錯 1 個選項得 4 分,答錯 2 個選項得 2 分,答錯多於 2 個選項或未作答得 0 分)
1
下列何者正確?
  1. (A) 對於任意實數 α、β,等式 cos(α−β)=cosα−cosβ 都成立
  2. (B) 對於任意實數 α、β,等式 cos(α−β)=cosα−cosβ 都不成立
  3. (C) 存在無窮多個實數 α、β,使等式 cos(α−β)=cosα−cosβ 成立
  4. (D) 僅有有限多個實數 α、β,使等式 cos(α−β)=cosα−cosβ 成立
  5. (E) x、y 為實數,sin(x+y)sin(x−y)=sin2x−sin2y 恆成立
2
令 0<α<2π​,0<β<2π​,且 tanα=cosβ1+sinβ​,下列選項何者正確?
  1. (A) tanα−tan4π​>0
  2. (B) 3α−β=2π​
  3. (C) 3α+β=2π​
  4. (D) 2α−β=2π​
  5. (E) 2α+β=2π​
二、填充題(共 14 格,占 68 分,依答對格數累進計分;答案須化至最簡)
3
−2π≤x≤2π,方程式 sin∣x∣−∣sinx∣=k 恰有四個彼此相異的實數解,求出實數 k 的範圍。
4
一八邊形是由腰長為 1,頂角為 x(x 為實數)的四個等腰三角形及它們的四個底邊構成之正方形所組成,試問當 x 為多少時,這八邊形的面積最大?
載入中...
5
設 x 為實數,求出函數 y=sinx+cosx+1sinxcosx​ 的值域。
6
已知函數 f(x)=sinx,存在 x1​、x2​、x3​、…、xm​ 滿足 0≤x1​<x2​<⋯<xm​≤6π,且 ∣f(x1​)−f(x2​)∣+∣f(x2​)−f(x3​)∣+⋯+∣f(xm−1​)−f(xm​)∣=12,其中 m≥2,m∈N,試求出 m 的最小值。
7
已知 x、y∈R,且 x2+2xy+2y2=4,求出 xy 的最大值。
8
已知 f(x)=3​cos(rxπ​+φ),其中 r>0,f(x) 為奇函數,φ 的最小正值為 φ0​。(1) 求出 φ0​ 的值。(2) 若函數 f(x)=3​cos(rxπ​+φ0​),其中 r>0,f(x) 的圖形至少有一個最大值點和一個最小值點在圓 x2+y2=r2 內或圓 x2+y2=r2 上,求 r 的取值範圍。
9
已知函數 f(x)=2sin(ωx),其中常數 ω>0。(1) 若 y=f(x) 在 [−4π​,32π​] 上遞增,求 ω 的取值範圍。(2) 令 ω=2,將函數 y=f(x) 的圖形向左平移 6π​ 個單位,再向上平移 1 個單位,得到函數 y=g(x) 的圖形,區間 [a,b] 滿足:「g(x)=0 在 [a,b] 上至少含有 30 個實數解。」在所有滿足上述條件的 [a,b] 中,求 b−a 的最小值。
10
令 f(x)=cosx,α≤x≤α+2π​,其中 −2π​<α<2π​。令 f(x) 的最大值為 M(M 隨著 α 改變而改變),最小值為 m(m 隨著 α 改變而改變),求出 M−m 的最大值。
11
凸四邊形 ABCD 中,∠ABC=32π​,∠ACD=3π​,∠BAD=2π​,AD=24 公尺。設 ∠BAC=θ,12π​≤θ≤6π​。(1) 試用 θ 表示 AB 的長為多少公尺?(2) AB+BC 的最小值為多少公尺?(3) 承上題,此時 θ 為多少?
載入中...
12
設 α、β 皆為實數,且滿足 sinα+sinβ=22​​,cosα+cosβ=26​​,求出 sin(α+β) 之值。
三、非選擇題(共 20 分;前面小題縱使未被證出,也可被引用來解後面小題)
13
令 A、B、C 為一銳角 △ABC 的三內角,回答下列問題:(1) 令 α、β 為實數,利用 cos 的和差角公式,證明 cos(α+β)+cos(α−β)=2cosαcosβ。(2 分)(2) 證明 cosAcosBcosC≤81​。(4 分)(3) 求出 cosBcosCcosA​+cosCcosAcosB​+cosAcosBcosC​ 的最小值並證明其為最小。(3 分)(4) 求出 tanAtanB+tanBtanC+tanCtanA 的最小值並證明其為最小。(3 分)
14
令 A、B、C 為一 △ABC 的三內角,滿足 tanAtanC=tan2B,回答下列問題:(1) 證明 △ABC 為銳角三角形。(4 分)(2) 證明 B≥3π​。(4 分)
02 · 答案

