102_02M_q11
102 學測數學 第 11 題
📅 102 年 📝 學測數學 第 11 題 題型:多選 課綱:99課綱
設 $F_1$、$F_2$ 為橢圓 $\Gamma$ 的兩個焦點。$S$ 為以 $F_1$ 為中心的正方形 ($S$ 的各邊可不與 $\Gamma$ 的對稱軸平行)。試問 $S$ 可能有幾個頂點落在 $\Gamma$ 上?
  1. $1$
  2. $2$
  3. $3$
  4. $4$
  5. $0$
橢圓幾何性質圓與橢圓交點坐標幾何二次曲線
解題手法對稱性〔AI 推測〕
答案

$(1)(2)(5)$

詳解
正方形 $S$ 的中心為焦點 $F_1$,這意味著正方形的四個頂點到 $F_1$ 的距離均相等(設為 $r$)。\\ 因此,正方形的四個頂點必定落在以 $F_1$ 為圓心、半徑為 $r$ 的圓 $C$ 上。若正方形有頂點落在橢圓 $\Gamma$ 上,則這些頂點必須是圓 $C$ 與橢圓 $\Gamma$ 的交點。\\ 在坐標系中,圓與橢圓的交點個數最多為 $4$ 個。因為圓 $C$ 的圓心為焦點 $F_1$,且圓與橢圓皆關於長軸(設為 $x$ 軸)對稱,故其交點的分布也必定關於 $x$ 軸對稱。\\ 然而,正方形的四個頂點是關於其中心 $F_1$ 呈中心對稱的。因為焦點不重合的橢圓關於其焦點 $F_1$ 並不呈中心對稱,所以正方形的四個頂點不可能同時落在橢圓上(即頂點數不能為 $4$)。\\ 同理,若有 $3$ 個頂點落在橢圓上,由於對稱性,第 $4$ 個頂點也必須落在橢圓上,這與前述矛盾(即頂點數不能為 $3$)。\\ 因此,落在橢圓上的正方形頂點數可能為 $0$、$1$ 或 $2$: - $0$ 個頂點:當圓與橢圓不相交,或者交點恰好避開正方形的頂點時。選項 $(5)$ 可能。 - $1$ 個頂點:當正方形旋轉至恰有一個頂點與橢圓相切或相交時。選項 $(1)$ 可能。 - $2$ 個頂點:當正方形旋轉至有兩個頂點(例如關於 $x$ 軸對稱的兩個頂點)同時落在橢圓上時。選項 $(2)$ 可能。\\ 故選 $(1)(2)(5)$。

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。