已知向量 a\mathbf{a} 和 b\mathbf{b} 为 a=i+(sin⁡θ)j+(cos⁡θ)k\mathbf{a}=\mathbf{i}+(\sin\theta)\mathbf{j}+(\cos\theta)\mathbf{k}\quad 且 b=i+(sin⁡ϕ)j+(cos⁡ϕ)k\quad\mathbf{b}=\mathbf{i}+(\sin\phi)\mathbf{j}+(\cos\phi)\mathbf{k},其中 0≤θ≤ϕ≤π0\le\theta\le\phi\le\pi。

  1. (a)

    求用 δ\delta 表示 ∣a×b∣|\mathbf{a}\times\mathbf{b}| 的表达式,其中 δ=12(ϕ−θ)\delta=\frac{1}{2}(\phi-\theta)。

  2. (b)

    由此推导证明,aa 与 bb 之间的夹角 α\alpha 满足 sin⁡α=sin⁡δ1+cos⁡2δ\sin\alpha=\sin\delta\sqrt{1+\cos^2\delta}。

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完整解法

2(a)

1. Find the cross product $\mathbf{a}\times\mathbf{b}$.

a×b=∣ijk1sin⁡θcos⁡θ1sin⁡ϕcos⁡ϕ∣\mathbf{a}\times\mathbf{b} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ 1 & \sin\theta & \cos\theta \\ 1 & \sin\phi & \cos\phi \end{vmatrix}
=(sin⁡θcos⁡ϕ−cos⁡θsin⁡ϕ)i−(cos⁡ϕ−cos⁡θ)j+(sin⁡ϕ−sin⁡θ)k= (\sin\theta\cos\phi - \cos\theta\sin\phi)\mathbf{i} - (\cos\phi - \cos\theta)\mathbf{j} + (\sin\phi - \sin\theta)\mathbf{k}
=sin⁡(θ−ϕ)i+(cos⁡θ−cos⁡ϕ)j+(sin⁡ϕ−sin⁡θ)k= \sin(\theta-\phi)\mathbf{i} + (\cos\theta - \cos\phi)\mathbf{j} + (\sin\phi - \sin\theta)\mathbf{k}

2. Set up the square of the magnitude $|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|^2$.

∣a×b∣2=sin⁡2(θ−ϕ)+(cos⁡θ−cos⁡ϕ)2+(sin⁡ϕ−sin⁡θ)2|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|^2 = \sin^2(\theta-\phi) + (\cos\theta - \cos\phi)^2 + (\sin\phi - \sin\theta)^2

3. Expand the squared terms and group trigonometric identities.

∣a×b∣2=sin⁡2(θ−ϕ)+cos⁡2θ−2cos⁡θcos⁡ϕ+cos⁡2ϕ+sin⁡2ϕ−2sin⁡ϕsin⁡θ+sin⁡2θ|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|^2 = \sin^2(\theta-\phi) + \cos^2\theta - 2\cos\theta\cos\phi + \cos^2\phi + \sin^2\phi - 2\sin\phi\sin\theta + \sin^2\theta
=sin⁡2(θ−ϕ)+(cos⁡2θ+sin⁡2θ)+(cos⁡2ϕ+sin⁡2ϕ)−2(cos⁡θcos⁡ϕ+sin⁡θsin⁡ϕ)= \sin^2(\theta-\phi) + (\cos^2\theta + \sin^2\theta) + (\cos^2\phi + \sin^2\phi) - 2(\cos\theta\cos\phi + \sin\theta\sin\phi)

4. Simplify the expression using the compound angle formula for cosine.

∣a×b∣2=sin⁡2(θ−ϕ)+1+1−2cos⁡(θ−ϕ)|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|^2 = \sin^2(\theta-\phi) + 1 + 1 - 2\cos(\theta-\phi)
=sin⁡2(θ−ϕ)+2−2cos⁡(θ−ϕ)= \sin^2(\theta-\phi) + 2 - 2\cos(\theta-\phi)

5. Substitute $\theta-\phi = -2\delta$ and express entirely in terms of $\delta$ using double angle formulas.

Given δ=12(ϕ−θ)\delta = \frac{1}{2}(\phi-\theta), we have θ−ϕ=−2δ\theta-\phi = -2\delta.
∣a×b∣2=sin⁡2(−2δ)+2−2cos⁡(−2δ)|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|^2 = \sin^2(-2\delta) + 2 - 2\cos(-2\delta)
=sin⁡2(2δ)+2−2cos⁡(2δ)= \sin^2(2\delta) + 2 - 2\cos(2\delta)
Using double angle formulas sin⁡(2δ)=2sin⁡δcos⁡δ\sin(2\delta) = 2\sin\delta\cos\delta and cos⁡(2δ)=1−2sin⁡2δ\cos(2\delta) = 1 - 2\sin^2\delta:
∣a×b∣2=(2sin⁡δcos⁡δ)2+2−2(1−2sin⁡2δ)|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|^2 = (2\sin\delta\cos\delta)^2 + 2 - 2(1 - 2\sin^2\delta)

