御藍教育/段考卷/高三

段考詳解範圍:機率分布(離散型隨機變數、期望值、變異數與標準差、二項分布、幾何分布)

高師大附中 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 18 題,照原卷順序

多重選擇題 4 題(28 分,每題 7 分,計分 7−5−2−0)、填充題 14 題(72 分,依答對格數計分);測驗時間 70 分鐘

一、多重選擇題:每題答對得 7 分,只錯一個選項可獲 5 分,錯兩個選項可獲 2 分,錯兩個選項以上不給分,未作答不給分。共 28 分。
1
投擲一顆標示 1,2,3,4 點的正四面體骰子,觀察底面出現的點數,其擲出 1∼4 點的機率與該點數成正比,令隨機變數 X 表示擲骰子一次所出現的點數,X 的期望值為 E(X),變異數為 Var(X),則下列選項何者正確?
  1. (1) P(X=1)=41​
  2. (2) E(X)=25​
  3. (3) Var(X)=1
  4. (4) E(2X+5)=11
  5. (5) Var(2X+5)=2
2
小澄在籃球賽中罰球的情況,若每次罰球的結果都是獨立的,依過去經驗:小澄在籃球賽中罰一球的命中率為 p;令隨機變數 X 表示小澄罰球 n 次中命中次數,若已知期望值 E(X)=38​,變異數 Var(X)=98​,則下列選項何者正確?
  1. (1) n=5
  2. (2) p=32​
  3. (3) 小澄 n 次罰球中恰投中 2 次的機率為 278​
  4. (4) 小澄 n 次罰球中至少投中 2 次的機率 2716​
  5. (5) 在機率函數圖中最高點會發生在 X=2
3
小明參加一個投擲硬幣換獎金的遊戲,遊戲規則為同時投擲 3 枚均勻硬幣一次,並在投擲之前先從以下三個方案中選出一個方案。方案一:若出現 k 枚正面,則可得獎金 k 元。方案二:若出現 k 枚正面,則可得獎金 (2k+1) 元。方案三:若出現 k 枚正面,則可得獎金 k2 元。設隨機變數 X,Y,Z 分別表示方案一、二、三所得到的獎金,則下列選項何者正確?
  1. (1) E(X)=23​
  2. (2) E(Y)=27​
  3. (3) E(Z)=(E(X))2
  4. (4) Var(Y)=3
  5. (5) 若由期望值的大小來做決策,則小明應選擇方案三比較有利
4
甲乙兩人相約比賽跳棋,當比賽進行到其中一人比另一人多贏 2 局或比完 5 局時,則比賽結束。每局比賽皆須分出勝負,而每局比賽的勝負皆不受之前已賽結果影響。假設甲在任一局中獲勝的機率均為 31​,且隨機變數 X 表示在比賽結束時,兩人所比賽的局數,則下列選項何者正確?
  1. (1) 隨機變數 X 所有可能的取值共有 4 個
  2. (2) P(X=2)=95​
  3. (3) 兩人共比賽 4 局且甲比乙多贏 2 局的機率為 818​
  4. (4) P(X=5)=8120​
  5. (5) E(X)=81250​
二、填充題:答案全對才給分。依答對格數計分:答對 1~14 格依序得 7、14、21、28、34、40、45、50、55、60、64、68、70、72 分。(原卷題號 1~14,本頁接續編為第 5~18 題)
5
擲一枚公正的硬幣 3 次,每出現一次正面可得 20 元,每出現一次反面則輸 m 元。若其期望值為 15 元,則 m 的值為 ____。
6
某商店為回饋顧客,舉辦擲骰子比賽。排隊的參賽者投擲一粒公正的骰子一次,只要點數為 1 或 6 即可獲得獎品一份。已知獎品共有 3 份,則排在第 5 位的大熊獲得獎品的機率為 ____。
7
保險公司銷售旅遊平安險,每名保額 200 萬元,保費 800 元,公司的管理與行銷成本為 200 元,根據統計得知,出險的機率為 100002​,則對每一保戶,保險公司獲利的期望值為 ____ 元。
8
大仁參加某種比賽,每一次比賽得勝之機率為 31​,失敗之機率為 32​,若得勝可得 1000 元,不幸敗北則須交出 300 元。若大仁連續比賽 6 次,則至少贏得 3400 元之機率為 ____。
9
箱中有黑球 2 顆、白球 1 顆,從箱中每次取出一球,取出的球不再放回箱中,且每球被取到的機會均等。當取出的球為白球時,則停止取球;當取出的球為黑球時,則必須將 1 顆白球放入箱中,即箱中仍有 3 顆球,再從箱中繼續取球,直到取出白球為止。設隨機變數 X 表示取球的總次數,則 X 的期望值 E(X)= ____。
10
袋中裝有大小相同的代幣 1 元與 5 元各 2 枚。從袋中任取 2 枚代幣,並令隨機變數 X 表示取 2 枚代幣所得的總金額。已知每個代幣被取到的機會均等,X 的期望值與標準差分別為 μ 及 σ,則數對 (μ,σ)= ____。
11
一次投擲兩顆公正的骰子,重複此試驗 36 次,若隨機變數 X 表 36 次投擲中,點數和大於 9 的次數,若 Y=X2,則 Y 的期望值為 ____。
12
袋中有 2 白球 1 紅球,今從袋中每次取一球,看其顏色後放回。若共取球 6 次,設 X 是 6 次試驗中取出白球的次數,且 X 的期望值為 μ,標準差為 σ,則 P(μ−2σ≤X≤μ+2σ)= ____。(3​≈1.73)
13
從 3 人中選出 1 人買飲料。選法如下:這 3 人各丟一枚均勻硬幣 1 次,稱為一輪;每一輪中,若有 1 人與另 2 人丟出的硬幣不同面,則此人獲選,否則進行下一輪,直到有人獲選為止。若決定人選所需輪數的期望值與標準差分別為 μ 及 σ,則數對 (μ,σ)= ____。
14
若將 5 本不同的書,任意放入三個抽屜,則空抽屜個數的期望值為 ____。
15
隨機變數 X 滿足 E(3X+1)=10,E((X+2)2)=100,則 Var(3X+4)= ____。
16
有兩個箱子,每個箱子中各有數字 1,2,3,4 的卡片各一張,同時從兩箱子中各取出一張卡片,觀察出現是否數字差為 m 的情形,再將卡片放回箱子中。若直到第 3 次取出的兩張卡片,才出現「數字差為 m」的機率為 649​,則 m= ____。
17
已知一個不均勻銅板,投擲時出現正面的機率為 32​,出現反面的機率為 31​。今在坐標平面上有一顆棋子,依投擲此銅板的正反面結果,前進至下一個位置,規則如下:(一)若擲出為正面,則從目前位置依著向量 (−1,2) 的方向與長度,前進至下一個位置;(二)若擲出為反面,則從目前位置依著向量 (1,0) 的方向與長度,前進至下一個位置。例如:棋子目前位置在坐標 (2,4),若擲出反面,則棋子前進至坐標 (3,4)。假設棋子以原點 (0,0) 為起始點,依上述規則,連續投擲此銅板 7 次,且每次投擲均互相獨立,則經過 7 次移動後,棋子停在坐標 ____ 的機率最大。
18
有一個依順時針方向依序標示 1,2,…,12 數字的圓形時鐘(如圖所示)。一開始在此時鐘「12」點鐘位置擺設一枚棋子,然後每次投擲一枚均勻銅板,依投擲結果,照以下規則移動這枚棋子的位置:(I)若出現正面,將棋子從當時位置依順時針方向移動 5 個鐘點。(II)若出現反面,將棋子從當時位置依逆時針方向移動 5 個鐘點。例如:若投擲銅板三次均為正面,則棋子第一次移動到「5」點鐘位置、第二次移動到「10」點鐘位置,第三次移動到「3」點鐘位置。令隨機變數 X 代表依上述規則經過 6 次移動後棋子所在的點鐘位置,則 X 的期望值 E(X)= ____。
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02 · 答案

