御藍教育/段考卷/高三

段考詳解範圍:數列的極限、無窮級數、函數、函數的極限、連續函數與勘根定理

武陵高中 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 17 題,照原卷順序

多重選擇題 3 題(每題全對得 8 分,錯一個選項得 5 分,錯二個選項得 2 分)、填充題 11 格(答對 1~11 格依序得 7、14、20、26、32、38、44、50、54、58、61 分)、計算證明題共 15 分。原卷各大題各自從 1 編號,本頁全卷連續編號。答案已與學校公布的答案逐題核對。

一.多重選擇題(每題全對得 8 分,錯一個選項得 5 分,錯二個選項得 2 分)
1
下列無窮級數,哪些恆為收斂級數?
  1. (1) 1+21​+31​+⋯+n1​+⋯
  2. (2) 1−21​+41​−81​+⋯+(−21​)n−1+⋯
  3. (3) 1−2+4−8+⋯+(−2)n−1+⋯
  4. (4) 5+45−4​+52+4252−42​+53+4353−43​+⋯+5n+4n5n−4n​+⋯
  5. (5) (a1​−a2​)+(a2​−a3​)+(a3​−a4​)+⋯+(an​−an+1​)+⋯
2
下列無窮數列,哪些為收斂數列?
  1. (1) ⟨(−2)n(43​)n+3⟩
  2. (2) ⟨2025n2−5n+1000.001n3​⟩
  3. (3) ⟨(−0.999)n⟩
  4. (4) ⟨20252025(n+1)−20.00001(n−1)−3​⟩(照卷面;n=1 時此式無定義,見詳解)
  5. (5) ⟨(3.14)n−9πn​⟩
3
下列選項哪些是正確的?
  1. (1) 若無窮數列 ⟨an​+bn​⟩、⟨an​⟩ 都收斂,則無窮數列 ⟨bn​⟩ 也收斂
  2. (2) 若無窮數列 ⟨an​⟩ 發散,則無窮數列 ⟨an2​⟩ 也發散
  3. (3) 設 n→∞lim​an​=α,n→∞lim​bn​=β,若 an​<bn​,則 α≤β
  4. (4) 設三無窮數列 ⟨an​⟩,⟨bn​⟩,⟨cn​⟩ 滿足 an​≤cn​≤bn​,若 ⟨an​⟩,⟨bn​⟩ 都收斂,則 ⟨cn​⟩ 也收斂
  5. (5) 設 a,b 為兩實數 a<b 且 f(x) 是在開區間 (a,b) 上的連續函數,若 f(a)×f(b)<0,則至少有一實數 c 滿足 a<c<b 且 f(c)=0
二.填充題
填充題第 1 題(本頁第 4~7 題)(第 4~7 題) 試求下列的極限值:(若不存在,則答案請填“不存在”)
4
(1) x→0lim​xx2+1​−x+1​​= ____。
5
(2) x→2lim​[x−[x]]= ____。(兩個[ ]皆為高斯符號)
6
(3) n→∞lim​(n21​+n22​+n23​+⋯+n2n​)= ____。
7
(4) n→∞lim​n(−1)n​= ____。
8
求無窮級數 n=1∑∞​5(−nlog5​7) 的和為 ____。
9
實函數 f(x)=log(2−x)2x−1​​ 的定義域為 ____。(要用集合表示)
10
設函數 f(x)=⎩⎨⎧​2x−5,ax−1,bx+11,​當 x<−1當 −1≤x<2當 x≥2​,若 f(x) 在所有實數 R 上每一點皆連續,試求 f(f(1))= ____。
11
若已知無窮級數 1a​+1+2a​+1+2+3a​+⋯+1+2+⋯+na​+⋯ 的和為 10000,則常數 a= ____。
12
設 a,b,c 為非零實數,極限值 x→2lim​x−2ax3+bx+c​=k 與 x→(−3)lim​x+3ax2+bx+c​=t 均存在,試求 ba+c+k+t​= ____。
13
已知自然常數 e=n→∞lim​(1+n1​)n,試求 n→∞lim​(n+3n+1​)n= ____。(用 e 表示)
14
令多項式 4(x+1)n+1 除以 (3x−2)n 所得的餘式為多項式 rn​(x),試求 n→∞lim​3(−4)n+1+3n−2(−2)n×rn​(1)−rn​(0)​= ____。
三.計算證明題(共 15 分)
15
設 f(x)=x5+x2+x+1,g(x)=3x3+x2+8,試證明:在 1<x<2 的範圍內,存在實數 k 使得 f(k)=g(k)。(5 分)
計算證明題第 2 題(本頁第 16~17 題)(第 16~17 題) 
16
(1) 證明:n2≤2n 對所有正整數 n≥4 均成立。(5 分)
17
(2) 試求極限 n→∞lim​2nn​。(5 分)
02 · 答案

