御藍教育/段考卷/高三

段考詳解範圍:極限與函數(數列的極限、無窮等比級數、函數的定義域與值域、奇偶函數、合成函數與反函數、函數的極限、連續函數與中間值定理)

臺東高中 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 24 題,照原卷順序

多重選擇題 3 題(每題 5 分,共 15 分)、填充題 20 格(答對 1~20 格依序得 10、18、24、30、36、42、47、52、57、60、62、64、66、68、70、72、74、76、78、80 分)、計算證明題 1 題(5 分),合計 100 分。題號對照:本頁第 4~13 題為原卷填充第 1 題的 (1)~(10),第 14~23 題為原卷填充第 2~11 題,第 24 題為計算證明題。答案已與學校公布的答案逐題核對,全部一致。

一、多重選擇題(每題 5 分,共 15 分;錯 1 個選項扣 2 分,扣至 0 分為止。)
1
選出正確的敘述。
  1. (1) 無窮數列 ⟨n820251016​⟩ 是發散數列
  2. (2) 無窮數列 ⟨(1+n1​)n⟩ 是一個收斂數列
  3. (3) 若無窮等比數列 ⟨an​⟩ 為收斂數列,則 k=1∑∞​ak​ 為收斂級數
  4. (4) 已知無窮數列 ⟨an​⟩、⟨bn​⟩ 均為發散數列,則數列 ⟨an​−bn​⟩ 也是發散數列
  5. (5) 已知對於每個正整數 n,數列 ⟨an​⟩ 均滿足 3−n1​≤an​≤3+n2​,則 n→∞lim​an​=3
2
選出正確的敘述。
  1. (1) 函數 f(x)=x2−4​1​ 的定義域為所有實數的集合
  2. (2) 函數 f(x)=2x 是一對一函數
  3. (3) 函數 f(x)=log2​x 的反函數是 f−1(x)=2x
  4. (4) 函數 f(x)=cos2x−sin2x 是偶函數。
  5. (5) 設函數 f(x) 是奇函數,則 (f⋅f)(x) 是偶函數
3
設函數 f(x)={2x2−1,2x+3,​x≥1,x<1,​ 則下列哪些選項是正確的?
  1. (1) f(1)=1
  2. (2) x→1+lim​f(x)=1
  3. (3) x→1−lim​f(x)=f(1)
  4. (4) x→1lim​f(x)=f(1)
  5. (5) x→0lim​f(x)=3
二、填充題:配分如表格,共 80 分
填充第 1 題(第 4~13 題) 計算下列各式之值:
4
(1) n→∞lim​(−10)= ____;
5
(2) n→∞lim​(0.16)n= ____;
6
(3) n→∞lim​n3−2n2+14n3−5n+2​= ____;
7
(4) n→∞lim​3n+2+7n4n+1+3×7n​= ____;
8
(5) 1−21​+41​−81​+⋯+(21​)n−1+⋯= ____;(一般項照卷面原樣;依前四項正負相間,公比是 −21​,一般項應為 (−21​)n−1)
9
(6) n=1∑∞​(2n1​−5n3​)= ____;
10
(7) x→πlim​[x]= ____;
11
(8) x→0lim​(10x+16)= ____;
12
(9) x→2lim​x2−7x+10x2−9x+14​= ____
13
(10) x→2lim​x−2x∣x∣−4​= ____。
14
k=1∑10​k(k+2)= ____。
15
已知 k=1∑20​ak​=12,k=1∑20​bk​=10,試求 k=1∑20​(5ak​−bk​+5)= ____。
16
設一無窮等比級數的首項為 3,此級數各項平方和為 12,則此級數的和為 ____。
17
已知無窮等比數列 ⟨(7x−5)n⟩ 為收斂數列,則 x 的範圍為 ____。
18
設 f(x)=x+12x+4​,則 (f∘f)(1)= ____。
19
若 n→∞lim​7n2−4n+9an3+bn2−5​=2,則 a+b= ____。
20
函數 f(x)=−x2+6x​,則 f(x) 的值域為 ____。
21
設函數 f(x)=⎩⎨⎧​x2−17x−1​−x−13​,a,​x>1x≤1​ 在點 x=1 處連續,則 a= ____。
22
設 f(x) 為三次多項式,若 x→1lim​x−1f(x)​=14,x→−1lim​x+1f(x)​=6,則 f(0)= ____。
23
如下圖,△ABC 中,∠A=30∘,∠B=90∘,BC=1,其中 S1​,S2​,S3​,⋯ 為內接正方形,求所有正方形 S1​,S2​,S3​,⋯ 周長的總和為 ____。(下圖為本站重畫的示意圖,不照實際比例)
載入中...
三、計算證明題 (共 5 分) 請詳細列出理由,不完整者酌予扣分。
24
設 f(x)=(x−3)16(x−5)16+4x,試證明:存在一個實數 c,使得 f(c)=15。
02 · 答案

