以原点 为基准,点 、 和 的位置向量分别为 、 和 。一条穿过点 的直线 平行于单位向量 。
- (i)
点 在直线 上。证明 。
- (ii)
已知 不在直线 上,给出 的几何意义。
- (iii)
另已知 且 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 的面积可以写为 ,其中 是待定的常数。
- (iv)
由此(或用其他方法),求直线 与 之间的锐角,进一步已知三角形 的面积为 3 个平方单位,且 。
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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 经过点 且平行于单位向量 ,而点 在直线 上,所以向量 平行于 。
因此存在实数 ,使得 。
2. 计算叉积并得出结论
将 代入叉积算式:
由于任何向量与其自身的叉积为零向量,即 ,
所以 。
已证:
(ii)
1. 根据向量叉积模长的几何意义解释结构
向量 。由向量叉积的模长定义:
其中 是向量 与直线 的方向向量 之间的夹角(且 )。
在过点 向直线 作垂线构成的直角三角形中, 正好表示垂线段的长度。
因此, 的几何意义是:点 到直线 的垂直距离(即最短距离)。
点 到直线 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 在直线 上,以 为三角形 的底,其长度为 。
高 为点 到直线 的垂直距离。由 (ii) 可知,高 。
因此,三角形 的面积为:
2. 代入 $\mathbf{p} = 3\mathbf{q}$ 并利用 (i) 的结论简化向量表达式
已知 ,代入高表达式得:
由 (i) 知 。
将 代入高表达式:
因此,三角形 的面积为 ,即常数 。
已证:三角形 的面积可以表示为 ,其中 。
(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 ,所以直线 平行于向量 。
因此,直线 (方向向量为单位向量 )与直线 之间的夹角,即为向量 与向量 之间的夹角 。
由 (iii) 知,三角形 的面积为 ,解得 。
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:
已知 , 是单位向量(即 ),代入上式:
因为要求直线 与 之间的锐角夹角 :
(或 )
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