答案一覽,先對再看詳解

第 1 題(2)
第 2 題(3)(4)
第 3 題(1)(3)
第 4 題−21​
第 5 題0
第 6 題21​
第 7 題0
第 8 題61​
第 9 題{x∣21​≤x<2, x=1, x∈R}
第 10 題11
第 11 題5000
第 12 題−5
第 13 題e21​
第 14 題−32​
第 15 題證明見詳解(令 h(x)=f(x)−g(x),用勘根定理)
第 16 題證明見詳解(數學歸納法)
第 17 題0
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:哪些無窮級數恆收斂

第 1 題答案 (2)。 (1) 錯誤。 把各項分組:31​+41​>21​,51​+61​+71​+81​>21​,之後每一組(項數依序是 8,16,…)的和也都大於 21​。部分和可以超過任何數,級數發散。 (2) 正確。 這是首項 1、公比 −21​ 的無窮等比級數,公比的絕對值小於 1,收斂,和為 1+21​1​=32​。 (3) 錯誤。 公比為 −2,絕對值不小於 1,等比級數發散。 (4) 錯誤。 一般項的分子分母同除以 5n,得 1+(54​)n1−(54​)n​,它趨近 1 而不是 0,所以級數發散。 (5) 錯誤。 前 n 項的和是 a1​−an+1​,要看 ⟨an​⟩ 收不收斂。例如 an​=n 時每一項都是 −1,級數發散;所以不是恆收斂。
(1) 的一般項 n1​ 趨近 0,級數卻發散:一般項趨近 0 只是級數收斂的必要條件。(5) 在 ⟨an​⟩ 收斂時才收斂,和為 a1​−n→∞lim​an​。

02多選 2:哪些無窮數列收斂

第 2 題答案 (3)(4)。 (1) 錯誤。 (−2)n(43​)n+3=(43​)3(−23​)n,公比 −23​ 的絕對值大於 1,發散。 (2) 錯誤。 分子是三次、分母是二次。分子分母同除以 n2,得 2025−n5​+n2100​0.001n​,分母趨近 2025,分子沒有上界,發散。係數再小也不影響。 (3) 正確。 公比 −0.999 的絕對值小於 1,數列收斂到 0。 (4) 正確。 負指數搬到另一邊:20252025(n+1)−20.00001(n−1)−3​=20252025(n−1)30.00001(n+1)2​,分子二次、分母三次,收斂到 0。 (5) 錯誤。 (3.14)n−9πn​=(3.14)9(3.14π​)n,而 π=3.14159…>3.14,公比大於 1,發散。
(4) 的式子在 n=1 時出現 0−3,沒有定義;收斂與否只看 n 很大時的情形,從第 2 項起看即可,學校公布的答案也含 (4)。(5) 的公比 3.14π​≈1.0005,只比 1 大一點點,但只要大於 1 就發散。

03多選 3:極限的性質與勘根定理的條件

第 3 題答案 (1)(3)。 (1) 正確。 bn​=(an​+bn​)−an​,兩個收斂數列相減仍收斂。 (2) 錯誤。 取 an​=(−1)n,它發散;但 an2​=1 是常數數列,收斂。 (3) 正確。 假如 α>β,當 n 夠大時 an​ 很接近 α、bn​ 很接近 β,就會有 an​>bn​,與條件矛盾。所以 α≤β。 (4) 錯誤。 取 an​=−1、bn​=1、cn​=(−1)n,條件都成立,但 ⟨cn​⟩ 發散。夾擠定理還需要 ⟨an​⟩ 與 ⟨bn​⟩ 的極限相等。 (5) 錯誤。 勘根定理要求 f(x) 在閉區間 [a,b] 上連續。只在開區間連續時,端點的函數值可以與區間內的值無關。例如當 a<x≤b 時 f(x)=1,而 f(a)=−1:它在 (a,b) 上連續,f(a)×f(b)=−1<0,但在 a 與 b 之間沒有任何 c 使 f(c)=0。
(3) 的結論不能改成 α<β:an​=0、bn​=n1​ 時 an​<bn​ 恆成立,兩個極限卻都是 0。