答案一覽,先對再看詳解

第 1 題(2)(5)
第 2 題(2)(3)(4)(5)
第 3 題(1)(2)(5)
第 4 題−10
第 5 題0
第 6 題4
第 7 題3
第 8 題32​
第 9 題41​
第 10 題3
第 11 題16
第 12 題35​
第 13 題4
第 14 題495
第 15 題150
第 16 題6 或 2
第 17 題74​<x≤76​,但 x=75​
第 18 題25​
第 19 題14
第 20 題{y∣0≤y≤3, y∈R}
第 21 題2
第 22 題−2
第 23 題43​
第 24 題f(3)=12<15<20=f(5),由中間值定理,3 與 5 之間存在實數 c 使 f(c)=15(完整證明見詳解)
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 1~3:收斂與發散、函數的基本性質、分段函數的極限

第 1 題答案 (2)(5)。 (1) 錯誤。 分子是定值,分母 n8 愈來愈大,n820251016​ 趨近 0,是收斂數列。 (2) 正確。 課本從連續複利介紹過這個數列:n 愈大,(1+n1​)n 愈大,但永遠小於 3,它會趨近一個定值 e≈2.718,是收斂數列。 (3) 錯誤。 等比數列收斂的條件是公比 r 滿足 −1<r≤1,等比級數收斂的條件是 −1<r<1,差在 r=1。反例:an​=1 是公比為 1 的等比數列,收斂到 1;但前 n 項的和是 n,愈來愈大,級數發散。 (4) 錯誤。 反例:an​=n、bn​=n 都發散,但 an​−bn​=0,是收斂數列。 (5) 正確。 n→∞lim​(3−n1​)=3,n→∞lim​(3+n2​)=3,an​ 夾在兩者之間,由夾擠定理得 n→∞lim​an​=3。
(2) 用計算機算幾項:n=1 時是 2,n=10 時約 2.594,n=1000 時約 2.717。
第 2 題答案 (2)(3)(4)(5)。 (1) 錯誤。 根號在分母,需要 x2−4>0,也就是 x>2 或 x<−2,定義域不是全體實數。 (2) 正確。 2x 是嚴格遞增函數,x1​=x2​ 時 2x1​=2x2​,是一對一函數。 (3) 正確。 令 y=log2​x,則 x=2y;把 x、y 對調得 y=2x,所以 f−1(x)=2x。 (4) 正確。 f(−x)=cos2(−x)−sin2(−x)=cos2x−(−sinx)2=cos2x−sin2x=f(x)。 (5) 正確。 (f⋅f)(x) 是兩個函數相乘,(f⋅f)(x)=f(x)⋅f(x)。f 是奇函數,f(−x)=−f(x),所以 (f⋅f)(−x)=(−f(x))(−f(x))=f(x)⋅f(x)=(f⋅f)(x),是偶函數。
(5) 卷面印的是乘號的點,不是合成的圈。若是合成 f∘f,則 f(f(−x))=f(−f(x))=−f(f(x)),會是奇函數,結論相反。
第 3 題答案 (1)(2)(5)。 (1) 正確。 x=1 屬於 x≥1 這一段,f(1)=2⋅12−1=1。 (2) 正確。 從右邊趨近 1 時用 2x2−1,x→1+lim​f(x)=2−1=1。 (3) 錯誤。 從左邊趨近 1 時用 2x+3,x→1−lim​f(x)=2+3=5,不等於 f(1)=1。 (4) 錯誤。 左極限是 5、右極限是 1,兩者不相等,x→1lim​f(x) 不存在。 (5) 正確。 x 在 0 附近時都屬於 x<1 這一段,x→0lim​f(x)=2⋅0+3=3。
收斂與發散的敘述,對的用運算性質或夾擠定理說明,錯的舉一個反例;分段函數在接點的極限,左右兩邊各用各的式子算。

