高雄市明誠中學 高二數學平時測驗 日期:103.04.14 範
圍 2-2 空間直線方程式 班級 二年____班 姓 座號 名
第第第第第 (第第 10 第 )
1.求直線 L﹕ 1 2 3
3 3 1
x− = y− = z− 與平面 2x − y + 3z = 3 之交點坐標為____________﹒
解答 (− 2 , − 1 , 2)
解析 令 P(3t + 1 , 3t + 2 , t + 3)為 L 與平面之交點﹐代入平面﹕2(3t + 1) − (3t + 2) + 3(t + 3) = 3
⇒ t = − 1﹐∴交點為(− 2 , − 1 , 2)﹒
2.空間中點( − 3,5,3)對平面 8x − 14y − 4z + 37 = 0 的對稱點為____________﹒
解答 (1, − 2,1)
解析
3 8 : 5 14 3 4
x t
AH y t
z t
= − +
= −
= −
﹐t 為實數﹐代入 E⇒ − 24 + 64t − 70 + 196t − 12 + 16t + 37 = 0⇒ 276t − 69 = 0 ⇒ t =1 4﹐
∴H( − 1,3
2,2)又 H 為 AA′ 之中點﹐∴A′(1, − 2,1)﹒
A' H A( 3,5,3)
E
3.設點 P(1 , 1 , − 2)﹐直線 L﹕ 5 6 3
2 3 2
x− = y− = z−
− − ﹐
(1)自 P 點作直線 L 的垂線與直線 L 交於 H﹐求 H 點坐標為____________﹒
(2)求點 P 到直線 L 的距離為____________﹒
解答 (1)(7 , 3 , 1);(2)7
解析 (1)令 H 的坐標為(2t + 5 , 6 − 3t , 3 − 2t)﹐∵PH
⊥ v =(2 ,−3 ,−2)﹐ ∴(2t + 4 , 5 − 3t , 5 − 2t) ⋅ (2 , − 3 , − 2) = 0 ⇒ t = 1 ⇒ H(7 , 3 , 1)﹒(2)d(P , L)=PH= 62+22+32 = ﹒ 7
4.已知點 A(4,1,2)﹐B( − 2,3,4)﹐平面 E : x − 2y + 2z − 4 = 0 (1)過點 A 且與平面 E 垂直之直線方程式為____________﹔
(2)點 B 在平面 E 之正射影(投影)坐標為____________﹔
(3)在平面 E 上找一點 P﹐使得 PA+PB為最小﹐則 P 點坐標為____________﹔
(4)過 A﹐B 兩點﹐且與平面 E 的銳夾角為 45° 之平面方程式為____________﹒
解答 (1) 4 1
1 2
x− = y−
−
2 2 z−
= ;(2)( 14 19 44 , , 9 9 9
− );(3)( 5 8
2, ,3 3);(4)7x + y + 20z = 69 或 x + 4y − z = 6
解析 (1)
V = N =(1, − 2,2)﹐∴ 4 1 2: 1 2 2
x y z
L − = − = −
− ﹒
(2) B( 2,3,4)
H E
2
: 3 2
4 2
x t
BH y t
z t
= − +
= −
= +
﹐t 為實數﹐代入 E⇒ − 2 + t − 6 + 4t + 8 + 4t − 4 = 0 ⇒ 4
t= ﹐ ∴H(9 14 19 44 , , 9 9 9
− )﹒
(3)A 代入 E ⇒ 4 − 2 + 4 − 4 > 0﹐
B 代入 E ⇒ − 2 − 6 + 8 − 4 < 0﹐
∴A﹐B 在 E 的異側﹒
AB
與 E 之交點即為 P﹐又 AB
=( − 6,2,2) = 2( − 3,1,1)﹐∴4 3
: 1
2
x t
AB y t
z t
= −
= +
= +
﹐t 為實數﹐代入 E⇒ 4 − 3t − 2 − 2t + 4 + 2t − 4 = 0 ⇒ 2
t= ﹐ ∴P(3 5 8 2, ,3 3)﹒
(4)
4 3
: 1
2
x t
AB y t
z t
= −
= +
= +
﹐t 為實數 ⇒ : 3 7 01 0
x y
AB y z + − =
− + =
∴過 AB
