Relative to the origin, the fixed point AA has position vector a\mathbf{a}. The line ll has equation r=sd\mathbf{r} = s\mathbf{d}, where ss is a parameter and d\mathbf{d} is a unit vector not parallel to a\mathbf{a}.

  1. (a)

    Interpret geometrically the vector equation r=a+td\mathbf{r} = \mathbf{a} + t\mathbf{d}, t∈Rt \in \mathbb{R}.

  2. (b)

    Find, in terms of a\mathbf{a} and d\mathbf{d}, the position vector of the foot of perpendicular from AA to ll.

  3. (c)

    A variable point PP with position vector p\mathbf{p} lies on the plane containing AA and ll. Describe the locus of PP if ∣p×d∣=∣a×d∣|\mathbf{p} \times \mathbf{d}| = |\mathbf{a} \times \mathbf{d}|.

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Worked solution

(a)

1. 解释向量方程的几何意义

向量方程 r=a+td\mathbf{r} = \mathbf{a} + t\mathbf{d}(t∈Rt \in \mathbb{R})表示一条经过固定点 AA(位置向量为 a\mathbf{a})、且方向向量为 d\mathbf{d} 的直线。由于直线 ll 的方向向量也是 d\mathbf{d},因此该直线与直线 ll 平行。

Answer

表示一条经过点 AA(位置向量为 a\mathbf{a})且平行于直线 ll(方向向量为 d\mathbf{d})的直线。

(b)

1. 设垂足 $F$ 的位置向量并表示向量 $\overrightarrow{AF}$

设点 AA 到直线 ll 的垂足为 FF。因为 FF 在直线 l:r=sdl: \mathbf{r} = s\mathbf{d} 上,所以可设 FF 的位置向量为 f=sd\mathbf{f} = s\mathbf{d}(其中 s∈Rs \in \mathbb{R})。
则向量 AF→=f−a=sd−a\overrightarrow{AF} = \mathbf{f} - \mathbf{a} = s\mathbf{d} - \mathbf{a}。

2. 利用垂直条件求解参数 $s$ 并得出垂足的位置向量

由于 AF⊥lAF \perp l,向量 AF→\overrightarrow{AF} 与直线 ll 的方向向量 d\mathbf{d} 垂直,即:
AF→⋅d=0\overrightarrow{AF} \cdot \mathbf{d} = 0
(sd−a)⋅d=0(s\mathbf{d} - \mathbf{a}) \cdot \mathbf{d} = 0
s(d⋅d)−a⋅d=0s(\mathbf{d} \cdot \mathbf{d}) - \mathbf{a} \cdot \mathbf{d} = 0
因为 d\mathbf{d} 是单位向量,所以 d⋅d=∣d∣2=1\mathbf{d} \cdot \mathbf{d} = |\mathbf{d}|^2 = 1。
代入得 s−a⋅d=0s - \mathbf{a} \cdot \mathbf{d} = 0,解得 s=a⋅ds = \mathbf{a} \cdot \mathbf{d}。
因此,垂足 FF 的位置向量为 f=(a⋅d)d\mathbf{f} = (\mathbf{a} \cdot \mathbf{d})\mathbf{d}。

Answer

(a⋅d)d(\mathbf{a} \cdot \mathbf{d})\mathbf{d}

(c)

1. 解释等式中向量叉积模长的几何意义

因为 d\mathbf{d} 是单位向量(∣d∣=1|\mathbf{d}| = 1),对任意点 XX(位置向量为 x\mathbf{x}),∣x×d∣=∣x∣∣d∣sin⁡θ=∣x∣sin⁡θ|\mathbf{x} \times \mathbf{d}| = |\mathbf{x}||\mathbf{d}|\sin\theta = |\mathbf{x}|\sin\theta,这表示点 XX 到直线 ll(方向向量为 d\mathbf{d},过原点)的垂直距离。
因此,∣a×d∣|\mathbf{a} \times \mathbf{d}| 表示定点 AA 到直线 ll 的垂直距离,而 ∣p×d∣|\mathbf{p} \times \mathbf{d}| 表示动点 PP 到直线 ll 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 ∣p×d∣=∣a×d∣|\mathbf{p} \times \mathbf{d}| = |\mathbf{a} \times \mathbf{d}| 表明动点 PP 到直线 ll 的垂直距离恒等于定点 AA 到直线 ll 的垂直距离。
已知 PP 位于包含点 AA 和直线 ll 的平面内。在改平面内,与直线 ll 的垂直距离为定值 ∣a×d∣|\mathbf{a} \times \mathbf{d}| 的点的集合是两条平行于 ll 的直线:

  1. 第一条直线经过点 AA,方程为 r=a+td\mathbf{r} = \mathbf{a} + t\mathbf{d}(t∈Rt \in \mathbb{R});
  2. 第二条直线位于 ll 的另一侧,经过点 AA 关于直线 ll 的对称点 A′A'。根据 (b) 问求出的垂足 f=(a⋅d)d\mathbf{f} = (\mathbf{a} \cdot \mathbf{d})\mathbf{d},对称点 A′A' 的位置向量为:
    a′=a+2(f−a)=2(a⋅d)d−a\mathbf{a}' = \mathbf{a} + 2(\mathbf{f} - \mathbf{a}) = 2(\mathbf{a} \cdot \mathbf{d})\mathbf{d} - \mathbf{a}
    故第二条直线的方程为 r=2(a⋅d)d−a+td\mathbf{r} = 2(\mathbf{a} \cdot \mathbf{d})\mathbf{d} - \mathbf{a} + t\mathbf{d}(t∈Rt \in \mathbb{R})。
    综上,动点 PP 的轨迹是包含 AA 和 ll 的平面内两条平行于直线 ll 且到 ll 的垂直距离均为 ∣a×d∣|\mathbf{a} \times \mathbf{d}| 的直线。
Answer

动点 PP 的轨迹是包含 AA 和 ll 的平面内两条平行于直线 ll 的直线,与 ll 的垂直距离均为 ∣a×d∣|\mathbf{a} \times \mathbf{d}|(其中一条方程为 r=a+td\mathbf{r} = \mathbf{a} + t\mathbf{d};另一条方程为 r=2(a⋅d)d−a+td\mathbf{r} = 2(\mathbf{a} \cdot \mathbf{d})\mathbf{d} - \mathbf{a} + t\mathbf{d})。

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