04填充第 1 題 (1)~(4)(本頁 4~7):基本的極限計算

第 4 題直接代 x=0 會得到 00​,先把分子有理化。分子分母同乘 x2+1​+x+1​: xx2+1​−x+1​​=x(x2+1​+x+1​)(x2+1)−(x+1)​=x2+1​+x+1​x−1​ (x=0)。x→0 時分子趨近 −1、分母趨近 2,極限為 −21​。
第 5 題對任何實數 x,x−[x] 是 x 的小數部分,恆有 0≤x−[x]<1,所以外層的高斯符號值恆為 0。函數 [x−[x]] 是常數函數 0,極限為 0。
如果只看內層:x 從右邊接近 2 時 x−[x] 趨近 0,從左邊接近 2 時趨近 1(但始終小於 1),內層的極限不存在;再取一次高斯符號後兩邊都是 0,極限就存在了。
第 6 題括號裡的項數隨 n 增加,不能逐項取極限,要先加起來。分子的和是 1+2+⋯+n=2n(n+1)​,所以括號內等於 2n2n(n+1)​=2nn+1​,極限為 21​。
若逐項取極限,每一項都趨近 0,會誤以為答案是 0。極限的加法性質只能用在固定個數的數列相加。
第 7 題−n1​≤n(−1)n​≤n1​,而 n→∞lim​(−n1​)=n→∞lim​n1​=0,由夾擠定理得極限為 0。

05填充第 2~5 題(本頁 8~11):等比級數、定義域、連續、分項對消

第 8 題5−nlog5​7=(5log5​7)−n=7−n=(71​)n。所以這是首項 71​、公比 71​ 的無窮等比級數,公比的絕對值小於 1,和為 1−71​71​​=61​。
第 9 題三個條件要同時成立。根號內不可為負:2x−1≥0,即 x≥21​。對數的真數為正:2−x>0,即 x<2。分母不為 0:log(2−x)=0,即 2−x=1,x=1。 定義域為 {x∣21​≤x<2, x=1, x∈R}。
最容易漏掉的是分母 log(2−x)=0 這個條件。
第 10 題三段各自都是一次函數,只要看兩個接點。 在 x=−1:左極限為 2(−1)−5=−7,f(−1)=−a−1,所以 −a−1=−7,a=6。 在 x=2:左極限為 2a−1=11,f(2)=2b+11,所以 2b+11=11,b=0。 於是 f(1)=6⋅1−1=5;而 5≥2,用第三段,f(5)=0⋅5+11=11。故 f(f(1))=11。
算 f(5) 時要先看 5 落在哪一段。
第 11 題分母 1+2+⋯+n=2n(n+1)​,所以一般項是 n(n+1)2a​=2a(n1​−n+11​)。前 n 項的和中間各項對消,剩下 2a(1−n+11​),n→∞ 時趨近 2a。由 2a=10000 得 a=5000。

06填充第 6 題(本頁 12):兩個極限都存在

第 12 題x→2 時分母 x−2 趨近 0,極限存在則分子也要趨近 0:8a+2b+c=0。同理 x→−3 時 9a−3b+c=0。兩式相減得 a−5b=0,即 a=5b;代回得 c=−8a−2b=−42b。 求 k:c=−8a−2b 時,ax3+bx+c=a(x3−8)+b(x−2)=(x−2)[a(x2+2x+4)+b],約去 x−2 後代入 x=2,k=12a+b=61b。 求 t:c=−9a+3b 時,ax2+bx+c=a(x2−9)+b(x+3)=(x+3)[a(x−3)+b],約去 x+3 後代入 x=−3,t=−6a+b=−29b。 所以 ba+c+k+t​=b5b−42b+61b−29b​=b−5b​=−5。
a,b,c 三個數定不出來,只能定出比例 a:b:c=5:1:(−42);所求的式子分子分母都是 b 的倍數,約掉後才是定值。