答案一覽,先對再看詳解

第 1 題(C)(E)
第 2 題(A)(D)
第 3 題−2<k<0
第 4 題43π​
第 5 題{y ​ 2−2​−1​≤y≤22​−1​, y=−1}
第 6 題8
第 7 題22​−2
第 8 題(1) 2π​;(2) r≥2
第 9 題(1) 0<ω≤43​;(2) 343π​
第 10 題2​
第 11 題(1) 16sin(2θ+3π​);(2) 83​+8;(3) 12π​
第 12 題23​​
第 13 題(1)(2) 見詳解;(3) 最小值 6;(4) 最小值 9
第 14 題見詳解(證明)
03 · 勾錯題號

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04 · 逐題詳解

每一題,錯在哪一步

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01多選題:和差角公式的判斷、倍角化簡

第 1 題答案 (C)(E)。(A) 錯:取 α=β=0,左邊 cos0=1,右邊 1−1=0。(B) 錯:取 α=4π​、β=2π​,左邊 cos(−4π​)=22​​,右邊 22​​−0=22​​,等式成立。(C) 對:把剛才的 α 換成 4π​+2nπ(n 為整數),兩邊的值都不變,所以有無窮多組。(D) 錯:與 (C) 相反。(E) 對:左邊 =(sinxcosy)2−(cosxsiny)2=sin2x(1−sin2y)−(1−sin2x)sin2y=sin2x−sin2y。
(A)(B) 是「全部成立/全部不成立」,各舉一個反例就能否定;(C) 只要找到一組再利用週期。
第 2 題答案 (A)(D)。1+sinβ=1+cos(2π​−β)=2cos2(4π​−2β​),cosβ=sin(2π​−β)=2sin(4π​−2β​)cos(4π​−2β​),相除得 tanα=sin(4π​−2β​)cos(4π​−2β​)​=tan(4π​+2β​)。α 與 4π​+2β​ 都在 0 到 2π​ 之間,所以 α=4π​+2β​,即 2α−β=2π​,(D) 對。α>4π​,所以 tanα>1=tan4π​,(A) 對。(B) 錯:3α−β=2π​+α>2π​。(C)(E) 錯:2α+β=2π​+2β>2π​,3α+β 更大。
最後一步用到「正切在 0 到 2π​ 之間是一對一」,所以要先確認兩個角都在這個範圍內。

02填充 3~7:圖形與解的個數、疊合求極值

第 3 題令 g(x)=sin∣x∣−∣sinx∣,g(−x)=g(x),圖形對稱於 y 軸,先看 0≤x≤2π。0≤x≤π 時 sinx≥0,g(x)=sinx−sinx=0;π<x≤2π 時 sinx≤0,g(x)=sinx+sinx=2sinx,由 0 降到 −2(x=23π​)再回到 0。所以在 0≤x≤2π 上:k=0 有無窮多個解,−2<k<0 恰有 2 個解,k=−2 恰有 1 個解,其餘無解。左半邊對稱,個數加倍,恰有四個相異實數解的條件是 −2<k<0。
流傳的兩份版本中,一份題幹印作「整數解」,另一份印作「實數解」;後者才與簡答 −2<k<0 相符,本頁採後者(整數 x 只有 −6 到 6,湊不出恰四個解)。
第 4 題等腰三角形兩腰為 1、夾角 x(0<x<π),面積 21​sinx,底邊長 2sin2x​,也就是正方形的邊長。八邊形面積 =(2sin2x​)2+4×21​sinx=2(1−cosx)+2sinx=2+22​sin(x−4π​)。−4π​<x−4π​<43π​,當 x−4π​=2π​,即 x=43π​ 時面積最大(最大值 2+22​)。
4sin22x​ 用半角公式換成 2(1−cosx),整個式子才會變成 sinx、cosx 的一次式,可以疊合。
第 5 題令 t=sinx+cosx=2​sin(x+4π​),則 −2​≤t≤2​,且 t2=1+2sinxcosx,sinxcosx=2t2−1​。分母不可為 0,所以 t=−1。y=2(t+1)t2−1​=2t−1​。t 由 −2​ 到 2​ 時,y 由 2−2​−1​ 到 22​−1​,再去掉 t=−1 對應的 y=−1。值域為 2−2​−1​≤y≤22​−1​ 且 y=−1。
t=−1 落在 −2​ 與 2​ 之間,約分之前要先把它排除,值域中間會少一個點。
第 6 題每一項 ∣f(xi​)−f(xi+1​)∣≤2,等於 2 只發生在一個點的函數值是 1、另一個是 −1。在 0≤x≤6π 內,sinx=±1 的點只有 2π​,23π​,⋯,211π​ 共 6 個。若 m=7,共 6 項,總和要到 12 必須每項都是 2,需要 7 個函數值為 ±1 的點,辦不到;m<7 時總和小於 12。取 0,2π​,23π​,25π​,27π​,29π​,211π​,6π 共 8 個點,總和 =1+2×5+1=12。所以 m 的最小值為 8。
流傳的兩份版本中,一份把點列寫成「…、xn​」,另一份寫 xm​,與後文一致,本頁採後者。頭尾兩段(0 到 2π​、211π​ 到 6π)各只貢獻 1,不可漏掉兩個端點。
第 7 題配方:(x+y)2+y2=4。令 x+y=2cosθ,y=2sinθ,則 x=2cosθ−2sinθ。xy=4sinθcosθ−4sin2θ=2sin2θ−2(1−cos2θ)=22​sin(2θ+4π​)−2。θ 可取任意實數,所以 xy 的最大值為 22​−2。
流傳的兩份版本中,一份題幹印作「最小值」,另一份印作「最大值」;後者才與簡答 22​−2 相符,本頁採後者(同一個式子的最小值是 −22​−2)。
看到 asinθ+bcosθ 就疊合;看到 sin2、sinθcosθ 先用倍角公式降成一次,再疊合。