之平面 E′設為(x + 3y − 7) + k(y − z + 1) = 0⇒E′ : x + (3 + k) y − kz − 7 + k = 0﹒∵E 與 E′夾 45° ﹐
∴ 2
| (1,3 , ) (1, 2, 2) | cos 45
( 2 6 10) 3 k k
k k
+ − ⋅ −
° = + + ⋅ ⇒
2
1 | 4 5 |
2 ( 2 6 10) 3 k
k k
− −
= + + ⋅
平方﹕9(k2 + 3k + 5) = ( − 4k − 5)2 ⇒ 7k2 + 13k − 20 = 0 ⇒ (7k + 20) (k − 1) = 0
∴ 20
k=−7 或 1﹐代回﹐
∴ 1 20 69
: 0
7 7 7
E x′ + y+ z− = 或 x + 4y − z − 6 = 0﹐即 7x + y + 20z = 69 或 x + 4y − z = 6﹒
5.求兩直線 L1﹕ 2 1
8 2 4
x+ = y =z−
− 與 L2﹕ 4 2 4
2 1 1
x− = y+ = z−
− 的交點坐標為____________﹒
解答 (2 , − 1 , 3)
解析 令 P(8t − 2 , − 2t , 4t + 1)為 L1與 L2交點﹐代入 L2﹕8 6 2 2 4 3 1
2 1 1 2
t t t
− =− + = − ⇒ =t
− ﹐
∴交點為(2 , − 1 , 3)﹒
6.設 L1﹕ 1 2 2 3 2
x y
− = + = − 與 Lz 2﹕ 2 1 2 3 5
x y
− = + = − 均落在平面 E 上﹐則平面 E 的方程式為_______﹒ z 解答 8x − 5y − z − 16 = 0
解析 L1﹕ 1 2 2 3 2 7 0 3 8 0
2 3 1
x y
x y z
y z
− − =
− + −
= = ⇒ − + = ﹐
設 E 的方程式為(3x − 2y − 7) + k(y − 3z + 8) = 0﹐
取 P(2 , − 1 , 5)∈L2 代入﹕1 − 8k = 0 ⇒ 1
k= ﹐∴E﹕8x − 5y − z − 16 = 0﹒ 8
7.已知直線 1 1 1 2
: 2 3 1
x y z
L + = − = −
− ﹐ 2 4 1
: 2 3 1
x y z
L − = + =
− ﹐ 3 1 10 1
: 3 1 2
x y z
L + = + = −
(1)L1﹐L2的距離為____________﹔
(2)L1﹐L3的交點坐標為____________﹔
(3)包含直線 L2且與直線 L3平行的平面方程式為____________﹔
(4)L2﹐L3的距離為____________﹒
解答 (1) 19 ;(2)(5, − 8,5);(3)7x + y − 11z = 27;(4)55 19 57 解析 (1)如圖﹐令垂足 H(2t + 4, − 3t − 1,t)
A( 1,1,2)
H(2t+4, 3t 1,t) L1
L2
2 2 2
(2 5) ( 3 2) ( 2)
AH = t+ + − −t + −t = 14t2+28t+33= 14(t+1)2+19﹐d(L1,L2) = 19 ﹒
(2) 1
2 1
: 3 1
2 x t
L y t
z t
= −
= − +
= +
﹐t 為實數﹐代入 L3 ⇒2 3 11 1
3 1 2
t=− +t =t+ ⇒ t = 3﹐ ∴交點(5, − 8,5)﹒
(3) C( 1, 10,1) L2
L3
B(4, 1,0) E
2 3
N =V ×V =
( − 7, − 1,11) = − (7,1, − 11)﹐ ∴E : 7x + y − 11z = 27﹒(4)d(L2,L3) = d(C,E) =| 7 10 11 27 | 55 55 171 55 19 171 57 49 1 121 171
− − − − = = =
+ + ﹒
8.如圖正立方體 ABCD − EFGH﹐若 ABCD 所在的平面方程式為 2x − y + 2z + 6 = 0﹐且 E( − 7,5, − 7) (1)EFGH 所在的平面方程式為____________﹔(2)正立方體的邊長 = ____________﹔
(3)A 點坐標為____________﹔(4)∠HAF = ____________﹒
