DSE M2:如何把 3D 向量視覺化

M2 向量題目失分,多半因為看不到圖形:哪些向量在平面上、哪一個是法向量、垂足落在哪裡。應先把圖像弄清楚:畫出各點,連起張成平面的兩個向量,加上向量積作為法向量,然後才開始計算。

把我的向量題目畫成 3D 圖
上述例題的 3D 圖:平面 ABC、法向量 n = 6i + 3j + 2k,以及由 P 到垂足 F 的垂線。轉動視圖可見 PF 與 n 平行。 自己試試 →

為甚麼 M2 向量題目特別難

向量題目用一段文字描述一個立體圖形,而你只能在平面的紙上作答。常見問題有三個:

  • 選錯向量。求面積或法向量時,需要由平面上同一點出發的兩個向量。沒有圖像時,很容易把 AB 與 CA 混淆。
  • 方向。a × b 指向上還是向下、投影是正還是負,單看數字無法判斷。
  • 無從驗算。在紙上,錯的法向量看起來與對的一樣合理;在三維視圖中,錯的法向量明顯是歪的。

處理任何 3D 向量題目的四個步驟

  1. 標出各點。把每一點寫成由 O 出發的位置向量。
  2. 確定平面。選平面上一點作起點,由它引出兩個向量,例如 AB 及 AC。
  3. 求法向量。n = AB × AC,並用兩次純量積驗算。
  4. 投影。點到平面的距離是連接向量在 n 上的投影;夾角由純量積求得;面積是向量積的模的一半。

之後把同一條題目打開成 3D 圖,轉動至平面側向你。若法向量確實垂直,它會由平面邊緣筆直豎起。

輸入題目,而不是自行作圖

一般的繪圖工具功能強大,但處理向量題目時,每一點、每個向量和平面都要自己逐一輸入,而且滑鼠一不小心便可能弄亂已設定好的圖形。SketchMath 的做法相反:你輸入題目(或上載相片),它便替你寫好 GeoGebra 的作圖步驟,並按題目的名稱標示各點。圖像生成後仍可自由拖動及旋轉。

如何把 3D 向量視覺化例題詳解

例題 1:點到平面的距離(配合圖像)

求 P(1, 1, 5) 到通過 A(1, 0, 0)、B(0, 2, 0) 及 C(0, 0, 3) 的平面的距離。

  1. AB = −i + 2j, AC = −i + 3k
  2. 法向量:n = AB × AC = 6i + 3j + 2k,|n| = √(36 + 9 + 4) = 7
  3. AP = j + 5k
  4. AP · n = (0)(6) + (1)(3) + (5)(2) = 13
  5. 距離 = |AP · n| / |n| = 13/7

答案: 13/7(≈ 1.86)

✏️ 自我測試:互動練習

溫習方法:點擊以下任何題目,即時在坐標網格載入並核對計算步驟。

(3D 向量積)在 3D 中畫出向量 a = i + 2j + 2k 與 b = 2i − j + 2k,並顯示 a × b。
(3D 三角形)A(2, 0, 0)、B(0, 3, 0)、C(0, 0, 6)。在 3D 中顯示三角形 ABC 並求其面積。
(3D 投影)在 3D 中顯示 b = 2i + 2j + k 在 a = i + j 上的投影。
「基本上所有 3D topic(core + M2)都好幫到手!for some cases 複雜啲嘅 2D + 四心都唔錯!而平時 Desmos 成日會郁多咗,想改又要重新嚟過,唔方便之餘仲浪費時間,同埋冇得好似 SketchMath 咁入條題目就可以出成個 graph。M2 vectors 嗰度一定會吸引多啲人用,因為每條都真係好 kick。」
— 一位使用 SketchMath 的 DSE 學生(用戶意見)

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