85 指考數學乙 第 13 題
📅 85 年 📝 指考數學乙 第 13 題 題型:非選 課綱:99課綱
考慮空間中兩歪斜線 $L_1$ 與 $L_2$ 及一點 $A(a,a,a)$。令 $E_1$ 為過 $A$ 且包含直線 $L_1$ 的平面,$E_2$ 為過 $A$ 且包含直線 $L_2$ 的平面。 $$L_1: \frac{x-2}{1} = \frac{y+1}{2} = \frac{z}{1}$$ $$L_2: \frac{x-1}{1} = \frac{y-3}{2} = \frac{z+2}{-1}$$ (1) 設 $a=1$,則 $E_1$ 的方程式為何? (2) 試問 $a$ 為何值時,平面 $E_1$ 與 $E_2$ 互相垂直。
空間幾何平面方程式法向量外積空間向量與空間中的直線與平面
解題手法向量化〔AI 推測〕
答案

(1) $y-2z+1=0$;(2) $a=\dfrac{1 \pm \sqrt{17}}{4}$

非選擇題

詳解
(1) 當 $a=1$ 時,$A$ 點的坐標為 $A(1,1,1)$。 直線 $L_1$ 的方向向量為 $\overset{\large\rightharpoonup}{v}_1 = (1,2,1)$,直線 $L_1$ 上取一點 $B(2,-1,0)$。 向量 $\overset{\large\rightharpoonup}{AB} = (2-1, -1-1, 0-1) = (1,-2,-1)$。 平面 $E_1$ 的法向量 $\overset{\large\rightharpoonup}{n}_1$ 同時與 $\overset{\large\rightharpoonup}{v}_1$ 及 $\overset{\large\rightharpoonup}{AB}$ 垂直: $$\overset{\large\rightharpoonup}{n}_1 = \overset{\large\rightharpoonup}{AB} \times \overset{\large\rightharpoonup}{v}_1 = (1,-2,-1) \times (1,2,1) = \left( -2 - (-2), -1 - 1, 2 - (-2) \right) = (0,-2,4) \parallel (0,1,-2)$$ 由於平面 $E_1$ 過點 $A(1,1,1)$,故 $E_1$ 的方程式為: $$0 \cdot (x-1) + 1 \cdot (y-1) - 2 \cdot (z-1) = 0 \implies y-2z+1=0$$ (2) 對於任意實數 $a$,有 $A(a,a,a)$: - 考慮平面 $E_1$:過 $A(a,a,a)$ 且包含 $L_1$。在 $L_1$ 上取點 $B(2,-1,0)$,向量 $\overset{\large\rightharpoonup}{AB} = (2-a, -1-a, -a)$。法向量為: $$\overset{\large\rightharpoonup}{n}_1 = \overset{\large\rightharpoonup}{AB} \times \overset{\large\rightharpoonup}{v}_1 = (2-a, -1-a, -a) \times (1,2,1) = (a-1, -2, 5-a)$$ - 考慮平面 $E_2$:過 $A(a,a,a)$ 且包含 $L_2$。$L_2$ 的方向向量為 $\overset{\large\rightharpoonup}{v}_2 = (1,2,-1)$,在 $L_2$ 上取點 $C(1,3,-2)$,向量 $\overset{\large\rightharpoonup}{AC} = (1-a, 3-a, -2-a)$。法向量為: $$\overset{\large\rightharpoonup}{n}_2 = \overset{\large\rightharpoonup}{AC} \times \overset{\large\rightharpoonup}{v}_2 = (1-a, 3-a, -2-a) \times (1,2,-1) = (3a+1, -2a-1, -a-1)$$ - 若平面 $E_1$ 與 $E_2$ 互相垂直,其法向量必垂直,即 $\overset{\large\rightharpoonup}{n}_1 \cdot \overset{\large\rightharpoonup}{n}_2 = 0$: $$(a-1)(3a+1) + (-2)(-2a-1) + (5-a)(-a-1) = 0$$ $$(3a^2-2a-1) + (4a+2) + (a^2-4a-5) = 0 \implies 4a^2-2a-4 = 0 \implies 2a^2-a-2 = 0$$ 由一元二次方程式的求根公式,解得: $$a = \frac{1 \pm \sqrt{17}}{4}$$

題目來源:民國85年大學聯考數學科試題(社會組) 第13題(來源PDF第13頁)

資料版本:2026-07-04(commit 790505b5)

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