02填充第 1 題 (1)~(6)(本頁第 4~9 題):數列的極限與無窮等比級數

第 4 題每一項都是 −10,數列 −10,−10,−10,⋯ 的極限就是 −10。
第 5 題這是公比 r=0.16 的等比數列,−1<r<1,所以 n→∞lim​(0.16)n=0。
第 6 題分子分母同除以最高次項 n3: n→∞lim​1−n2​+n31​4−n25​+n32​​=1−0+04−0+0​=4
第 7 題4n+1=4⋅4n,3n+2=9⋅3n。分子分母同除以底數最大的 7n: n→∞lim​9(73​)n+14(74​)n+3​=0+10+3​=3
(74​)n 與 (73​)n 的公比都在 −1 與 1 之間,極限都是 0。
第 8 題前四項 1, −21​, 41​, −81​ 後項除以前項都是 −21​,這是首項 1、公比 r=−21​ 的無窮等比級數。因為 −1<r<1,級數收斂,和為 1−(−21​)1​=23​1​=32​
卷面的一般項印作 (21​)n−1,少了負號;依列出的前四項,公比是 −21​。學校公布的答案也是 32​。
第 9 題兩個等比級數都收斂,可以分開算。 n=1∑∞​2n1​ 的首項 21​、公比 21​,和為 1−21​21​​=1。 n=1∑∞​5n3​ 的首項 53​、公比 51​,和為 1−51​53​​=43​。 所求 =1−43​=41​。
求和從 n=1 開始,首項是 21​ 與 53​,不是 1 與 3。
多項式型同除以最高次項,指數型同除以底數最大的那一項;無窮等比級數先確認公比在負 1 與 1 之間,再用首項除以 1 減公比。

03填充第 1 題 (7)~(10)(本頁第 10~13 題):函數的極限

第 10 題[x] 是高斯符號,表示不超過 x 的最大整數。π≈3.14 落在 3 與 4 之間,x 在 π 附近(不論從左邊或右邊靠近)都有 3<x<4,此時 [x]=3,所以極限為 3。
高斯符號只有在整數點左右極限才不相等;π 不是整數,極限存在。
第 11 題10x+16 是多項式函數,直接代入:10⋅0+16=16。
第 12 題直接代入 x=2,分子分母都是 0,先因式分解: x2−7x+10x2−9x+14​=(x−2)(x−5)(x−2)(x−7)​=x−5x−7​(x=2) x→2 時趨近 2−52−7​=−3−5​=35​。
第 13 題x 在 2 附近時 x>0,∣x∣=x,所以 x∣x∣−4=x2−4=(x−2)(x+2)。 x→2lim​x−2(x−2)(x+2)​=x→2lim​(x+2)=4
代入後分子分母都是 0,就因式分解約去公因式再代入;有絕對值或高斯符號,先看 x 在那一點附近落在哪個範圍,把符號拿掉。

04填充第 2~5 題(本頁第 14~17 題):求和符號、無窮等比級數、等比數列的收斂條件

第 14 題k(k+2)=k2+2k,分開求和: k=1∑10​k2=610⋅11⋅21​=385,k=1∑10​2k=2⋅210⋅11​=110。 所求 =385+110=495。
第 15 題k=1∑20​(5ak​−bk​+5)=5k=1∑20​ak​−k=1∑20​bk​+k=1∑20​5=5⋅12−10+5⋅20=150
常數 5 加了 20 次,是 100,不是 5。
第 16 題設公比為 r,級數 3+3r+3r2+⋯ 收斂,所以 −1<r<1。各項平方是 9, 9r2, 9r4,⋯,是首項 9、公比 r2 的無窮等比級數,和為 1−r29​=12 得 1−r2=43​,r2=41​,r=21​ 或 r=−21​,兩個都在 −1 與 1 之間。 r=21​ 時,級數的和為 1−21​3​=6; r=−21​ 時,級數的和為 1+21​3​=2。 所以級數的和為 6 或 2。
r2=41​ 有正負兩個解,兩個都要算。
第 17 題這是首項與公比都是 7x−5 的等比數列。等比數列 ⟨rn⟩ 收斂的條件是 −1<r≤1: −1<7x−5≤1 各加 5 得 4<7x≤6,所以 74​<x≤76​。 另外,等比數列的每一項都不能是 0(公比是後項除以前項),所以 7x−5=0,x=75​。 答:74​<x≤76​,但 x=75​。
題目問的是數列收斂,公比等於 1 要包含(每一項都是 1,收斂到 1);如果問的是級數收斂,條件才是 −1<r<1。
等比數列收斂的公比範圍比等比級數多一個 1;各項平方後仍是等比級數,公比變成原公比的平方。

