115學測數學A非選第20題詳解

📅 115 年 📝 學測數學A 第 20 題 題型:非選 課綱:108課綱

答案與本題考點

答案:體積 $10$,最長距離 $\sqrt{94}$

本題考點:平行六面體、距離公式、外積、向量長度

題目

題組
坐標空間中有一平行六面體 $PQRS-ABCD$,如圖所示。已知 $\overset{\large\rightharpoonup}{AB}\times\overset{\large\rightharpoonup}{AD}=(-5,5,5)$,$\overset{\large\rightharpoonup}{AD}\times\overset{\large\rightharpoonup}{AP}=(-2,0,-4)$,$\overset{\large\rightharpoonup}{AP}\times\overset{\large\rightharpoonup}{AB}=(6,-10,-8)$,$\overline{AP}=6$。試回答下列問題。
試求平行六面體的體積,並求平行六面體上(含邊界)距點 $A$ 的最長距離。(非選擇題,$8$ 分)
平行六面體示意圖
平行六面體示意圖
平行六面體距離公式外積向量長度空間向量與空間中的直線與平面
解題手法分類討論向量化〔AI 推測〕

答案

答案

體積 $10$,最長距離 $\sqrt{94}$

詳解

詳解
令 $\overset{\large\rightharpoonup}{a}=\overset{\large\rightharpoonup}{AB}$,$\overset{\large\rightharpoonup}{b}=\overset{\large\rightharpoonup}{AD}$,$\overset{\large\rightharpoonup}{p}=\overset{\large\rightharpoonup}{AP}$。平行六面體體積 $T=(\overset{\large\rightharpoonup}{a}\times\overset{\large\rightharpoonup}{b})\cdot\overset{\large\rightharpoonup}{p}$。 由向量三重積恆等式: $$(\overset{\large\rightharpoonup}{b}\times\overset{\large\rightharpoonup}{p})\times(\overset{\large\rightharpoonup}{p}\times\overset{\large\rightharpoonup}{a}) =\bigl((\overset{\large\rightharpoonup}{b}\times\overset{\large\rightharpoonup}{p})\cdot\overset{\large\rightharpoonup}{a}\bigr)\,\overset{\large\rightharpoonup}{p} =T\,\overset{\large\rightharpoonup}{p}$$ 題目給定 $\overset{\large\rightharpoonup}{b}\times\overset{\large\rightharpoonup}{p}=(-2,0,-4)$,$\overset{\large\rightharpoonup}{p}\times\overset{\large\rightharpoonup}{a}=(6,-10,-8)$。計算兩者外積: \begin{aligned} T\overset{\large\rightharpoonup}{p} &=(-2,0,-4)\times(6,-10,-8)\\ &=(0\cdot(-8)-(-4)\cdot(-10),\;(-4)\cdot6-(-2)\cdot(-8),\;(-2)\cdot(-10)-0\cdot6)\\ &=(-40,-40,20) \end{aligned} 其長度 $|T|\cdot|\overset{\large\rightharpoonup}{p}|=\sqrt{(-40)^2+(-40)^2+20^2}=60$。因為 $\overline{AP}=|\overset{\large\rightharpoonup}{p}|=6$,所以 $|T|=\frac{60}{6}=10$,平行六面體體積為 $10$。 (以下取 $T=10$ 的右手系方向,求各頂點向量) 令 $\overset{\large\rightharpoonup}{u}=\overset{\large\rightharpoonup}{a}\times\overset{\large\rightharpoonup}{b}$,$\overset{\large\rightharpoonup}{v}=\overset{\large\rightharpoonup}{b}\times\overset{\large\rightharpoonup}{p}=(-2,0,-4)$,$\overset{\large\rightharpoonup}{w}=\overset{\large\rightharpoonup}{p}\times\overset{\large\rightharpoonup}{a}=(6,-10,-8)$。 由三重積外積的逆關係: \begin{aligned} \overset{\large\rightharpoonup}{w}\times\overset{\large\rightharpoonup}{u}&=T\overset{\large\rightharpoonup}{a}\\ \overset{\large\rightharpoonup}{u}\times\overset{\large\rightharpoonup}{v}&=T\overset{\large\rightharpoonup}{b}\\ \overset{\large\rightharpoonup}{v}\times\overset{\large\rightharpoonup}{w}&=T\overset{\large\rightharpoonup}{p} \end{aligned} 其中 $\overset{\large\rightharpoonup}{p}=(\overset{\large\rightharpoonup}{v}\times\overset{\large\rightharpoonup}{w})/T=(-40,-40,20)/10=(-4,-4,2)$($|\overset{\large\rightharpoonup}{p}|=6$,驗證無誤)。 取與三外積相容的 $\overset{\large\rightharpoonup}{u}=(-5,5,5)$(可由 $\overset{\large\rightharpoonup}{u}\cdot\overset{\large\rightharpoonup}{p}=T$ 及其他正交條件定出),則 \begin{aligned} \overset{\large\rightharpoonup}{a}&=\frac{\overset{\large\rightharpoonup}{w}\times\overset{\large\rightharpoonup}{u}}{T} =\frac{(6,-10,-8)\times(-5,5,5)}{10}=(-1,1,-2)\\[4pt] \overset{\large\rightharpoonup}{b}&=\frac{\overset{\large\rightharpoonup}{u}\times\overset{\large\rightharpoonup}{v}}{T} =\frac{(-5,5,5)\times(-2,0,-4)}{10}=(-2,-3,1) \end{aligned} 平行六面體以 $A$ 為原點的八個頂點向量為 $\overset{\large\rightharpoonup}{0},\overset{\large\rightharpoonup}{a},\overset{\large\rightharpoonup}{b},\overset{\large\rightharpoonup}{p}, \overset{\large\rightharpoonup}{a}+\overset{\large\rightharpoonup}{b},\overset{\large\rightharpoonup}{a}+\overset{\large\rightharpoonup}{p}, \overset{\large\rightharpoonup}{b}+\overset{\large\rightharpoonup}{p},\overset{\large\rightharpoonup}{a}+\overset{\large\rightharpoonup}{b}+\overset{\large\rightharpoonup}{p}$。 各頂點到 $A$ 的距離平方為: $$0,\;6,\;14,\;36,\;14,\;34,\;94,\;86$$ 其中最大值為 $94$,故最長距離為 $\sqrt{94}$。 故體積為 $10$,最長距離為 $\sqrt{94}$。

題目來源:民國115年學測數學A 第20題(來源PDF第7頁)

資料版本:2026-07-17(commit e3f5a492)

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,〈115學測數學A非選第20題詳解〉,資料版本 2026-07-17,https://twmath.com/questions/115_02A_q20

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。