A D
H E
F
B C
G
解答 (1)2x − y + 2z = − 33;(2)9;(3)( − 1,2, − 1);(4) 60°
解析 (1)2x − y + 2z = − 33﹒
(2)邊長= d(E,平面 ABCD) =| 14 5 14 6 | 3 9
− − − + = ﹒
(3)
7 2
: 5
7 2
x t
EA y t
z t
= − +
= −
= − +
﹐t 為實數﹐代入 2x − y + 2z + 6 = 0⇒ − 14 + 4t − 5 + t − 14 + 4t + 6 = 0 ⇒ t = 3﹐ ∴A( − 1,2, − 1)﹒
(4)∵FA=AH =HF=9 2﹐ ∴∠HAF = 60° ﹒ 9.空間中﹐若兩直線 L1﹕ 1 4
3 4 6
x y
− = − = − 和 Lz 2﹕ 1 4
2 3
x y
z k
+ = − = + 在同一平面上﹐則 k = ________﹒
解答 − 8
解析 設包含 L1與 L2之平面為 E﹐其法向量為 (3 , 4 , 1) (2 , 3,1) n n
n
⊥
⇒ ⇒
⊥
可取
n =(1 , 1 , 1)−⇒ E 的方程式﹕(x − 1) − (y − 4) + (z − 6) = 0 ⇒ x − y + z = 3
∵( − 1 , 4 , − k)∈L2⊂E﹐∴代入可求 k﹕− 1 − 4 − k = 3 ⇒ k = − 8﹒
10.空間中有三點 A(1,2,3)﹐B( − 1,0,1)﹐C(2, − 1,0)﹐
(1)求△ABC 之面積為____________﹔
(2)求 A﹐B﹐C 三點所決定之平面方程式為____________﹔
(3)△ABC 之外心坐標為____________﹔
(4)求過點 C 且與直線 AB 互相垂直之直線方程式為____________﹒(以對稱比例式表示)
解答 (1) 4 2 ;(2)y − z = − 1;(3)(9 7 23 , ,
8 16 16);(4) 2 1
2 1 1
x− = y+ = z
− −
解析 (1) AB
=( − 2, − 2, − 2)﹐ AC
=(1, − 3, − 3) ⇒ AB AC
× =(0, − 8,8) ∴△ABC =12| (0, − 8,8) | =1 2 2 2 0 ( 8) 8 4 2
2 + − + = ﹒
(2)
N = AB AC× // (0,1, − 1)﹐∴E : y − z = − 1﹒(3)
N1=AB=− 2(1,1,1)﹐又 AB 之中點(0,1,2)﹐ ∴E1 : x + y + z = 3﹐
N =AC=(1, − 3, − 3)﹐又 AC 的中點 3 1 3( , , )﹐ ∴E2 : x − 3y − 3z =−9
﹐
∴
3
9 9 7 23
: 3 3 ( , , )
2 8 16 16 1
x y z
P x y z P
y z + + =
−
− − = ⇒
− = −
﹒
(4)垂足 H 為( − 1 + t,0 + t,1 + t)﹐CH AB
⋅ =0 ⇒ (t − 3,t + 1,t + 1)・(1,1,1) = 0 ⇒ 1 t= ﹐ 3 8 4 4 4( , , ) (2, 1, 1) 3 3 3 3
CH
= − =− − − ﹐ ∴所求﹕ 2 12 1 1
x− = y+ = z
− −
11.如圖﹐ABCD − EFGH 為邊長等於 1 之正立方體﹒若 P 點在立方體之內部且滿足
3 1 2
4 2 3
AP= AB+ AD+ AE
﹐則 P 點至直線 AB 之距離為____________﹒(化成最簡分數)A B
D C E
H G
F P
解答 5 6
解析 令 A(0,0,0)﹐B(0,1,0)﹐E(0,0,1)﹐D( − 1,0,0)﹐P(x,y,z)﹐
則 3 1 2
4 2 3
AP= AB+ AD+ AE
⇒ 3 1 2 1 3 2 ( , , ) (0,1, 0) ( 1, 0, 0) (0, 0,1) ( , , )4 2 3 2 4 3
x y z = + − + = − ﹐
1 3 2 ( , , )
2 4 3
P − 到 y 軸之投影點為 3