答案一覽,先對再看詳解

第 1 題(3)(4)
第 2 題(2)(3)
第 3 題(1)(4)
第 4 題(2)(5)
第 5 題10
第 6 題278​
第 7 題200
第 8 題72973​
第 9 題917​
第 10 題(6,343​​)
第 11 題41
第 12 題729716​
第 13 題(34​,32​)
第 14 題8132​
第 15 題675
第 16 題0 或 2
第 17 題(−3,10)
第 18 題863​
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 1、2(第 1、2 題):由分布求期望值與變異數、反求二項分布

第 1 題答案 (3)(4)。機率與點數成正比,設 P(X=k)=ck,由 c(1+2+3+4)=1 得 c=101​,所以 P(X=k)=10k​。(1) 錯:P(X=1)=101​。(2) 錯:E(X)=1012+22+32+42​=3。(3) 對:E(X2)=1013+23+33+43​=10,Var(X)=E(X2)−(E(X))2=10−9=1。(4) 對:E(2X+5)=2E(X)+5=11。(5) 錯:Var(2X+5)=22Var(X)=4。
Var(aX+b)=a2Var(X):係數要平方,常數 b 不影響。
第 2 題答案 (2)(3)。X 服從二項分布,np=38​、np(1−p)=98​。兩式相除得 1−p=31​,p=32​,n=4;(1) 錯、(2) 對。各取值的機率為 P(X=k)=Ck4​(32​)k(31​)4−k: kP(X=k)​0811​​1818​​28124​​38132​​48116​​​ (3) 對:P(X=2)=8124​=278​。(4) 錯:P(X≥2)=1−811​−818​=8172​=98​。(5) 錯:機率最大的是 X=3(8132​)。
期望值 38​ 不是整數,最高點要把相鄰的 X=2、X=3 都算出來比較。