6. Factorise and evaluate the square root to find $|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|$.

∣a×b∣2=4sin⁡2δcos⁡2δ+4sin⁡2δ|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|^2 = 4\sin^2\delta\cos^2\delta + 4\sin^2\delta
=4sin⁡2δ(cos⁡2δ+1)= 4\sin^2\delta(\cos^2\delta + 1)
Taking the positive square root:
∣a×b∣=4sin⁡2δ(1+cos⁡2δ)=2∣sin⁡δ∣1+cos⁡2δ|\mathbf{a}\times\mathbf{b}| = \sqrt{4\sin^2\delta(1+\cos^2\delta)} = 2|\sin\delta|\sqrt{1+\cos^2\delta}
Since 0≤θ≤ϕ≤π0 \le \theta \le \phi \le \pi, we have 0≤ϕ−θ≤π0 \le \phi-\theta \le \pi, which means 0≤δ≤π20 \le \delta \le \frac{\pi}{2}.
In this range, sin⁡δ≥0\sin\delta \ge 0, so ∣sin⁡δ∣=sin⁡δ|\sin\delta| = \sin\delta.
∣a×b∣=2sin⁡δ1+cos⁡2δ|\mathbf{a}\times\mathbf{b}| = 2\sin\delta\sqrt{1+\cos^2\delta}

答案

2sin⁡δ1+cos⁡2δ2\sin\delta\sqrt{1+\cos^2\delta}

2(b)

1. Retrieve the expression for $|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|$ from part (a)

a×b=(1sin⁡θcos⁡θ)×(1sin⁡ϕcos⁡ϕ)=(sin⁡θcos⁡ϕ−cos⁡θsin⁡ϕcos⁡θ−cos⁡ϕsin⁡ϕ−sin⁡θ)\mathbf{a}\times\mathbf{b} = \begin{pmatrix} 1 \\ \sin\theta \\ \cos\theta \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} 1 \\ \sin\phi \\ \cos\phi \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \sin\theta\cos\phi - \cos\theta\sin\phi \\ \cos\theta - \cos\phi \\ \sin\phi - \sin\theta \end{pmatrix}
=(−sin⁡(ϕ−θ)2sin⁡(ϕ+θ2)sin⁡(ϕ−θ2)2cos⁡(ϕ+θ2)sin⁡(ϕ−θ2))=(−sin⁡(2δ)2sin⁡(ϕ+θ2)sin⁡δ2cos⁡(ϕ+θ2)sin⁡δ)= \begin{pmatrix} -\sin(\phi-\theta) \\ 2\sin\left(\frac{\phi+\theta}{2}\right)\sin\left(\frac{\phi-\theta}{2}\right) \\ 2\cos\left(\frac{\phi+\theta}{2}\right)\sin\left(\frac{\phi-\theta}{2}\right) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -\sin(2\delta) \\ 2\sin\left(\frac{\phi+\theta}{2}\right)\sin\delta \\ 2\cos\left(\frac{\phi+\theta}{2}\right)\sin\delta \end{pmatrix}
∣a×b∣2=sin⁡2(2δ)+4sin⁡2δ[sin⁡2(ϕ+θ2)+cos⁡2(ϕ+θ2)]|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|^2 = \sin^2(2\delta) + 4\sin^2\delta \left[ \sin^2\left(\frac{\phi+\theta}{2}\right) + \cos^2\left(\frac{\phi+\theta}{2}\right) \right]
=(2sin⁡δcos⁡δ)2+4sin⁡2δ=4sin⁡2δ(cos⁡2δ+1)= (2\sin\delta\cos\delta)^2 + 4\sin^2\delta = 4\sin^2\delta(\cos^2\delta + 1)
∣a×b∣=2sin⁡δ1+cos⁡2δ|\mathbf{a}\times\mathbf{b}| = 2\sin\delta\sqrt{1+\cos^2\delta}

2. Calculate the magnitudes of vectors $\mathbf{a}$ and $\mathbf{b}$

∣a∣=12+sin⁡2θ+cos⁡2θ=1+1=2|\mathbf{a}| = \sqrt{1^2 + \sin^2\theta + \cos^2\theta} = \sqrt{1 + 1} = \sqrt{2}
∣b∣=12+sin⁡2ϕ+cos⁡2ϕ=1+1=2|\mathbf{b}| = \sqrt{1^2 + \sin^2\phi + \cos^2\phi} = \sqrt{1 + 1} = \sqrt{2}

3. Deduce the expression for $\sin\alpha$ using the geometric property of the cross product

The magnitude of the cross product is related to the angle α\alpha between the vectors by:
∣a×b∣=∣a∣∣b∣sin⁡α|\mathbf{a}\times\mathbf{b}| = |\mathbf{a}||\mathbf{b}|\sin\alpha
Substituting the expressions from the previous steps:
2sin⁡δ1+cos⁡2δ=(2)(2)sin⁡α2\sin\delta\sqrt{1+\cos^2\delta} = (\sqrt{2})(\sqrt{2})\sin\alpha
2sin⁡δ1+cos⁡2δ=2sin⁡α2\sin\delta\sqrt{1+\cos^2\delta} = 2\sin\alpha
sin⁡α=sin⁡δ1+cos⁡2δ(shown)\sin\alpha = \sin\delta\sqrt{1+\cos^2\delta} \quad \text{(shown)}

答案

sin⁡α=sin⁡δ1+cos⁡2δ(shown)\sin\alpha = \sin\delta\sqrt{1+\cos^2\delta} \quad \text{(shown)}

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