(0, ,0)
Q 4 ﹐故 1 2 2 2 2 25 5
( ) 0 ( )
2 3 36 6
PQ= − + + = = ﹒
A (0,0,0) B (0,1,0) C D( 1,0,0) E(0,0,1)
H G
F
P (x,y,z)
x
y z
12.(1)求通過 A (3 , 1 , 5)且與
N =(2,3, 4)平行之直線參數式為____________﹒(2)求通過 A (4 , 2 , 1)﹐B (5 , 4 , 3)兩點之直線參數式為____________﹒
解答 (1)
3 2 1 3 5 4
x t
y t
z t
= +
= +
= +
(t 為實數);(2) 4 2 2 1 2
= +
= +
= +
x t
y t
z t
(t 為實數)
解析 (1)
3 2 1 3 5 4
x t
y t
z t
= +
= +
= +
(t 為實數)﹒
(2)AB
=(1, 2, 2)﹐直線 AB 之參數式為 4 2 2 1 2 = +
= +
= +
x t
y t
z t
(t 為實數)﹒
13.若直線 L﹕ 3 2
3 4 3
x y z
x y z
+ − = −
+ + =
的對稱比例式為 1
5
x c y z d
a b
+ = + = + ﹐試求 a + b + c + d = ____________﹒
解答 − 6
解析 (1 , 3 , − 1) × (3 , 4 , 1) = (7 , − 4 , − 5)﹐取方向向量為( − 7 , 4 , 5)﹐
又直線 L 上一點( − c , − 1 , − d)代入 ⇒ 3 2
3 4 3
c d
c d
− − + = −
− − − =
⇒c = − 2﹐d = − 1﹐
∴a + b + c + d = − 7 + 4 − 2 − 1 = − 6﹒
14.已知平面 E:ax + by + 2z = 3 包含直線 L: 1 2 3
1 1 3
x− = y− = z− ﹐則數對(a,b)為____________﹒
解答 ( − 9,3)
解析 將(1,2,3)代入⇒a + 2b + 6 = 3﹐又(a,b,2)⋅(1,1,3) = 0⇒a + b + 6 = 0﹐
2 3 0 9
6 0 3
a b a
a b b
+ + = = −
+ + = ⇒ =
﹐故(a,b) = ( − 9,3)﹒
15.求過點 A (3 , 4 , 5)﹐且包含直線 L﹕ 5 1 3
1 2 3
x− = y− = z+ 之平面方程式為____________﹒
解答 x − 2y + z = 0
解析 在 L 上取一點 B (5 , 1 , − 3)﹐AB
=(2, 3, 8)− − ﹐N
L =(1, 2,3)﹐ (7, 14, 7) 7(1, 2,1)AB×NL = − = −
﹐取
N =(1, 2,1)− ﹐所求平面為 x − 2y + z + d = 0﹐A (3 , 4 , 5)代入得 d = 0﹐∴所求為 x − 2y + z = 0﹒
A (3,4,5) L B(5,1, 3)
16.設 L 為 x − y + z = 1﹐x + y − z = 1 兩平面的交線﹐則 L 上與點 P (1 , 2 , 3)距離最近的點 Q 為_________﹒
解答 (1 ,5 2,5
2)
解析 L﹕ 1
1 x y z x y z
− + =
+ − =
⇒L﹕
1 x y t z t
=
=
=
﹐ t∈ ﹐
∵L 上與點 P 距離最近點為 Q﹐∴ PQ
⊥L之方向向量(0 , 1 , 1)﹐令 Q (1 , t , t)﹐則PQ
=(0,t−2,t−3)⇒(0 , t − 2 , t − 3) ⋅ (0 , 1 , 1) = 0⇒ 5t= ﹐∴2 5 5 (1, , ) Q 2 2 ﹒ P (1,2,3)
L
17.空間中四點 ABCD﹐A(−1,1,2)﹐B(0, −1,4)﹐C(−3,5,6)﹐D(1,2,0)﹐若 AE
為∠BAC 的角平分線﹐AF
為∠CAD 的角平分線﹐則 AE
與 AF
兩直線之交角為____________﹒(兩解)解答 90°﹑90°
解析 AB
=(1, 2, 2)− ﹐AC
