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ast_essay 107年 數學甲

第 1-(1)(2) 題

📖 題組:
一. 坐標空間中有一個正立方體 $ABCDEFGH$,如圖所示(此為示意圖),試回答下列問題。
(1) 試證明 $A$ 點到平面 $BDE$ 的距離是對角線 $AG$ 長度的三分之一。( 4 分)
(2) 試證明向量 $\vec{AG}$ 與平面 $BDE$ 垂直。( 2 分)
題目圖片
📝 此題為申論題

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這是一道經典的立體幾何證明題,測驗不同幾何觀念的轉換與綜合應用。思考時可從三個切入點進行:1. 代數坐標法(最直接的暴力破解),將 $A$ 設為原點建立三維坐標系,直接寫出平面與對角線向量,運用點到平面距離公式得證。2. 空間向量法,利用向量加法 $\vec{AG} = \vec{AB} + \vec{AD} + \vec{AE}$ 將對角線拆解,利用內積為零證明垂直,再利用投影與係數和為 1 找出距離比例。3. 幾何等積法,將四面體 $A-BDE$ 的體積用兩種不同底面和高來計算(正方體頂角與正三角形截面),求得高即為距離。

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解法一 正確寫出可決定坐標系的頂點坐標。例如設 $A(0,0,0)$,$B(a,0,0)$,$D(0,a,0)$,$E(0,0,a)$,推得 $G(a,a,a)$,及平面 $BDE$ 的方程式為 $x+y+z=a$。 因 $A(0,0,0)$ 到平面 $x+y+z=a$ 的距離為 $\frac{a}{\sqrt{3}}$,且 $\vec{AG}$ 為 $\sqrt{3}a$,故得證第(1)小題。

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📝 正立方體空間幾何
💡 透過坐標化或向量運算證明空間中線面垂直與距離關係。
  • 建立空間坐標系,將幾何證明轉化為代數運算
  • 證明向量與平面上兩不平行向量皆垂直,即與平面垂直
  • 點到平面距離可利用坐標公式或四面體體積等量代換
  • 善用向量分解:對角線向量為三相鄰稜邊向量之和
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點到平面的距離公式 平面法向量 向量內積 空間坐標系

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