以原点 OO 为基准,点 AA、PP 和 QQ 的位置向量分别为 a\mathbf{a}、p\mathbf{p} 和 q\mathbf{q}。一条穿过点 AA 的直线 ll 平行于单位向量 e\mathbf{e}。

  1. (i)

    点 QQ 在直线 ll 上。证明 (q−a)×e=0(\mathbf{q} - \mathbf{a}) \times \mathbf{e} = \mathbf{0}。

  2. (ii)

    已知 PP 不在直线 ll 上,给出 ∣(p−a)×e∣|(\mathbf{p} - \mathbf{a}) \times \mathbf{e}| 的几何意义。

  3. (iii)

    另已知 p=3q\mathbf{p} = 3\mathbf{q} 且 AQAQ 长度为 2 个单位。

    利用 (i) 和 (ii) 的结果(或用其他方法),证明三角形 APQAPQ 的面积可以写为 k∣q×e∣k|\mathbf{q} \times \mathbf{e}|,其中 kk 是待定的常数。

  4. (iv)

    由此(或用其他方法),求直线 ll 与 PQPQ 之间的锐角,进一步已知三角形 APQAPQ 的面积为 3 个平方单位,且 ∣q∣=2|\mathbf{q}| = 2。

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完整解法

(i)

1. 将点 $Q$ 在直线 $l$ 上的条件转化为向量平行表示

因为直线 ll 经过点 A(a)A(\mathbf{a}) 且平行于单位向量 e\mathbf{e},而点 Q(q)Q(\mathbf{q}) 在直线 ll 上,所以向量 AQ→=q−a\overrightarrow{AQ} = \mathbf{q} - \mathbf{a} 平行于 e\mathbf{e}。
因此存在实数 λ\lambda,使得 q−a=λe\mathbf{q} - \mathbf{a} = \lambda \mathbf{e}。

2. 计算叉积并得出结论

将 q−a=λe\mathbf{q} - \mathbf{a} = \lambda \mathbf{e} 代入叉积算式:
(q−a)×e=(λe)×e=λ(e×e)(\mathbf{q} - \mathbf{a}) \times \mathbf{e} = (\lambda \mathbf{e}) \times \mathbf{e} = \lambda (\mathbf{e} \times \mathbf{e})
由于任何向量与其自身的叉积为零向量,即 e×e=0\mathbf{e} \times \mathbf{e} = \mathbf{0},
所以 (q−a)×e=0(\mathbf{q} - \mathbf{a}) \times \mathbf{e} = \mathbf{0}。

答案

已证:(q−a)×e=0(\mathbf{q} - \mathbf{a}) \times \mathbf{e} = \mathbf{0}

(ii)

1. 根据向量叉积模长的几何意义解释结构

向量 AP→=p−a\overrightarrow{AP} = \mathbf{p} - \mathbf{a}。由向量叉积的模长定义:
∣(p−a)×e∣=∣p−a∣∣e∣sin⁡θ=∣p−a∣sin⁡θ|(\mathbf{p} - \mathbf{a}) \times \mathbf{e}| = |\mathbf{p} - \mathbf{a}| |\mathbf{e}| \sin \theta = |\mathbf{p} - \mathbf{a}| \sin \theta
其中 θ\theta 是向量 AP→\overrightarrow{AP} 与直线 ll 的方向向量 e\mathbf{e} 之间的夹角(且 ∣e∣=1|\mathbf{e}|=1)。
在过点 PP 向直线 ll 作垂线构成的直角三角形中,∣p−a∣sin⁡θ|\mathbf{p} - \mathbf{a}| \sin \theta 正好表示垂线段的长度。
因此,∣(p−a)×e∣|(\mathbf{p} - \mathbf{a}) \times \mathbf{e}| 的几何意义是:点 PP 到直线 ll 的垂直距离(即最短距离)。

答案

点 PP 到直线 ll 的垂直距离(距离)。

(iii)