= −( 2, 4, 4)﹐則 ( 2 2 4 4 4, , 4) (0,0, )83 3 3 3
AE
= − + − + = ﹐(2,1, 2)
AD
= − ﹐則 2 4 4 2 4 4 2 ( , , ) ( , 2,0)3 3 3 3
AF= − + + − =
﹐得 0
cos 0
8 40 3 3
∠EAF= =
×
⇒∠EAF = 90°﹐故 AE
與 AF
的交角為 90°﹑90°﹒18.設直線 L﹕ 6 2
1 2 2
x = y− = z−
− ﹐點 P ( − 1 , 2 , 3)﹐求 (1)P 點到直線 L 的距離為____________﹒
(2)P 點對直線 L 的對稱點坐標為____________﹒
解答 (1)3;(2)(3 , 6 , 5)
解析 (1)設垂足點 H (t , 6 − 2t , 2 + 2t)﹐PH
= +(t 1, 4−2 , 1 2 )t − + t ﹐N
L =(1, 2, 2)− ﹐L 0
PH N
⋅ = ⇒ t + 1 − 8 + 4t − 2 + 4t = 0 ⇒ t = 1﹒∴ H (1 , 4 , 4)﹐又PH
=(2, 2,1) ⇒ |PH
|= 4+ + =4 1 3﹒ (2)設對稱點 P' (a , b , c)﹐ PP′ 之中點即為 H 點﹐即 1 2 1
a− = ⇒ a = 3﹐ 2 2 4
b+ = ⇒ b = 6﹐ 3 2 4
c+ = ⇒ c = 5﹐∴P' (3 , 6 , 5)﹒
P ( 1,2,3)
H L
P'(a,b,c)
19.在空間坐標系中﹐設 YZ 平面為一鏡面﹐有一光線通過點 P (2 , 3 , 1)射向鏡面上的點 O (0 , 0 , 0)﹐
經鏡面反射後通過點 Q﹐若OQ=3OP﹐則 Q 點的坐標為____________﹒
解答 (6 , − 9 , − 3)
解析 P 點對於 YZ 平面之對稱點為 P' ( − 2 , 3 , 1)﹐
設 Q 點坐標(x , y , z)﹐由分點公式﹕
0 6 4 x−
= ⇒ x = 6﹐ 9
0 4
y+
= ⇒ y = − 9﹐ 3
0 4
z+
= ⇒ z = − 3﹐∴Q (6 , − 9 , − 3)﹒
P'( 2,3,1) P (2,3,1) O 1
(x,y,z)
z平面 y Q
3
20.有一道光線由點 A(0,3,0)射向平面 E:x − 2y + z + 3 = 0﹐經平面反射後通過點 B(7,1, − 14)﹐若反射
光所在的直線方程式為 3 2
x z a
b y c
− −
=
=
﹐試求數對(a,b,c) = ____________﹒
解答 ( − 4, − 5,1)
解析 找出 A 點對稱平面 E 的對稱點 A′(0 + t,3 − 2t,0 + t)﹐
AA′ 的中點在平面 E 上﹐則 6 2
2 ( ) 3 0
2 2 2
t − ⋅ − t + + = ﹐求得 t = 1﹒ t
A′(1,1,1)﹐B(7,1, − 14)在直線
3 : 2
x z a
A B b
y c
− −
=
′
=
上⇒
1 3 1 2 1
a b c
− −
=
=
﹐
7 3 14 2
1
a b c
− − −
=
=
﹐求得(a,b,c) = ( − 4, − 5,1)﹒
A
A'
B
E
21.已知兩直線 L1﹕
7 2 4
1 2
x t
y t
z t
= +
= +
= − −
(t 為實數)﹐L2﹕ 7
1 2 5 2
x s
y s
z s
= +
= − −
= +
(s 為實數)﹐交於 A 點﹐求 A 之坐標
為_________________﹒
解答 (5 , 3 , 1) 解析 7 2 7
4 1 2
x t s
y t s
= + = +
= + = − −
⇒ 2 0
2 5
t s t s
− =
+ = −
﹐∴t = − 1﹐s = − 2﹐即交點 A (5 , 3 , 1)﹒
22.已知直線 1 6 1
: 2 3 5
x y z
L + = − = +
− ﹐E : x − 3y + 2z + 4 = 0﹐則包含直線 L 且與平面 E 垂直的平面為____﹒
解答 x + y + z − 4 = 0
解析 V
L =(2,3, − 5)﹐N
E =(1, − 3,2)﹐設所求平面法向量 N