07填充第 7 題(本頁 13):e 的極限

第 13 題(n+3n+1​)n=(n+1n+3​)n1​,先求分母的極限。把 n+1n+3​ 拆成兩個分式相乘: n+1n+3​=n+2n+3​⋅n+1n+2​=(1+n+21​)(1+n+11​) 對 j=1,2,(1+n+j1​)n=(1+n+j1​)n+j÷(1+n+j1​)j;n→∞ 時,被除的那一項由題目給的極限趨近 e,除的那一項趨近 1,所以它趨近 e。 兩個因式各自的 n 次方都趨近 e,分母趨近 e2,所求極限為 e21​。
常見的寫法是令 m=2n+1​,把 n+1n+3​ 寫成 1+m1​ 再湊出 [(1+m1​)m]2。這裡的 m 不一定是整數,那樣寫等於多用了「x 取實數趨向無限大時 (1+x1​)x 也趨近 e」這件事;答案相同,上面的拆法則只用到題目給的式子。

08填充第 8 題(本頁 14):先用二項式定理求餘式

第 14 題令 u=3x−2,則 x+1=3u+5​,被除式為 3n+14​(u+5)n+1。由二項式定理, (u+5)n+1=un+1+5(n+1)un+(u 的次數低於 n 的各項) 前兩項都是 un=(3x−2)n 的倍式,其餘各項次數低於 n,正是餘式: rn​(x)=3n+14​[(u+5)n+1−un+1−5(n+1)un] x=1 時 u=1:rn​(1)=3n+14​[6n+1−1−5(n+1)]=4⋅2n+1−3n+14(5n+6)​。 x=0 時 u=−2:rn​(0)=3n+14​[3n+1−(−2)n+1−5(n+1)(−2)n]=4−3n+14(5n+3)(−2)n​。 分子:(−2)n⋅4⋅2n+1=8(−4)n,而含 n 的兩項合併為 3n+14(−2)n[(5n+3)−(5n+6)]​=−4(−32​)n 所以 (−2)n×rn​(1)−rn​(0)=8(−4)n−4−4(−32​)n 分母:3(−4)n+1+3n−2=−12(−4)n+93n​。 分子分母同除以 (−4)n:分子成為 8−(−4)n4​−4(61​)n,趨近 8;分母成為 −12+91​(−43​)n,趨近 −12。所求極限為 −128​=−32​。
被除式是 n+1 次、除式是 n 次,商是一次式,所以展開式要拿掉最高的兩項而不是一項。用 n=1 檢查:4(x+1)2 除以 3x−2 的餘式是 4(35​)2=9100​,公式給 r1​(1)=16−944​=9100​,相符。

09計算證明題第 1 題(本頁 15):勘根定理

第 15 題令 h(x)=f(x)−g(x)=(x5+x2+x+1)−(3x3+x2+8)=x5−3x3+x−7。 h(x) 是多項式函數,在閉區間 [1,2] 上連續。 h(1)=1−3+1−7=−8<0,h(2)=32−24+2−7=3>0,所以 h(1)×h(2)<0。 由勘根定理,在 1<x<2 的範圍內存在實數 k 使得 h(k)=0,即 f(k)=g(k)。
學校的給分標準:算出 h(1)×h(2)<0 得 2 分,寫出 h(x) 在 [1,2] 連續得 2 分,結論 1 分。「連續」這句話不能省。

10計算證明題第 2 題(本頁 16~17):數學歸納法與夾擠定理

第 16 題用數學歸納法。 一、n=4 時,42=16=24,原式成立。 二、設 n=k(k≥4)時成立,即 k2≤2k。則 n=k+1 時,2k+1=2⋅2k≥2k2。 又 2k2−(k+1)2=k2−2k−1=(k−1)2−2,因為 k≥4,(k−1)2−2≥7>0,所以 2k2≥(k+1)2。 於是 2k+1≥(k+1)2,n=k+1 時原式也成立。 由數學歸納法,n2≤2n 對所有正整數 n≥4 均成立。
起點是 n=4 而不是 n=1:n=3 時 9>8,不等式不成立。
第 17 題由 (1),當 n≥4 時 2n≥n2,所以 0≤2nn​≤n2n​=n1​。 而 n→∞lim​0=0=n→∞lim​n1​,由夾擠定理得 n→∞lim​2nn​=0。
不等式只在 n≥4 時成立沒有關係,極限只看 n 很大時的情形。

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多選第 3 題選項 (5) 只說在開區間連續,勘根定理要的是閉區間連續,選項 (4) 少了兩端極限相等的條件;第 5 題兩層高斯符號,內層的極限不存在,整個式子卻恆為 0;第 9 題定義域容易漏掉對數在分母不可為 0;第 14 題要先用二項式定理拿掉最高的兩項求出餘式,計算量最大。

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