設 $A(\sqrt{2}, 2, 0)$,$B(-\sqrt{2}, 2, 0)$,$C(-\sqrt{2}, -2, 0)$,$D(\sqrt{2}, -2, 0)$ 為一正立方體的四個頂點,則下列哪些點也為此正立方體的頂點?
解析圖:正立方體三維坐標示意圖
- $(\sqrt{2},0,2)$
- $(0,2,2)$
- $(2,2,4)$
- $(2,2,2\sqrt{2})$
- $(-\sqrt{2},0,-2)$
詳解
已知四點 $A(\sqrt{2}, 2, 0)$、$B(-\sqrt{2}, 2, 0)$、$C(-\sqrt{2}, -2, 0)$、$D(\sqrt{2}, -2, 0)$ 均在 $xy$ 平面(即 $z=0$)上。
我們計算這四點所構成的四邊形各邊長度:
$$AB = \sqrt{(-\sqrt{2}-\sqrt{2})^2 + (2-2)^2} = 2\sqrt{2}$$
$$CD = \sqrt{(\sqrt{2}-(-\sqrt{2}))^2 + (-2-(-2))^2} = 2\sqrt{2}$$
$$AD = \sqrt{(\sqrt{2}-\sqrt{2})^2 + (-2-2)^2} = 4$$
$$BC = \sqrt{(-\sqrt{2}-(-\sqrt{2}))^2 + (-2-2)^2} = 4$$
對角線長度為:
$$AC = \sqrt{(-\sqrt{2}-\sqrt{2})^2 + (-2-2)^2} = \sqrt{8 + 16} = 2\sqrt{6}$$
因為 $AB = CD = 2\sqrt{2}$,且 $AD = BC = 4$,所以在 $xy$ 平面上的 $ABCD$ 是一個長為 $4$、寬為 $2\sqrt{2}$ 的矩形。
在正立方體中,此矩形必為一個對角剖面(其邊長關係為 $a$ 與 $a\sqrt{2}$)。
因此,正立方體的棱長為 $a = 2\sqrt{2}$,對角線長為 $a\sqrt{2} = 4$。
因為正立方體的中心在原點 $(0,0,0)$,且對角剖面 $ABCD$ 在 $xy$ 平面上。依空間對稱性,正立方體的其餘四個頂點 $E, F, G, H$ 到 $xy$ 平面的距離應為 $2$(即 $z$ 坐標為 $\pm 2$),且其投影點落在對角剖面的對稱軸上。
因此其餘四個頂點的坐標為:
$$E(\sqrt{2}, 0, 2),\ F(-\sqrt{2}, 0, 2),\ G(\sqrt{2}, 0, -2),\ H(-\sqrt{2}, 0, -2)$$
我們驗證 $AE$ 的邊長是否為 $2\sqrt{2}$:
$$AE = \sqrt{(\sqrt{2}-\sqrt{2})^2 + (2-0)^2 + (0-2)^2} = \sqrt{0 + 4 + 4} = 2\sqrt{2}$$
符合正立方體的邊長要求。
對照選項,可知 $(\sqrt{2}, 0, 2)$ 與 $(-\sqrt{2}, 0, -2)$ 均為此正立方體的頂點。
故答案為選項 $(1)(5)$。
題目來源:民國87年大學聯考數學科試題(自然組) 第6題(來源PDF第7頁)
資料版本:2026-07-04(commit 790505b5)
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