03填充 8~12:圖形性質、區間極值、正弦定理、和差角

第 8 題(1) 奇函數必有 f(0)=0,即 3​cosφ=0,φ=2π​+nπ(n 為整數);此時 f(x)=∓3​sinrxπ​ 確實是奇函數。最小正值 φ0​=2π​。(2) f(x)=3​cos(rxπ​+2π​)=−3​sinrxπ​,週期 2r。最大值點在 x=−2r​+2nr,最小值點在 x=2r​+2nr;離原點最近的是 (−2r​,3​) 與 (2r​,−3​),到原點的距離平方都是 4r2​+3。條件為 4r2​+3≤r2,r2≥4,得 r≥2。
第 9 題(1) ω>0,2sin(ωx) 包含 0 的遞增區間是 [−2ωπ​,2ωπ​]。要 [−4π​,32π​] 落在其中:2ωπ​≥32π​ 且 2ωπ​≥4π​,得 0<ω≤43​。(2) g(x)=2sin2(x+6π​)+1=2sin(2x+3π​)+1。g(x)=0 即 sin(2x+3π​)=−21​,2x+3π​=67π​+2nπ 或 611π​+2nπ,x=125π​+nπ 或 43π​+nπ。相鄰兩根的間距依序是 3π​,32π​,3π​,32π​,⋯。30 個根之間有 29 段間距,從短的那段開始:15 段 3π​ 加 14 段 32π​,b−a 的最小值 =5π+328π​=343π​。
[a,b] 的兩端剛好取在根上最省;29 是奇數,第一段選短的那一種,短的才會多一段。
第 10 題若 −2π​<α≤0:區間 [α,α+2π​] 包含 0,M=1;兩端點的值 cosα 與 cos(α+2π​)=−sinα 都不小於 0,所以 m≥0,M−m≤1。若 0<α<2π​:區間落在 0 到 π 之間,cosx 遞減,M=cosα,m=cos(α+2π​)=−sinα,M−m=cosα+sinα=2​sin(α+4π​),在 α=4π​ 時為 2​。2​>1,所以 M−m 的最大值為 2​。
流傳的兩份版本中,一份範圍印作 α≤x<α+2π​(右端不含),另一份印作 α≤x≤α+2π​;右端不含時 α>0 的情形取不到最小值,本頁採後者,與簡答 2​ 相符。
第 11 題(1) △ACD 中 ∠CAD=2π​−θ,∠ADC=π−3π​−(2π​−θ)=θ+6π​。由正弦定理 sin(θ+6π​)AC​=sin3π​24​,AC=163​sin(θ+6π​)。△ABC 中 ∠ACB=3π​−θ,sin(3π​−θ)AB​=sin32π​AC​,AB=32sin(θ+6π​)sin(3π​−θ)。因 sin(3π​−θ)=cos(θ+6π​),由倍角公式 AB=16sin(2θ+3π​)。(2) 同理 BC=sin32π​ACsinθ​=32sinθsin(θ+6π​)=163​sin2θ+16sinθcosθ=83​(1−cos2θ)+8sin2θ;而 AB=8sin2θ+83​cos2θ。相加得 AB+BC=16sin2θ+83​。6π​≤2θ≤3π​,sin2θ 遞增,最小值在 2θ=6π​:16×21​+83​=83​+8。(3) 此時 θ=12π​。
流傳的兩份版本中,一份 (2) 印作 AB+AC,另一份印作 AB+BC;後者才與簡答 83​+8 相符,本頁採後者(AB+AC 在 θ=12π​ 時是 16+86​)。附圖依題目條件重畫,取 θ=20∘ 示意。
第 12 題兩式平方相加:2+2(cosαcosβ+sinαsinβ)=21​+23​=2,得 cos(α−β)=0。兩式相乘:sinαcosα+sinβcosβ+(sinαcosβ+cosαsinβ)=412​​=23​​,即 21​(sin2α+sin2β)+sin(α+β)=23​​。把 2α=(α+β)+(α−β)、2β=(α+β)−(α−β) 用和差角公式展開相加,sin2α+sin2β=2sin(α+β)cos(α−β)=0。所以 sin(α+β)=23​​。
驗算:α=125π​、β=−12π​ 滿足兩個條件,sin(α+β)=sin3π​=23​​。
圖形題先把函數寫成 Asin(ωx+φ)+k 的樣子,再讀週期、極值點與零點;幾何題用正弦定理把每一邊都寫成同一個角的式子。