1. 用底乘高公式列出三角形 $APQ$ 的面积表达式

由于点 QQ 在直线 ll 上,以 AQAQ 为三角形 APQAPQ 的底,其长度为 AQ=2AQ = 2。
高 hh 为点 PP 到直线 ll 的垂直距离。由 (ii) 可知,高 h=∣(p−a)×e∣h = |(\mathbf{p} - \mathbf{a}) \times \mathbf{e}|。
因此,三角形 APQAPQ 的面积为:
Area(△APQ)=12×底×高=12×2×∣(p−a)×e∣=∣(p−a)×e∣\text{Area}(\triangle APQ) = \frac{1}{2} \times \text{底} \times \text{高} = \frac{1}{2} \times 2 \times |(\mathbf{p} - \mathbf{a}) \times \mathbf{e}| = |(\mathbf{p} - \mathbf{a}) \times \mathbf{e}|

2. 代入 $\mathbf{p} = 3\mathbf{q}$ 并利用 (i) 的结论简化向量表达式

已知 p=3q\mathbf{p} = 3\mathbf{q},代入高表达式得:
h=∣(3q−a)×e∣=∣3q×e−a×e∣h = |(3\mathbf{q} - \mathbf{a}) \times \mathbf{e}| = |3\mathbf{q} \times \mathbf{e} - \mathbf{a} \times \mathbf{e}|
由 (i) 知 (q−a)×e=0  ⟹  q×e−a×e=0  ⟹  a×e=q×e(\mathbf{q} - \mathbf{a}) \times \mathbf{e} = \mathbf{0} \implies \mathbf{q} \times \mathbf{e} - \mathbf{a} \times \mathbf{e} = \mathbf{0} \implies \mathbf{a} \times \mathbf{e} = \mathbf{q} \times \mathbf{e}。
将 a×e=q×e\mathbf{a} \times \mathbf{e} = \mathbf{q} \times \mathbf{e} 代入高表达式:
h=∣3q×e−q×e∣=∣2q×e∣=2∣q×e∣h = |3\mathbf{q} \times \mathbf{e} - \mathbf{q} \times \mathbf{e}| = |2\mathbf{q} \times \mathbf{e}| = 2|\mathbf{q} \times \mathbf{e}|
因此,三角形 APQAPQ 的面积为 2∣q×e∣2|\mathbf{q} \times \mathbf{e}|,即常数 k=2k = 2。

答案

已证:三角形 APQAPQ 的面积可以表示为 2∣q×e∣2|\mathbf{q} \times \mathbf{e}|,其中 k=2k = 2。

(iv)

1. 确定直线 $PQ$ 的方向向量,并由已知面积求出 $|\mathbf{q} \times \mathbf{e}|$ 的值

因为 PQ→=q−p=q−3q=−2q\overrightarrow{PQ} = \mathbf{q} - \mathbf{p} = \mathbf{q} - 3\mathbf{q} = -2\mathbf{q},所以直线 PQPQ 平行于向量 q\mathbf{q}。
因此,直线 ll(方向向量为单位向量 e\mathbf{e})与直线 PQPQ 之间的夹角,即为向量 e\mathbf{e} 与向量 q\mathbf{q} 之间的夹角 ϕ\phi。
由 (iii) 知,三角形 APQAPQ 的面积为 2∣q×e∣=32|\mathbf{q} \times \mathbf{e}| = 3,解得 ∣q×e∣=32|\mathbf{q} \times \mathbf{e}| = \frac{3}{2}。

2. 利用叉积模长公式求出夹角的正弦值并计算锐角夹角

由向量叉积模长定义:
∣q×e∣=∣q∣∣e∣sin⁡ϕ|\mathbf{q} \times \mathbf{e}| = |\mathbf{q}| |\mathbf{e}| \sin \phi
已知 ∣q∣=2|\mathbf{q}| = 2,e\mathbf{e} 是单位向量(即 ∣e∣=1|\mathbf{e}| = 1),代入上式:
2×1×sin⁡ϕ=32  ⟹  sin⁡ϕ=34=0.752 \times 1 \times \sin \phi = \frac{3}{2} \implies \sin \phi = \frac{3}{4} = 0.75
因为要求直线 ll 与 PQPQ 之间的锐角夹角 ϕ\phi:
ϕ=arcsin⁡(0.75)≈48.59∘≈48.6∘(或 0.848 rad)\phi = \arcsin(0.75) \approx 48.59^\circ \approx 48.6^\circ \quad (\text{或 } 0.848 \text{ rad})

答案

48.6∘48.6^\circ(或 0.848 rad0.848\text{ rad})

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