在坐標空間中,有一邊長為 $2$、中心在原點 $O$ 的正立方體,且各稜邊都與三坐標平面平行或垂直,如圖所示。已知 $A(1, -1, 0)$、$B(0, 1, -1)$、$C(-1, 0, 1)$ 這三點都是某平面 $E$ 和正立方體稜邊的交點。試問下列哪些點也是平面 $E$ 和正立方體稜邊的交點?
正立方體與平面交點圖
- $(-\dfrac{1}{2}, \dfrac{1}{2}, -1)$
- $(-1, 1, 0)$
- $(0, -1, -1)$
- $(-2, 1, 1)$
詳解
設平面 $E$ 的方程式為 $ax + by + cz = d$。
將點 $A(1, -1, 0)$、$B(0, 1, -1)$、$C(-1, 0, 1)$ 代入平面方程式,得:
$$\begin{cases} a - b = d \\ b - c = d \\ -a + c = d \end{cases}$$
將此三式相加,得 $0 = 3d \implies d = 0$。代回原式可得 $a = b = c$。
故平面 $E$ 的方程式為:
$$x + y + z = 0$$
正立方體邊長為 $2$、中心在原點,其頂點坐標為 $(\pm 1, \pm 1, \pm 1)$。正立方體稜線上的點特徵為「三個坐標分量中,至少有兩個坐標值為 $\pm 1$,且第三個坐標值在 $[-1, 1]$ 之間」。
檢驗各選項中的點是否在平面 $E$ 上且在稜線上:
(1) 點 $(-\dfrac{1}{2}, \dfrac{1}{2}, -1)$:雖然符合面方程式 $-\dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{2} + (-1) \ne 0$(且不滿足稜線條件:只有一個分量為 $\pm 1$),故不符合。
(2) 點 $(-1, 1, 0)$:代入面方程式 $-1 + 1 + 0 = 0$ 成立,且此點位於稜線 $x = -1, y = 1$ 上,故符合。
(3) 點 $(0, -1, -1)$:代入面方程式 $0 + (-1) + (-1) = -2 \ne 0$,不在此平面上,故不符合。
(4) 點 $(-2, 1, 1)$:坐標分量 $-2$ 超出立方體邊界 $[-1, 1]$,故不符合。
故選 $(2)$。