坐標空間中,在六個平面 $x = \dfrac{14}{13}$、$x = \dfrac{1}{13}$、$y = 1$、$y = -1$、$z = 1$ 及 $z = 4$ 所圍成的長方體上隨機選取兩個相異頂點。若每個頂點被選取的機率相同,則選到兩個頂點的距離大於 $3$ 之機率為 ____。(化成最簡分數)
詳解
1. **計算長方體的長、寬、高**:
* 長 $L_x = \dfrac{14}{13} - \dfrac{1}{13} = 1$
* 寬 $L_y = 1 - (-1) = 2$
* 高 $L_z = 4 - 1 = 3$
2. **總可能樣點**:
長方體共有 $8$ 個頂點,任選兩個相異頂點的組合數為:
$$\dbinom{8}{2} = 28\text{ 種}$$
3. **計算大於 $3$ 的距離**:
設所選兩點的坐標差為 $(\Delta x, \Delta y, \Delta z)$,其距離平方 $d^2 = (\Delta x)^2 + (\Delta y)^2 + (\Delta z)^2$。我們要求 $d > 3 \implies d^2 > 9$:
* $\Delta x \in \{0, 1\}$
* $\Delta y \in \{0, 2\}$
* $\Delta z \in \{0, 3\}$
我們分析符合 $d^2 > 9$ 的情況:
* $xz$ 平面上的面對角線:$(\Delta x, \Delta y, \Delta z) = (1, 0, 3) \implies d^2 = 1^2 + 0^2 + 3^2 = 10 > 9$。此類頂點對共有 $4$ 對。
* $yz$ 平面上的面對角線:$(\Delta x, \Delta y, \Delta z) = (0, 2, 3) \implies d^2 = 0^2 + 2^2 + 3^2 = 13 > 9$。此類頂點對共有 $4$ 對。
* 長方體的空間對角線:$(\Delta x, \Delta y, \Delta z) = (1, 2, 3) \implies d^2 = 1^2 + 2^2 + 3^2 = 14 > 9$。此類頂點對共有 $4$ 對。
其餘情況(如邊長為 $1, 2, 3$,或 $xy$ 面對角線 $\sqrt{5}$)的距離平方皆 $\le 9$。
故距離大於 $3$ 的相異頂點對共有 $4 + 4 + 4 = 12$ 對。
4. **求機率**:
$$\text{機率} = \dfrac{12}{28} = \dfrac{3}{7}$$
故選到兩個頂點的距離大於 $3$ 之機率為 $\dfrac{3}{7}$。