向量的應用(DSE M2):投影、面積及夾角

DSE M2 的向量應用有五類:判別平行與垂直、分割線段、求一個向量在另一向量上的投影、求兩向量的夾角,以及用 ½|AB × AC| 求三角形或平行四邊形的面積。

用 AI 逐步解向量的應用題目
例題 1 的三角形 ABC,以及在 A 點畫出的法向量 AB × AC = 3i + 4j + 5k。 自己試試 →

向量的應用:公式

b 在 a 上的投影((a · b) / |a|²) a
投影的長度|a · b| / |a|
兩向量的夾角cos θ = (a · b) / (|a||b|)
三角形 ABC 的面積½ |AB × AC|
平行四邊形的面積|a × b|
分點公式(AP : PB = m : n)OP = (na + mb) / (m + n)
平行/垂直a × b = 0(平行);a · b = 0(垂直)

點到通過三點的平面的距離

平面方程不在 M2 課程範圍內,應試方法是利用法向量及投影:

  1. 在平面上取兩個向量,例如 AB 及 AC。
  2. 平面的法向量為 n = AB × AC。
  3. 把點 P 與平面上任意一點連起來,例如 AP。
  4. 所求距離就是 AP 在 n 上的投影長度:|AP · n| / |n|。

同一方法可求點到直線的距離:先由指向該點的向量減去沿直線方向的投影,再求其模。

向量的應用例題詳解

例題 1:由三點求三角形面積

已知三點 A(1, 0, 2)、B(3, 1, 0) 及 C(0, 2, 1)。求三角形 ABC 的面積。

  1. AB = 2i + j − 2k, AC = −i + 2j − k
  2. AB × AC = [(1)(−1) − (−2)(2)]i − [(2)(−1) − (−2)(−1)]j + [(2)(2) − (1)(−1)]k = 3i + 4j + 5k
  3. |AB × AC| = √(9 + 16 + 25) = √50 = 5√2
  4. 面積 = ½ × 5√2 = 5√2 / 2

答案: 5√2 / 2 平方單位(≈ 3.54)

例題 2:一個向量在另一向量上的投影

設 a = 3i + 4k 及 b = i + 2j + 2k 分別為 A、B 的位置向量。求 b 在 a 上的投影,並由此求 B 到直線 OA 的距離。

  1. a · b = 3 + 0 + 8 = 11, |a|² = 25
  2. 投影 = (11/25)(3i + 4k) = (33/25)i + (44/25)k
  3. 投影的長度 = 11/5,而 |b| = 3
  4. 由畢氏定理,距離 = √(3² − (11/5)²) = √(104/25) = 2√26 / 5

答案: 投影 (33/25)i + (44/25)k;距離 2√26 / 5(≈ 2.04)

💡 應試陷阱與秘訣 (DSE 奪星陷阱)

⚠️ 投影在 a 上,分母是 |a|²b 在 a 上的投影向量是 a 的倍數:((a · b)/|a|²)a。若除以 |b|² 或乘以 b,就變成反方向的投影。
⚠️ 三角形面積要乘 ½|AB × AC| 是平行四邊形的面積,三角形只佔一半。兩個向量亦必須由同一頂點出發。

✏️ 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。

(用向量積求面積)求頂點為 A(1, 2, 3)、B(2, 0, 1) 及 C(0, 1, 4) 的三角形面積。
(投影)求 2i + 3j − k 在 i + 2j + 2k 上的投影。
(點到平面的距離)用向量方法求 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。

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