﹐
N =VL×NE =− 9(1,1,1)﹐又平面過( − 1,6, − 1) ⇒ x + y + z = − 1 + 6 − 1 = 4﹐∴x + y + z − 4 = 0﹒
23.已知 A(1,0,0)﹐及一直線 2 :x y z
L = − = ﹐
(1)求過 A 點且包含直線 L 的平面方程式為____________﹔
(2)求過 A 點且垂直直線 L 的直線方程式為____________﹒
解答 (1)2x + y − 2z = 2;(2) 1
2 2 1
x− = y =z
−
解析 (1)
N =BA V× L =(1, − 2,0) × (1,2,2) = ( − 4, − 2,4) = − 2(2,1, − 2) ∴E : 2x + y − 2z = 2﹒A (1,0,0)
B (0,2,0) VL= (1,2,2) N
E
(2)垂足 H(t,2 + 2t,2t)﹐ AH =
(t − 1,2t + 2,2t)﹐V
L =(1,2,2)∵AH
⊥VL ﹐∴AH V
⋅ L =0 ⇒1・(t − 1) + 2・(2t + 2) + 2・2t = 0 ⇒ t = 1− 3
⇒ 4 4 2 2
( , , ) (2, 2,1)
3 3 3 3
AH
= − − = − − ﹐ ∴所求 : 12 2 1
x y z
AH − = =
− ﹒ LA
H
24.設 A(1,0,1)﹐B(2,2,3)﹐則 AB
在直線 : 1 1 52 3 6
x y z
L + = − = + 上投影的長度為____________﹒
解答 20 7
解析 AB
=(1,2,2)﹐VL =
(2,3,6)﹐∴所求 | | | 2 6 12 | 207 7
| |
L
L
AB V V
⋅ + +
=
= = ﹒25.直線 1 2
1 2 2
x = y− = z−
− 及 1 2
2 3 6
x= y− = z−
− 所夾的銳角平分線方程式為____________﹒
解答 1 2
1 23 32
x = y− =z−
−
解析 (1,2, − 2)・(2, − 3,6) = 2 − 6 − 12 < 0……夾鈍角
∴銳角之平分線的方向向量 = (1, 2, 2) ( 2,3, 6) 1
(1, 23, 32)
3 7 21
− + − − = −
又兩線之交點為(0,1,2)﹐∴所求﹕ 1 2
1 23 32
x= y− = z−
− ﹒
26. 1
1 2
: 2 3
2
x t
L y t
z t
= +
= − +
= −
﹐t 為實數﹔ 2
3
: 3 2
5 2
x t
L y t
z t
= +
= +
= − −
﹐t 為實數﹐過 L1﹐L2之交點且與 L1﹐L2均垂直的直線
方程式為 1
4
x y a z b
c d
+ = − = − ﹐則序組(a,b,c,d) = ____________﹒
解答 ( − 5,3, − 3, − 1)
解析 (1)點( − 1,a,b)代入 1
1 1 2
: 2 3
2 t
L a t
b t
− = +
= − +
= −
∴t = − 1﹐∴a = − 5﹐b = 3﹒
(2)
V = V1×V2 =(2,3, − 1) × (1,2, − 2) = ( − 4,3,1) = − (4, − 3, − 1) ∴c = − 3﹐d = − 1﹐ 故(a,b,c,d) = ( − 5,3, − 3, − 1)﹒27.二歪斜線 1 4 1 1
: 2 4 3
x y z
L − = − = − 與 2 3 3 2
: 2 5 4
x y z
L − = + = − ﹐則
(1)包含 L2且平行 L1的平面方程式為____________﹔
(2)兩歪斜線 L1與 L2的公垂距離為____________﹒
解答 (1)x − 2y + 2z = 13;(2)3
解析 (1)
N = V1×V2 =(2,4,3) × (2,5,4) = (1, − 2,2)﹐ ∴E : x − 2y + 2z = 13﹒(2)d(L1,L2) = d(A,E) | 4 2 2 13 | 3 3
− + −
= = ﹒
L1
L2
B(3, 3,2) A (4,1,1)
E