02多選 3、4(第 3、4 題):一次變換的期望值、逐局列出分布

第 3 題答案 (1)(4)。正面枚數 k 服從二項分布(n=3、p=21​),X=k,所以 E(X)=3×21​=23​、Var(X)=3×21​×21​=43​;(1) 對。(2) 錯:Y=2X+1,E(Y)=2×23​+1=4。(3) 錯:Z=X2,E(Z)=E(X2)=Var(X)+(E(X))2=43​+49​=3,而 (E(X))2=49​。(4) 對:Var(Y)=22×43​=3。(5) 錯:三個期望值依序是 23​、4、3,方案二最大。
E(X2) 與 (E(X))2 不相等,兩者的差就是變異數。
第 4 題答案 (2)(5)。兩人勝局數的差每局改變 1,只有在偶數局後才可能差 2,所以比賽只可能在第 2、4、5 局結束;(1) 錯(共 3 個取值)。(2) 對:前兩局同一人連勝,P(X=2)=(31​)2+(32​)2=95​。前兩局一勝一負的機率是 1−95​=94​;接著第 3、4 局若同一人連勝就在第 4 局結束,P(X=4)=94​×95​=8120​。(3) 錯:其中甲多贏 2 局的機率是 94​×(31​)2=814​。(4) 錯:P(X=5)=94​×94​=8116​。(5) 對: XP​28145​​48120​​58116​​​ E(X)=812×45+4×20+5×16​=81250​。
打到第 5 局就結束,不管第 5 局誰贏;所以 P(X=5) 只要前四局是「一勝一負、再一勝一負」。
分布不是現成的二項分布時,先列出所有可能的取值,再一段一段算機率,最後檢查機率總和是 1。

03填充 1~4(第 5~8 題):期望值的應用、重複試驗的機率

第 5 題每擲一次,所得金額的期望值是 20×21​+(−m)×21​=220−m​ 元。擲 3 次的期望值是 3×220−m​=15,所以 20−m=10,m=10。
也可設正面次數 k 服從二項分布(n=3、p=21​),所得為 20k−m(3−k),用 E(k)=23​ 代入,結果相同。
第 6 題每人得獎的機率是 62​=31​。大熊要得獎,必須輪到他時還有獎品(前 4 人中至多 2 人得獎),而且他自己擲出 1 或 6。前 4 人中得獎人數服從二項分布(n=4、p=31​),3 人得獎的機率 C34​(31​)3(32​)=818​,4 人得獎的機率 811​,所以至多 2 人得獎的機率是 1−819​=98​。所求 =98​×31​=278​。
前 4 人中恰 3 人得獎時獎品就發完了,大熊沒有機會,這一段要扣掉。
第 7 題公司每張保單先收保費 800 元、付成本 200 元。不出險(機率 100009998​)時獲利 600 元;出險(機率 100002​)時再賠 2000000 元,獲利 600−2000000 元。期望值 =600−2000000×100002​=600−400=200 元。
第 8 題設 6 次中勝 k 次,淨得 1000k−300(6−k)=1300k−1800 元。由 1300k−1800≥3400 得 k≥4。k 服從二項分布(n=6、p=31​),所求 =C46​(31​)4(32​)2+C56​(31​)5(32​)+(31​)6=72960+12+1​=72973​。
k=4 時剛好是 3400 元,「至少」包含等號。

04填充 5~8(第 9~12 題):列分布求期望值與標準差、二項分布

第 9 題第 1 次:箱中 2 黑 1 白,取到白球的機率 31​,就停,X=1。取到黑球(機率 32​)後補 1 顆白球,箱中變成 1 黑 2 白;第 2 次取到白球的機率 32​,X=2;再取到黑球(機率 31​)後箱中是 3 顆白球,第 3 次一定是白球,X=3。 XP​131​​232​×32​=94​​332​×31​=92​​​ E(X)=1×93​+2×94​+3×92​=917​。
黑球只有 2 顆且取出後不放回,所以最多取 3 次。
第 10 題4 枚取 2 枚共 C24​=6 種:兩枚 1 元(1 種)得 2 元,一枚 1 元一枚 5 元(2×2=4 種)得 6 元,兩枚 5 元(1 種)得 10 元。 XP​261​​664​​1061​​​ μ=62+24+10​=6;Var(X)=(2−6)2×61​+0+(10−6)2×61​=316​,σ=3​4​=343​​。所以 (μ,σ)=(6,343​​)。
第 11 題兩顆骰子點數和大於 9:和為 10 有 3 種、11 有 2 種、12 有 1 種,機率 366​=61​。X 服從二項分布(n=36、p=61​),E(X)=36×61​=6,Var(X)=36×61​×65​=5。E(Y)=E(X2)=Var(X)+(E(X))2=5+36=41。
E(X2) 不是 (E(X))2=36;要把變異數加回去。
第 12 題每次取到白球的機率 32​,X 服從二項分布(n=6、p=32​)。μ=6×32​=4,σ2=6×32​×31​=34​,σ=323​​≈1.15,2σ≈2.31。範圍是 1.69≤X≤6.31,即 X=2,3,4,5,6。所求 =1−P(X=0)−P(X=1)=1−(31​)6−C16​(32​)(31​)5=1−7291+12​=729716​。
X 只取整數,先把區間換成整數範圍,再用「1 減去不在範圍內的」比較省事。
看到「重複做 n 次、每次成功機率相同且互相獨立」就是二項分布:期望值 np、變異數 np(1−p) 可以直接用,不必重列分布。

