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108指考數學甲試題-非選擇一(3)


<非選擇題>坐標空間中以\(o\)表示原點,給定兩向量\(\overrightarrow{OA}=(1,\sqrt{2},1)\)、\(\overrightarrow{OB}=(2,0,0)\)。試回答下列問題。
若\(\overrightarrow{OQ}\)是長度為2的向量,分別與\(\overrightarrow{OA}\)、\(\overrightarrow{OB}\)之夾角皆為\(60^{\circ}\),已知滿足此條件的所有點\(Q\)均落在一直線\(L\)上,試求直線\(L\)的方向向量。(4分)

答案

設\(\overrightarrow{OQ}=(x,y,z)\),\(\vert\overrightarrow{OQ}\vert = 2\),則\(x^{2}+y^{2}+z^{2}=4\)。
由\(\overrightarrow{OQ}\)與\(\overrightarrow{OA}\)夾角為\(60^{\circ}\),根據向量內積公式\(\overrightarrow{OQ}\cdot\overrightarrow{OA}=\vert\overrightarrow{OQ}\vert\vert\overrightarrow{OA}\vert\cos60^{\circ}\),\(\vert\overrightarrow{OA}\vert = 2\),可得\(\overrightarrow{OQ}\cdot\overrightarrow{OA}=x+\sqrt{2}y + z = 2\times2\times\frac{1}{2}=2\) ①。
由\(\overrightarrow{OQ}\)與\(\overrightarrow{OB}\)夾角為\(60^{\circ}\),\(\vert\overrightarrow{OB}\vert = 2\),可得\(\overrightarrow{OQ}\cdot\overrightarrow{OB}=2x=2\times2\times\frac{1}{2}=2\),解得\(x = 1\)。
把\(x = 1\)代入①式得:\(1+\sqrt{2}y + z = 2\),即\(z = 1-\sqrt{2}y\)。
將\(x = 1\),\(z = 1-\sqrt{2}y\)代入\(x^{2}+y^{2}+z^{2}=4\)得:\(1 + y^{2}+(1-\sqrt{2}y)^{2}=4\),
展開得:\(1 + y^{2}+1 - 2\sqrt{2}y + 2y^{2}=4\),
整理得:\(3y^{2}-2\sqrt{2}y - 2 = 0\),
分解因式得:\((\sqrt{3}y+\sqrt{2})(\sqrt{3}y-\sqrt{2}) = 0\),
解得\(y_1=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\),\(y_2=-\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\)。
當\(y=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\)時,\(z = 1-\frac{2}{\sqrt{3}}\);當\(y=-\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\)時,\(z = 1+\frac{2}{\sqrt{3}}\)。
設直線\(L\)的方向向量為\(\overrightarrow{d}=(m,n,p)\),取\(Q_1(1,\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}},1-\frac{2}{\sqrt{3}})\),\(Q_2(1,-\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}},1+\frac{2}{\sqrt{3}})\),
則\(\overrightarrow{d}=\overrightarrow{Q_1Q_2}=(0,-\frac{2\sqrt{2}}{\sqrt{3}},\frac{4}{\sqrt{3}})\),化簡得\(\overrightarrow{d}=(0,-\sqrt{2},2)\)(方向向量不唯一,與之平行的向量均可)。


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