04非選擇題 13~14:三角形內角的不等式證明

第 13 題(1) cos(α+β)=cosαcosβ−sinαsinβ,cos(α−β)=cosαcosβ+sinαsinβ,兩式相加即得 cos(α+β)+cos(α−β)=2cosαcosβ。(2) 銳角三角形中 cosA、cosB、cosC 都是正數,且 cos(A+B)=cos(π−C)=−cosC。由 (1),2cosAcosB=cos(A+B)+cos(A−B)=−cosC+cos(A−B)≤1−cosC。兩邊同乘 cosC>0:cosAcosBcosC≤21​cosC(1−cosC)。cosC 與 1−cosC 都是正數,由算幾不等式 cosC(1−cosC)≤(2cosC+1−cosC​)2=41​。所以 cosAcosBcosC≤81​;等號成立於 A=B 且 cosC=21​,即正三角形。(3) 令 P=cosAcosBcosC,由 (2) 知 0<P≤81​。通分後所求 =Pcos2A+cos2B+cos2C​。在 (2) 的式子 2cosAcosB=−cosC+cos(A−B) 兩邊同乘 cosC=−cos(A+B),得 2P=−cos2C−cos(A+B)cos(A−B)。再用 (1)(取 α=A+B、β=A−B)與倍角公式:cos(A+B)cos(A−B)=21​(cos2A+cos2B)=cos2A+cos2B−1。所以 cos2A+cos2B+cos2C=1−2P,所求 =P1−2P​=P1​−2≥8−2=6。正三角形時每一項都是 1/41/2​=2,和為 6,等號成立,故最小值為 6。(4) tanBtanC−1=cosBcosCsinBsinC−cosBcosC​=cosBcosC−cos(B+C)​=cosBcosCcosA​,另外兩項同理。三式相加:tanAtanB+tanBtanC+tanCtanA=(cosBcosCcosA​+cosCcosAcosB​+cosAcosBcosC​)+3≥6+3=9。正三角形時 3×(3​)2=9,等號成立,故最小值為 9。
「求最小值並證明」要寫兩件事:不等式對所有銳角三角形成立,而且等號真的取得到(這裡是正三角形)。
第 14 題令 a=tanA,c=tanC,t=tanB;題目的式子有意義,所以三個角都不是 2π​,且 0<B<π 使 t=0。(1) ac=t2>0,a、c 同號;三角形最多一個鈍角,所以 A、C 都是銳角,a>0、c>0。若 ac=1,則 tanA=tanC1​=tan(2π​−C),得 A+C=2π​,B=2π​,不合,所以 ac=1。由 B=π−(A+C),t=−tan(A+C)=ac−1a+c​=t2−1a+c​,即 t(t2−1)=a+c>0 ……(*)。假設 t<0:由 (*) 得 t2<1,於是 a+c=∣t∣(1−t2)<∣t∣=ac​;但算幾不等式給出 a+c≥2ac​>ac​,矛盾。所以 t>0,B 也是銳角,△ABC 為銳角三角形。(2) 由 (*) 與算幾不等式,t(t2−1)=a+c≥2ac​=2t。因 t>0,兩邊同除以 t:t2−1≥2,t≥3​,即 tanB≥tan3π​。B 是銳角,正切在 0 到 2π​ 之間遞增,所以 B≥3π​;等號成立於 a=c,即正三角形。
(1) 不能只說「tan2B>0 所以都是銳角」:tanAtanC>0 只保證 A、C 是銳角,B 要另外證。
三角形的內角和是 π,所以 cos(A+B)=−cosC、tan(A+C)=−tanB;把三個角的式子換成兩個角,再配上算幾不等式。

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第 3 題要先畫出含絕對值的正弦圖形才數得出解的個數,第 6 題容易漏掉頭尾兩個端點,第 9 題第二小題的根距是一短一長交替,第 13、14 題的證明要交代等號成立與每個角是銳角的理由。詳解逐題寫在本頁。

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題目取自高雄中學 114 學年度上學期 高二第一次段考 數學A(自然組),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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