假設坐標空間中三相異平面 $E_1$、$E_2$、$E_3$ 皆通過 $(-1,2,0)$ 與 $(3,0,2)$ 兩點,試問以下哪些點也同時在此三平面上?
- $(2,2,2)$
- $(1,1,1)$
- $(4, -2, 2)$
- $(-2, 4, 0)$
- $(-5, -4, -2)$
詳解
設 $A(-1, 2, 0)$,$B(3, 0, 2)$。
三平面相異且皆通過 $A, B$ 兩點,因為兩相異平面的交線為一直線,且 $A, B$ 皆在其上,故此三平面之交線即為通過 $A, B$ 兩點的直線 $L$。
因此,任何同時在此三平面上的點,必定落在直線 $L$ 上。
我們寫出直線 $L$ 的參數式:
其方向向量可取 $\overset{\large\rightharpoonup}{v} = \overline{AB} = B - A = (4, -2, 2)$,可簡化為平行向量 $(2, -1, 1)$。
以 $A(-1,2,0)$ 為基準點,直線 $L$ 的參數式為:
$$\begin{cases} x = -1 + 2t \\ y = 2 - t \\ z = t \end{cases} \text{ } (t \in \mathbb{R})$$
我們利用各選項點的 $z$-坐標求出對應的 $t$,並驗算 $x, y$ 坐標是否符合:
- (1) 點 $(2,2,2)$:由 $z = 2 \implies t = 2$,此時 $x = -1 + 2(2) = 3 \ne 2$(不合)。
- (2) 點 $(1,1,1)$:由 $z = 1 \implies t = 1$,此時 $x = -1 + 2(1) = 1$ 且 $y = 2 - 1 = 1$(符合)。
- (3) 點 $(4, -2, 2)$:由 $z = 2 \implies t = 2$,此時 $x = -1 + 2(2) = 3 \ne 4$(不合)。
- (4) 點 $(-2, 4, 0)$:由 $z = 0 \implies t = 0$,此時 $x = -1 + 2(0) = -1 \ne -2$(不合)。
- (5) 點 $(-5, -4, -2)$:由 $z = -2 \implies t = -2$,此時 $x = -1 + 2(-2) = -5$,但 $y = 2 - (-2) = 4 \ne -4$(不合)。
故選 $(2)$。