Relative to the origin, the fixed point has position vector . The line has equation , where is a parameter and is a unit vector not parallel to .
- (a)
Interpret geometrically the vector equation , .
- (b)
Find, in terms of and , the position vector of the foot of perpendicular from to .
- (c)
A variable point with position vector lies on the plane containing and . Describe the locus of if .
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Worked solution
(a)
1. 解释向量方程的几何意义
向量方程 ()表示一条经过固定点 (位置向量为 )、且方向向量为 的直线。由于直线 的方向向量也是 ,因此该直线与直线 平行。
表示一条经过点 (位置向量为 )且平行于直线 (方向向量为 )的直线。
(b)
1. 设垂足 $F$ 的位置向量并表示向量 $\overrightarrow{AF}$
设点 到直线 的垂足为 。因为 在直线 上,所以可设 的位置向量为 (其中 )。
则向量 。
2. 利用垂直条件求解参数 $s$ 并得出垂足的位置向量
由于 ,向量 与直线 的方向向量 垂直,即:
因为 是单位向量,所以 。
代入得 ,解得 。
因此,垂足 的位置向量为 。
(c)
1. 解释等式中向量叉积模长的几何意义
因为 是单位向量(),对任意点 (位置向量为 ),,这表示点 到直线 (方向向量为 ,过原点)的垂直距离。
因此, 表示定点 到直线 的垂直距离,而 表示动点 到直线 的垂直距离。
2. 结合平面约束得出动点 $P$ 的几何轨迹并给出具体方程
条件 表明动点 到直线 的垂直距离恒等于定点 到直线 的垂直距离。
已知 位于包含点 和直线 的平面内。在改平面内,与直线 的垂直距离为定值 的点的集合是两条平行于 的直线:
- 第一条直线经过点 ,方程为 ();
- 第二条直线位于 的另一侧,经过点 关于直线 的对称点 。根据 (b) 问求出的垂足 ,对称点 的位置向量为:
故第二条直线的方程为 ()。
综上,动点 的轨迹是包含 和 的平面内两条平行于直线 且到 的垂直距离均为 的直线。
动点 的轨迹是包含 和 的平面内两条平行于直线 的直线,与 的垂直距离均为 (其中一条方程为 ;另一条方程为 )。
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