05填充 9~12(第 13~16 題):幾何分布、期望值與變異數的運算

第 13 題一輪中 3 枚硬幣共 23=8 種結果,只有「全正」「全反」2 種選不出人,所以一輪選出人的機率 p=86​=43​。所需輪數服從幾何分布,μ=p1​=34​,變異數 p21−p​=169​41​​=94​,σ=32​。所以 (μ,σ)=(34​,32​)。
題目問的是標準差,變異數 94​ 要再開根號。
第 14 題每本書有 3 種放法,共 35=243 種。空抽屜個數 X 可能是 0,1,2。X=2:5 本全在同一個抽屜,3 種。X=1:先選哪一個抽屜空(3 種),5 本放進另外兩個抽屜且兩個都不空,25−2=30 種,共 90 種。X=0:243−3−90=150 種。 XP​0243150​​124390​​22433​​​ E(X)=24390+2×3​=24396​=8132​。
驗算:某一個指定的抽屜是空的機率為 (32​)5=24332​,三個抽屜合計 3×24332​=8132​,與上面相同。
第 15 題由 E(3X+1)=3E(X)+1=10 得 E(X)=3。由 E((X+2)2)=E(X2)+4E(X)+4=100 得 E(X2)=100−12−4=84。Var(X)=E(X2)−(E(X))2=84−9=75,所以 Var(3X+4)=32×75=675。
第 16 題設一次取卡出現「數字差為 m」的機率為 p,則直到第 3 次才出現的機率是 (1−p)2p。兩箱各取一張共 16 種:差為 0 有 4 種、差為 1 有 6 種、差為 2 有 4 種、差為 3 有 2 種。 mp(1−p)2p​041​649​​183​51275​​241​649​​381​51249​​​ 等於 649​ 的是 m=0 或 m=2。
差為 0(兩張相同)也算一種情形,兩個答案都要寫。

06填充 13、14(第 17、18 題):把位置換成正面次數

第 17 題設 7 次中正面 k 次、反面 7−k 次,棋子停在 k(−1,2)+(7−k)(1,0)=(7−2k,2k);不同的 k 對應不同的點,所以只要找機率最大的 k。k 服從二項分布(n=7、p=32​),P(k)=Ck7​(32​)k(31​)7−k=37Ck7​2k​。比較分子 Ck7​2k: kCk7​2k​01​114​284​3280​​ kCk7​2k​4560​5672​6448​7128​​ 最大在 k=5,棋子停在 (7−10,10)=(−3,10)。
也可比較相鄰兩項:P(k)P(k+1)​=k+12(7−k)​,在 k≤4 時大於 1、k≥5 時小於 1,所以 P(5) 最大。
第 18 題設 6 次中正面 k 次、反面 6−k 次,棋子從「12」順時針走了 5k−5(6−k)=10k−30 個鐘點,再除以 12 取餘數定位置(餘 0 就是「12」)。k 服從二項分布(n=6、p=21​),P(k)=64Ck6​​。 k10k−30XP​0−306641​​1−204646​​2−1026415​​30126420​​​ k10k−30XP​410106415​​5208646​​6306641​​​ E(X)=646+24+30+240+150+48+6​=64504​=863​。
k=3 時棋子回到起點,位置是 12 不是 0;這一項占 240,漏掉答案會差很多。
移動的結果只跟正面出現幾次有關、跟順序無關,所以先用正面次數 k 表示位置,再套二項分布的機率。

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多選第 4 題(本頁第 4 題)比賽只可能在第 2、4、5 局結束,第 5 局不必再分誰多贏;填充第 2 題(第 6 題)要先確認輪到第 5 位時獎品還沒發完;填充第 12 題(第 16 題)數字差為 0 也符合,答案有兩個;填充第 14 題(第 18 題)要把走的格數換成鐘面位置,回到起點時是 12 不是 0。詳解逐題寫在本頁。

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