05填充第 6~10 題(本頁第 18~22 題):合成函數、值域、連續與極限的反推

第 18 題(f∘f)(1)=f(f(1))。先算裡面:f(1)=1+12+4​=3。再算 f(3)=3+16+4​=410​=25​。
第 19 題分母最高是 n2。如果 a=0,分子是三次、比分母高一次,分式的絕對值會愈來愈大,極限不存在;極限是 2,所以 a=0。 此時分子分母同除以 n2: n→∞lim​7−n4​+n29​b−n25​​=7b​=2 得 b=14,a+b=14。
第 20 題根號內配方:−x2+6x=−(x−3)2+9。 根號內要大於或等於 0,所以 0≤x≤6;在這個範圍內,−(x−3)2+9 的最大值是 9(x=3 時),最小值是 0(x=0 或 x=6 時),而且 0 到 9 之間的值都取得到。 開根號後 0≤f(x)≤3,值域為 {y∣0≤y≤3, y∈R}。
第 21 題在 x=1 連續,需要左極限、右極限與 f(1) 三者相等。f(1)=a,左極限也是 a。 右極限:x>1 時先通分,x2−1=(x−1)(x+1), x2−17x−1​−x−13​=(x−1)(x+1)(7x−1)−3(x+1)​=(x−1)(x+1)4(x−1)​=x+14​ x→1+ 時趨近 24​=2。所以 a=2。
兩個分式在 x→1+ 時各自都沒有極限,要先合併、約掉 x−1 之後才能代入。
第 22 題x→1 時分母 x−1 趨近 0,極限卻存在,分子也要趨近 0:f(1)=0。同理 f(−1)=0。 所以 f(x) 有因式 (x−1)(x+1);f(x) 是三次,設 f(x)=(x−1)(x+1)(px+q)。 x→1lim​x−1f(x)​=x→1lim​(x+1)(px+q)=2(p+q)=14,得 p+q=7。 x→−1lim​x+1f(x)​=x→−1lim​(x−1)(px+q)=−2(−p+q)=6,得 −p+q=−3。 解得 p=5,q=2,f(x)=(x−1)(x+1)(5x+2)。 f(0)=(−1)(1)(2)=−2。
分母趨近 0 而極限存在,分子一定也趨近 0,由此找出因式;分段函數在接點連續,就是左極限、右極限與函數值三者相等。

06填充第 11 題與計算證明題(本頁第 23、24 題):內接正方形的等比關係、中間值定理

第 23 題∠A=30∘、BC=1,所以 AB=3​。 設 S1​ 的邊長為 a,它左上角的頂點 P 在 AC 上,P 正下方在 AB 上的點為 Q。則 PQ​=a,AQ​=3​−a。直角三角形 APQ 中 tan30∘=3​−aa​=3​1​ 得 3​a=3​−a,a=3​+13​​=23−3​​。 △APQ 與 △ACB 相似,對應邊的比是 PQ​:CB=a:1。S2​ 在 △APQ 裡的位置和 S1​ 在 △ACB 裡的位置一樣,所以 S2​ 的邊長是 S1​ 的 a 倍;以此類推,各正方形的邊長 a, a2, a3,⋯ 成等比,公比 a=23−3​​≈0.634,在 −1 與 1 之間。 邊長的總和為 1−aa​。由 1−a=3​+11​,得 1−aa​=3​+13​​⋅(3​+1)=3​ 每個正方形的周長是邊長的 4 倍,周長的總和為 43​。
邊長的總和正好等於 AB=3​:所有正方形的底邊一個接一個排在 AB 上,從 B 一路排到 A,剛好鋪滿。用這個看法可以直接得到答案。題目的圖是示意圖,不照實際比例。
第 24 題證明: f(x)=(x−3)16(x−5)16+4x 是多項式函數,所以在閉區間 [3,5] 上連續。 f(3)=016⋅(−2)16+12=12, f(5)=216⋅016+20=20。 因為 f(3)=12<15<20=f(5),由中間值定理,在 3 與 5 之間至少存在一個實數 c,使得 f(c)=15。得證。
證明要寫出三件事才完整:函數連續、兩個端點的函數值、15 介於這兩個值之間。選 3 與 5 是因為代入後十六次方那一項變成 0,不必展開。
反覆操作的圖形先找相鄰兩個的相似比,它就是公比;證明存在某個函數值,找兩個好算的點讓目標值夾在中間,再用中間值定理。

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填充第 5 題(本頁第 17 題):問的是等比數列收斂,公比等於 1 要包含,另外等比數列的項不能是 0,要排除 x 等於七分之五。填充第 4 題(本頁第 16 題):公比的平方是四分之一,正負兩個公比都符合,答案有兩個。多選第 1 題的選項 3:等比數列收斂時級數不一定收斂,差在公比等於 1。填充第 11 題(本頁第 23 題):先求第一個正方形的邊長,它同時也是相鄰正方形的邊長比。

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