110指考數學甲非選第12題詳解

📅 110 年 📝 指考數學甲 第 12 題 題型:非選 課綱:108課綱

答案與本題考點

答案:體積 $\dfrac{9}{2}$;$H'=(-\dfrac{16}{3},\dfrac{4}{3},-8)$;投影點不在 $\triangle ABC$ 的內部。

本題考點:面積、四面體、法向量、空間向量與空間中的直線與平面

題目

一、坐標空間中,令 $E$ 為通過三點 $A(0,-1,-1)$、$B(1,-1,-2)$、$C(0,1,0)$ 的平面。假設 $H$ 為空間中一點,且滿足 $\overset{\large\rightharpoonup}{AH}=\dfrac{2}{3}\overset{\large\rightharpoonup}{AB}-\dfrac{1}{3}\overset{\large\rightharpoonup}{AC}+3(\overset{\large\rightharpoonup}{AB}\times\overset{\large\rightharpoonup}{AC})$。根據上述,試回答下列問題。 (1)試求四面體 $ABCH$ 的體積。($4$ 分)(註:四面體體積為三分之一的底面積乘以高) (2)令點 $H'$ 為點 $H$ 相對於平面 $E$ 的對稱點,試求 $H'$ 的坐標。($4$ 分) (3)試判斷點 $H'$ 在平面 $E$ 的投影點是否位在 $\triangle ABC$ 的內部?並說明理由。($4$ 分)(註:三角形的內部不含三角形的三邊)
面積四面體法向量空間向量與空間中的直線與平面
解題手法向量化〔AI 推測〕

答案

答案

體積 $\dfrac{9}{2}$;$H'=(-\dfrac{16}{3},\dfrac{4}{3},-8)$;投影點不在 $\triangle ABC$ 的內部。

詳解

詳解
(1)先計算 $\overset{\large\rightharpoonup}{AB}=(1,0,-1)$、$\overset{\large\rightharpoonup}{AC}=(0,2,1)$。 $$\overset{\large\rightharpoonup}{AB}\times\overset{\large\rightharpoonup}{AC}=\begin{vmatrix}\overset{\large\rightharpoonup}{i}&\overset{\large\rightharpoonup}{j}&\overset{\large\rightharpoonup}{k}\\1&0&-1\\0&2&1\end{vmatrix}=(2,-1,2)$$ 其長度為 $\sqrt{2^2+(-1)^2+2^2}=3$。 $$\overset{\large\rightharpoonup}{AH}=\dfrac{2}{3}\overset{\large\rightharpoonup}{AB}-\dfrac{1}{3}\overset{\large\rightharpoonup}{AC}+3(\overset{\large\rightharpoonup}{AB}\times\overset{\large\rightharpoonup}{AC})$$ 其中前兩項為平行平面 $E$ 的分量,第三項為垂直平面 $E$ 的分量。 因為四面體 $ABCH$ 的體積 $=\frac{1}{6}|(\overset{\large\rightharpoonup}{AB}\times\overset{\large\rightharpoonup}{AC})\cdot\overset{\large\rightharpoonup}{AH}|$,而前兩項與法向量垂直(內積為 $0$),僅第三項有貢獻: $$(\overset{\large\rightharpoonup}{AB}\times\overset{\large\rightharpoonup}{AC})\cdot3(\overset{\large\rightharpoonup}{AB}\times\overset{\large\rightharpoonup}{AC})=3\times9=27$$ 所以體積 $=\frac{27}{6}=\frac{9}{2}$。 (2)因為 $H'$ 是 $H$ 相對於平面 $E$ 的對稱點,所以平行平面的分向量不變、垂直平面的分向量反向: $$\overset{\large\rightharpoonup}{AH'}=\dfrac{2}{3}\overset{\large\rightharpoonup}{AB}-\dfrac{1}{3}\overset{\large\rightharpoonup}{AC}-3(\overset{\large\rightharpoonup}{AB}\times\overset{\large\rightharpoonup}{AC})$$ 計算平行分量:$\frac{2}{3}(1,0,-1)-\frac{1}{3}(0,2,1)=\left(\frac{2}{3},-\frac{2}{3},-1\right)$。 法向量分量變號:$-3(2,-1,2)=(-6,3,-6)$。 所以 $\overset{\large\rightharpoonup}{AH'}=\left(\frac{2}{3}-6,\;-\frac{2}{3}+3,\;-1-6\right)=\left(-\frac{16}{3},\frac{7}{3},-7\right)$。 因此 $H'=A+\overset{\large\rightharpoonup}{AH'}=(0,-1,-1)+\left(-\frac{16}{3},\frac{7}{3},-7\right)=\left(-\frac{16}{3},\frac{4}{3},-8\right)$。 (3)$H'$ 在平面 $E$ 的投影點即為 $P=A+\frac{2}{3}\overset{\large\rightharpoonup}{AB}-\frac{1}{3}\overset{\large\rightharpoonup}{AC}=(0,-1,-1)+\left(\frac{2}{3},-\frac{2}{3},-1\right)=\left(\frac{2}{3},-\frac{5}{3},-2\right)$。 將 $P$ 表示為 $A,B,C$ 的線性組合:$\overset{\large\rightharpoonup}{AP}=\frac{2}{3}\overset{\large\rightharpoonup}{AB}-\frac{1}{3}\overset{\large\rightharpoonup}{AC}$。因為 $\overset{\large\rightharpoonup}{AC}$ 的係數為負,所以 $P$ 不在 $\triangle ABC$ 的內部(內部要求所有係數非負且和不大於 $1$)。 故 (1)$\frac{9}{2}$; (2)$\left(-\frac{16}{3},\frac{4}{3},-8\right)$; (3)不在 $\triangle ABC$ 內部,因為投影點對 $C$ 的係數為負。

題目來源:民國110年指考數學甲 第12題(來源PDF第7頁)

資料版本:2026-06-01(commit eb9fe4d6)

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引用本站:大考雷達站,〈110指考數學甲非選第12題詳解〉,資料版本 2026-06-01,https://twmath.com/questions/110_07A_q12.html

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