097_07A_q03
97 指考數學甲 第 3 題
📅 97 年 📝 指考數學甲 第 3 題 題型:多選 課綱:99課綱
設 $A$ 為坐標平面上代表旋轉某個角度的二階方陣,且已知 $A^6 = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}$。試問 $A$ 可能是以下哪些選項中的方陣?
  1. $\begin{bmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix}$
  2. $\begin{bmatrix} -\frac{1}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \\ \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{1}{2} \end{bmatrix}$
  3. $\begin{bmatrix} \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & \frac{\sqrt{3}}{2} \end{bmatrix}$
  4. $\begin{bmatrix} \cos\frac{5\pi}{3} & -\sin\frac{5\pi}{3} \\ \sin\frac{5\pi}{3} & \cos\frac{5\pi}{3} \end{bmatrix}$
  5. $\begin{bmatrix} \cos\frac{5\pi}{6} & -\sin\frac{5\pi}{6} \\ \sin\frac{5\pi}{6} & \cos\frac{5\pi}{6} \end{bmatrix}$
旋轉矩陣矩陣的乘冪矩陣行列式、矩陣與應用
解題手法分類討論〔AI 推測〕
答案

$(2)(4)$

詳解
設旋轉矩陣 $A$ 的旋轉角為 $\theta$,其標準形式為: $$A = R(\theta) = \begin{bmatrix} \cos\theta & -\sin\theta \\ \sin\theta & \cos\theta \end{bmatrix}$$ 根據棣美弗定理與矩陣乘法,旋轉矩陣的六次方為: $$A^6 = R(6\theta) = \begin{bmatrix} \cos(6\theta) & -\sin(6\theta) \\ \sin(6\theta) & \cos(6\theta) \end{bmatrix}$$ 依題意 $A^6 = I = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}$,因此: $$6\theta = 2k\pi \implies \theta = \dfrac{k\pi}{3}\ (k \in \mathbb{Z})$$ 這說明旋轉角 $\theta$ 必須為 $\dfrac{\pi}{3}$(即 $60^\circ$)的整數倍。 我們逐一分析各選項的旋轉角: (1) $\theta = 90^\circ = \dfrac{\pi}{2}$,不是 $\dfrac{\pi}{3}$ 的整數倍(不合)。 (2) $\cos\theta = -\dfrac{1}{2}$,$\sin\theta = \dfrac{\sqrt{3}}{2} \implies \theta = 120^\circ = \dfrac{2\pi}{3}$,為 $\dfrac{\pi}{3}$ 的 $2$ 倍(符合)。 (3) $\cos\theta = \dfrac{\sqrt{3}}{2}$,$\sin\theta = \dfrac{1}{2} \implies \theta = 30^\circ = \dfrac{\pi}{6}$,不是 $\dfrac{\pi}{3}$ 的整數倍(不合)。 (4) $\theta = \dfrac{5\pi}{3}$,為 $\dfrac{\pi}{3}$ 的 $5$ 倍(符合)。 (5) $\theta = \dfrac{5\pi}{6}$,不是 $\dfrac{\pi}{3}$ 的整數倍(不合)。 故選 $(2)(4)$。

題目來源:大學入學考試中心公開試題。

解析狀態:本解析由 AI 輔助產出,未經人工審核,非官方詳解,僅供學習參考。如與官方公告不同,請以官方公告為準。