單元總覽/題庫/11 空間向量
第四冊 · 題庫 11

空間向量 · 題庫

14 題,對應單元四大主題:座標與長度、內積與夾角、外積與面積、行列式與體積。先自己算,再點開解答對答案——外積的分量公式與行列式展開最易出錯,務必逐項對號。

基礎 進階 挑戰
群組 1 · 空間座標與長度
1-1向量長度基礎

求下列向量的長度 |v| = √(x² + y² + z²):

v = (2, −1, 2)、w = (1, 2, 2)、u = (2, 3, 6)

解答

|v| = √(2² + (−1)² + 2²) = √(4 + 1 + 4) = √9 = 3。

|w| = √(1² + 2² + 2²) = √(1 + 4 + 4) = √9 = 3。

|u| = √(2² + 3² + 6²) = √(4 + 9 + 36) = √49 = 7。

3、3、7

和平面一樣是畢氏,只是多加一項 z²;負號平方後變正。

1-2兩點距離基礎

求空間中 A(1, 0, 2) 與 B(3, −2, 4) 的距離。

解答

先求向量 AB = B − A = (3 − 1, −2 − 0, 4 − 2) = (2, −2, 2)。

距離 = |AB| = √(2² + (−2)² + 2²) = √(4 + 4 + 4) = √12 = 2√3。

距離 = 2√3 ≈ 3.46

1-3單位向量進階

設 a = (1, 2, 2)。求與 a 同方向的單位向量,及與 a 同方向、長度為 6 的向量。

解答

|a| = √(1² + 2² + 2²) = √9 = 3。

單位向量 = a / |a| = (1/3, 2/3, 2/3)。

長度 6 的向量 = 6 × 單位向量 = (6/3, 12/3, 12/3) = (2, 4, 4)。

單位向量 (1/3, 2/3, 2/3);長度 6 者 (2, 4, 4)

驗算:|(2, 4, 4)| = √(4 + 16 + 16) = √36 = 6 ✓。

群組 2 · 內積、垂直與夾角
2-1空間內積基礎

用 a · b = x₁x₂ + y₁y₂ + z₁z₂ 計算 a = (1, 2, 3)、b = (4, −1, 2) 的內積。

解答

a · b = 1·4 + 2·(−1) + 3·2 = 4 − 2 + 6 = 8。

a · b = 8

和平面內積同樣是「分量乘積相加」,結果是一個數。

2-2垂直判斷基礎

判斷 a = (1, 2, −1) 與 b = (3, −1, 1) 是否垂直。

解答

垂直 ⟺ 內積 = 0。

a · b = 1·3 + 2·(−1) + (−1)·1 = 3 − 2 − 1 = 0。

內積為 0 → a ⊥ b(互相垂直)

2-3求垂直參數進階

設 a = (2, −1, 3)、b = (1, k, −1)。若 a ⊥ b,求 k。

解答

令 a · b = 0:2·1 + (−1)·k + 3·(−1) = 0。

2 − k − 3 = 0 → −1 − k = 0 → k = −1。

k = −1

驗算:a · b = 2 + 1 − 3 = 0 ✓。

2-4求夾角進階

求 a = (1, 0, 1) 與 b = (0, 1, 1) 的夾角 θ。

解答

cos θ = (a · b) / (|a| |b|)。

a · b = 1·0 + 0·1 + 1·1 = 1。

|a| = √(1 + 0 + 1) = √2、|b| = √(0 + 1 + 1) = √2。

cos θ = 1 / (√2·√2) = 1/2。

θ = 60°

2-5三角形的內角挑戰

空間三點 A(1, 0, 0)、B(0, 1, 0)、C(0, 0, 1)。求三角形在頂點 A 的內角。

解答

頂點 A 的內角 = 向量 AB 與 AC 的夾角。

AB = B − A = (−1, 1, 0)、AC = C − A = (−1, 0, 1)。

AB · AC = (−1)(−1) + 1·0 + 0·1 = 1。

|AB| = √2、|AC| = √2 → cos = 1 / 2。

頂角 A = 60°

其實此三角形三邊皆 √2(正三角形),三個內角都是 60°。

群組 3 · 外積與面積
3-1外積計算進階

求外積 a × b,其中 a = (2, 1, 0)、b = (1, 3, 0)。

解答

公式 a × b = (a₂b₃ − a₃b₂, a₃b₁ − a₁b₃, a₁b₂ − a₂b₁)。

第一分量:1·0 − 0·3 = 0。

第二分量:0·1 − 2·0 = 0。

第三分量:2·3 − 1·1 = 6 − 1 = 5。

a × b = (0, 0, 5)

a、b 都在 xy 平面,外積必沿 z 軸,與兩者都垂直 ✓。

3-2求法向量進階

求同時垂直 a = (1, 1, 0) 與 b = (0, 1, 1) 的向量(即 a × b),並求其長度。

解答

第一分量:1·1 − 0·1 = 1。

第二分量:0·0 − 1·1 = −1。

第三分量:1·1 − 1·0 = 1。

a × b = (1, −1, 1),長度 = √(1 + 1 + 1) = √3。

a × b = (1, −1, 1),長度 √3

驗算:(1,−1,1)·a = 1−1+0 = 0、·b = 0−1+1 = 0,確實垂直兩者 ✓。

3-3三角形面積挑戰

求空間三角形 A(1, 1, 1)、B(3, 1, 2)、C(1, 4, 1) 的面積。

解答

面積 = ½·|AB × AC|(外積長度 = 平行四邊形面積,三角形取一半)。

AB = (2, 0, 1)、AC = (0, 3, 0)。

AB × AC = (0·0 − 1·3, 1·0 − 2·0, 2·3 − 0·0) = (−3, 0, 6)。

|AB × AC| = √(9 + 0 + 36) = √45 = 3√5。

面積 = ½·3√5 = (3√5)/2。

面積 = (3√5)/2 ≈ 3.35

群組 4 · 行列式與體積
4-1三階行列式進階

計算三階行列式(依第一列展開):

| 1 2 0 ; 0 1 3 ; 2 0 1 |

解答

沿第一列 (1, 2, 0) 展開,注意符號 +、−、+。

= 1·|1 3; 0 1| − 2·|0 3; 2 1| + 0·|0 1; 2 0|。

= 1·(1·1 − 3·0) − 2·(0·1 − 3·2) + 0 = 1·1 − 2·(−6) = 1 + 12 = 13。

行列式 = 13

4-2平行六面體體積挑戰

三向量 a = (2, 0, 0)、b = (1, 3, 0)、c = (1, 1, 4) 張出一個平行六面體。求其體積。

解答

體積 = |三向量作成的行列式|(= |a·(b×c)|)。

| 2 0 0 ; 1 3 0 ; 1 1 4 |,沿第一列展開:= 2·|3 0; 1 4| − 0 + 0。

= 2·(3·4 − 0·1) = 2·12 = 24。

體積 = 24

4-3四面體體積挑戰

以原點 O 及 a = (2, 1, 0)、b = (0, 3, 0)、c = (1, 1, 2) 為四頂點的四面體,求體積。

解答

四面體體積 = (1/6)·|平行六面體行列式|。

| 2 1 0 ; 0 3 0 ; 1 1 2 |,沿第一列展開:= 2·|3 0; 1 2| − 1·|0 0; 1 2| + 0。

= 2·(6 − 0) − 1·(0 − 0) = 12。

體積 = 12 / 6 = 2。

四面體體積 = 2