109指考數學甲非選第13題詳解

📅 109 年 📝 指考數學甲 第 13 題 題型:非選 課綱:108課綱

答案與本題考點

答案:$(1)\ (0,1,\dfrac{1}{2});\ (2)\ (-1, 0, \dfrac{1}{2}-t);\ (3)\ \dfrac{1}{6};\ (4)\ \dfrac{\sqrt{2}}{3}$

本題考點:外積、空間向量與平面、直線、空間坐標、點到平面距離

題目

一個邊長為 1 的正立方體 $ABCD-EFGH$,點 $P$ 為稜邊 $\overline{CG}$ 的中點,點 $Q、R$ 分別在稜邊 $\overline{BF}、\overline{DH}$ 上,且 $A,Q,P,R$ 為一平行四邊形的四個頂點,如下圖所示。 今設定坐標系,使得 $D、A、C、H$ 的坐標分別為 $(0,0,0)、(1,0,0)、(0,1,0)、(0,0,1)$,且 $\overline{BQ} = t$,試回答下列問題。 (1) 試求點 $P$ 的坐標。 (2) 試求向量 $\overset{\large\rightharpoonup}{AR}$(以 $t$ 的式子來表示)。 (3) 試證明四角錐 $G-AQPR$ 的體積是一個定值(與 $t$ 無關),並求此定值。 (4) 當 $t = \dfrac{1}{4}$ 時,求點 $G$ 到平行四邊形 $AQPR$ 所在平面的距離。
正立方體與平行四邊形 AQPR 示意圖
正立方體與平行四邊形 AQPR 示意圖
外積空間向量與平面、直線空間坐標點到平面距離三階行列式面積法向量平面方程式空間向量與空間中的直線與平面
解題手法公式代入〔AI 推測〕

答案

答案

$(1)\ (0,1,\dfrac{1}{2});\ (2)\ (-1, 0, \dfrac{1}{2}-t);\ (3)\ \dfrac{1}{6};\ (4)\ \dfrac{\sqrt{2}}{3}$

詳解

詳解
$(1)$ 由題意給定坐標系:$D(0,0,0)$、$A(1,0,0)$、$C(0,1,0)$、$H(0,0,1)$。 因為 $ABCD-EFGH$ 為邊長 $1$ 的正立方體,所以各頂點坐標為: $B(1,1,0)$、$E(1,0,1)$、$F(1,1,1)$、$G(0,1,1)$。 因為點 $P$ 為稜邊 $\overline{CG}$ 的中點,且 $C(0,1,0)$、$G(0,1,1)$, 所以 $P$ 的坐標為 $(0, 1, \frac{1}{2})$。 $(2)$ 因為點 $Q$ 在稜邊 $\overline{BF}$ 上且 $\overline{BQ} = t$,而 $B(1,1,0)$、$F(1,1,1)$, 所以 $Q = (1, 1, t)$。 因為點 $R$ 在稜邊 $\overline{DH}$ 上,設 $R = (0, 0, s)$。 在平行四邊形 $AQPR$ 中,$\overset{\large\rightharpoonup}{AQ} + \overset{\large\rightharpoonup}{AR} = \overset{\large\rightharpoonup}{AP}$。 因為 $\overset{\large\rightharpoonup}{AQ} = (1-1, 1-0, t-0) = (0, 1, t)$, $\overset{\large\rightharpoonup}{AR} = (0-1, 0-0, s-0) = (-1, 0, s)$, $\overset{\large\rightharpoonup}{AP} = (0-1, 1-0, \frac{1}{2}-0) = (-1, 1, \frac{1}{2})$, 所以 $(-1, 1, s+t) = (-1, 1, \frac{1}{2})$,得 $s + t = \frac{1}{2}$,即 $s = \frac{1}{2} - t$。 因此 $\overset{\large\rightharpoonup}{AR} = (-1, 0, \frac{1}{2}-t)$。 $(3)$ 四角錐 $G-AQPR$ 的體積 $V$ 等於以 $\overset{\large\rightharpoonup}{AQ}$、$\overset{\large\rightharpoonup}{AR}$、$\overset{\large\rightharpoonup}{AG}$ 為稜的平行六面體體積的 $\frac{1}{3}$。 先計算 $\overset{\large\rightharpoonup}{AQ} \times \overset{\large\rightharpoonup}{AR}$: 因為 $\overset{\large\rightharpoonup}{AQ} = (0, 1, t)$,$\overset{\large\rightharpoonup}{AR} = (-1, 0, \frac{1}{2}-t)$, 所以 $$\begin{aligned} \overset{\large\rightharpoonup}{AQ} \times \overset{\large\rightharpoonup}{AR} &= \bigl(1\cdot(\tfrac{1}{2}-t)-t\cdot0,\ t\cdot(-1)-0\cdot(\tfrac{1}{2}-t),\ 0\cdot0-1\cdot(-1)\bigr) \\[4pt] &= \bigl(\tfrac{1}{2}-t,\ -t,\ 1\bigr) \end{aligned}$$。 因為 $\overset{\large\rightharpoonup}{AG} = (0-1, 1-0, 1-0) = (-1, 1, 1)$, 所以 $\overset{\large\rightharpoonup}{AG} \cdot (\overset{\large\rightharpoonup}{AQ} \times \overset{\large\rightharpoonup}{AR}) = (-1)(\frac{1}{2}-t) + (1)(-t) + (1)(1) = -\frac{1}{2} + t - t + 1 = \frac{1}{2}$。 因為三重積的絕對值為 $\frac{1}{2}$,且與 $t$ 無關, 所以 $V = \frac{1}{3} \times \frac{1}{2} = \frac{1}{6}$,為一定值。 $(4)$ 當 $t = \frac{1}{4}$ 時,$\overset{\large\rightharpoonup}{AQ} \times \overset{\large\rightharpoonup}{AR} = (\frac{1}{2}-\frac{1}{4}, -\frac{1}{4}, 1) = (\frac{1}{4}, -\frac{1}{4}, 1)$。 取法向量 $\mathbf{n} = (1, -1, 4)$(將外積結果乘以 $4$ 以簡化)。 因為平面 $AQPR$ 過點 $A(1,0,0)$,所以平面方程式為: $1(x-1) + (-1)(y-0) + 4(z-0) = 0$,即 $x - y + 4z - 1 = 0$。 點 $G(0, 1, 1)$ 到此平面的距離為: $$d = \dfrac{|0 - 1 + 4 \times 1 - 1|}{\sqrt{1^2 + (-1)^2 + 4^2}} = \dfrac{|2|}{\sqrt{18}} = \dfrac{2}{3\sqrt{2}} = \dfrac{\sqrt{2}}{3}$$ 故 $ (1)\ (0, 1, \frac{1}{2})$;$ (2)\ (-1, 0, \frac{1}{2}-t)$;$ (3)\ \frac{1}{6}$;$ (4)\ \frac{\sqrt{2}}{3}$。

題目來源:民國109年指考數學甲 第13題(來源PDF第7頁)

資料版本:2026-07-21(commit bde62541)

校對狀態:人工抽查——本卷試題經人工抽樣檢查;非逐題逐字校對。

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引用本站:大考雷達站,〈109指考數學甲非選第13題詳解〉,資料版本 2026-07-21,https://twmath.com/questions/109_07A_q13.html

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。