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Geometry · real student question

正方形的兩個相鄰頂點為 A(2, −1) 與 B(−1, 3)。求另外兩個頂點的座標。

Question

正方形的兩個相鄰頂點為

A(2,−1)andB(−1,3).A(2,-1)\qquad\text{and}\qquad B(-1,3).

求另外兩個頂點的座標。

Step-by-step solution

  1. 把題給的邊化成向量。 因為 AA 與 BB 是相鄰頂點,線段 ABAB 是正方形的一整條邊,不是對角線。它的向量是

    AB→=B−A=(−1−2,  3−(−1))=(−3, 4),\overrightarrow{AB}=B-A=(-1-2,\;3-(-1))=(-3,\,4),

    長度 ∣AB→∣=(−3)2+42=5|\overrightarrow{AB}|=\sqrt{(-3)^2+4^2}=5。所以正方形的邊長是 55。

  2. 把這個向量旋轉 90 度得到相鄰邊。 正方形的相鄰邊互相垂直且等長 —— 這正是 90∘90^\circ 旋轉會產生的效果。把 (x,y)(x,y) 逆時針旋轉得 (−y,x)(-y,x)、順時針旋轉得 (y,−x)(y,-x),所以由 (−3,4)(-3,4) 得到兩個候選

    (−4,−3)and(4,3),(-4,-3)\qquad\text{and}\qquad(4,3),

    長度都是 55。兩種旋轉表示有兩個合法的正方形,分別落在 ABAB 的兩側 —— 照題目字面來看有兩組答案,只給一組是不完整的。

  3. 情形一:平移 (4,3)(4,3)。 把這個向量加到兩個已知頂點上,就把邊 ABAB 推到正方形的對邊:

    D=A+(4,3)=(6,2),C=B+(4,3)=(3,6).D=A+(4,3)=(6,2),\qquad C=B+(4,3)=(3,6).

    正方形為 A(2,−1)A(2,-1)、B(−1,3)B(-1,3)、C(3,6)C(3,6)、D(6,2)D(6,2)。

  4. 情形二:平移 (−4,−3)(-4,-3)。 用另一個方向的旋轉會得到鏡像的正方形:

    D=A+(−4,−3)=(−2,−4),C=B+(−4,−3)=(−5,0).D=A+(-4,-3)=(-2,-4),\qquad C=B+(-4,-3)=(-5,0).

    正方形為 A(2,−1)A(2,-1)、B(−1,3)B(-1,3)、C(−5,0)C(-5,0)、D(−2,−4)D(-2,-4)。

  5. 驗證兩個正方形。 兩種情形下四邊都是 55,兩條對角線都是 52≈7.0715\sqrt{2}\approx 7.071 —— 對角線相等且等於邊長 ×2\times\sqrt2,正是正方形與菱形的分野。兩種情形的內積 AB→⋅BC→=0\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{BC}=0 也確認了直角。

Answer

C(3,6), D(6,2)或C(−5,0), D(−2,−4)C(3,6),\ D(6,2)\quad\text{或}\quad C(-5,0),\ D(-2,-4)

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