相对于原点 OO,点 AA、BB 和 CC 的位置向量分别为 a\mathbf{a}、b\mathbf{b} 和 c\mathbf{c},其中 a\mathbf{a}、b\mathbf{b} 和 c\mathbf{c} 是互不平行的非零向量。点 AA、BB 和 CC 不共线。 三等分点是将线段内分,其比例为 1:21:2 或 2:12:1 的点。
假设另外两个点 DD 和 EE 分别是线段 ABAB 和 ACAC 的三等分点,且两个点分别比靠近 BB 和 CC 更靠近 AA。直线 BEBE 与 CDCD 相交于点 FF。

  1. (i)

    证明直线 BEBE 和 CDCD 的向量方程可以分别表示为 r=23λa+(1−λ)b+13λc\mathbf{r} = \frac{2}{3}\lambda\mathbf{a} + (1-\lambda)\mathbf{b} + \frac{1}{3}\lambda\mathbf{c} 和 r=23μa+13μb+(1−μ)c\mathbf{r} = \frac{2}{3}\mu\mathbf{a} + \frac{1}{3}\mu\mathbf{b} + (1-\mu)\mathbf{c},其中 λ\lambda 和 μ\mu 是参数。由此证明,在点 FF 处有 αa+βb+γc=0\alpha\mathbf{a} + \beta\mathbf{b} + \gamma\mathbf{c} = \mathbf{0},其中 α\alpha、β\beta 和 γ\gamma 是常数,各自需用 λ\lambda 和 μ\mu 表示。

  2. (ii)

    若进一步已知 OACBOACB 是一个平行四边形,求 FF 的位置向量(用 a\mathbf{a} 和 b\mathbf{b} 表示)。

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完整解法

4(i)

1. Determine the position vectors of the points of trisection $D$ and $E$ using the ratio theorem.

Since DD divides ABAB internally in the ratio 1:21:2 (nearer to AA):
d=2a+1b1+2=23a+13b\mathbf{d} = \frac{2\mathbf{a} + 1\mathbf{b}}{1 + 2} = \frac{2}{3}\mathbf{a} + \frac{1}{3}\mathbf{b}

Similarly, since EE divides ACAC internally in the ratio 1:21:2:
e=2a+1c1+2=23a+13c\mathbf{e} = \frac{2\mathbf{a} + 1\mathbf{c}}{1 + 2} = \frac{2}{3}\mathbf{a} + \frac{1}{3}\mathbf{c}

2. Formulate the vector equation of the line $BE$.

The line passes through BB (position vector b\mathbf{b}) and EE (position vector e\mathbf{e}). Using the parameter λ\lambda, the vector equation is:
r=(1−λ)b+λe\mathbf{r} = (1-\lambda)\mathbf{b} + \lambda\mathbf{e}
Substituting e\mathbf{e}:
r=(1−λ)b+λ(23a+13c)\mathbf{r} = (1-\lambda)\mathbf{b} + \lambda\left(\frac{2}{3}\mathbf{a} + \frac{1}{3}\mathbf{c}\right)
r=23λa+(1−λ)b+13λc(Shown)\mathbf{r} = \frac{2}{3}\lambda\mathbf{a} + (1-\lambda)\mathbf{b} + \frac{1}{3}\lambda\mathbf{c} \quad \text{(Shown)}

3. Formulate the vector equation of the line $CD$.

The line passes through CC (position vector c\mathbf{c}) and DD (position vector d\mathbf{d}). Using the parameter μ\mu, the vector equation is:
r=(1−μ)c+μd\mathbf{r} = (1-\mu)\mathbf{c} + \mu\mathbf{d}
Substituting d\mathbf{d}:
r=(1−μ)c+μ(23a+13b)\mathbf{r} = (1-\mu)\mathbf{c} + \mu\left(\frac{2}{3}\mathbf{a} + \frac{1}{3}\mathbf{b}\right)
r=23μa+13μb+(1−μ)c(Shown)\mathbf{r} = \frac{2}{3}\mu\mathbf{a} + \frac{1}{3}\mu\mathbf{b} + (1-\mu)\mathbf{c} \quad \text{(Shown)}

4. Equate the vector equations at the intersection point $F$ to find $\alpha$, $\beta$, and $\gamma$.

At the point of intersection FF, the position vectors from both line equations must be equal:
23λa+(1−λ)b+13λc=23μa+13μb+(1−μ)c\frac{2}{3}\lambda\mathbf{a} + (1-\lambda)\mathbf{b} + \frac{1}{3}\lambda\mathbf{c} = \frac{2}{3}\mu\mathbf{a} + \frac{1}{3}\mu\mathbf{b} + (1-\mu)\mathbf{c}

Rearranging to group the vectors a\mathbf{a}, b\mathbf{b}, and c\mathbf{c}:
(23λ−23μ)a+(1−λ−13μ)b+(13λ−(1−μ))c=0\left(\frac{2}{3}\lambda - \frac{2}{3}\mu\right)\mathbf{a} + \left(1 - \lambda - \frac{1}{3}\mu\right)\mathbf{b} + \left(\frac{1}{3}\lambda - (1 - \mu)\right)\mathbf{c} = \mathbf{0}

Comparing this to the given expression αa+βb+γc=0\alpha\mathbf{a} + \beta\mathbf{b} + \gamma\mathbf{c} = \mathbf{0}:
α=23λ−23μ\alpha = \frac{2}{3}\lambda - \frac{2}{3}\mu
β=1−λ−13μ\beta = 1 - \lambda - \frac{1}{3}\mu
γ=13λ+μ−1\gamma = \frac{1}{3}\lambda + \mu - 1

答案

α=23λ−23μ,β=1−λ−13μ,γ=13λ+μ−1\alpha = \frac{2}{3}\lambda - \frac{2}{3}\mu, \quad \beta = 1 - \lambda - \frac{1}{3}\mu, \quad \gamma = \frac{1}{3}\lambda + \mu - 1

4(ii)

1. State the vector relationship for parallelogram $OACB$.

Since the vertices of parallelogram OACBOACB are given in cyclical order, the diagonals OCOC and ABAB bisect each other, and opposite sides are equal in magnitude and direction. Thus, OA⃗+OB⃗=OC⃗\vec{OA} + \vec{OB} = \vec{OC}.
c=a+b\mathbf{c} = \mathbf{a} + \mathbf{b}

2. Substitute $\mathbf{c}$ into the vector equations of the lines to express them strictly in terms of $\mathbf{a}$ and $\mathbf{b}$.

From part (i), substitute c=a+b\mathbf{c} = \mathbf{a} + \mathbf{b} into the line equations:
For line BEBE:
r=23λa+(1−λ)b+13λ(a+b)\mathbf{r} = \frac{2}{3}\lambda\mathbf{a} + (1-\lambda)\mathbf{b} + \frac{1}{3}\lambda(\mathbf{a} + \mathbf{b})
r=λa+(1−23λ)b\mathbf{r} = \lambda\mathbf{a} + \left(1 - \frac{2}{3}\lambda\right)\mathbf{b}
For line CDCD:
r=23μa+13μb+(1−μ)(a+b)\mathbf{r} = \frac{2}{3}\mu\mathbf{a} + \frac{1}{3}\mu\mathbf{b} + (1-\mu)(\mathbf{a} + \mathbf{b})
r=(1−13μ)a+(1−23μ)b\mathbf{r} = \left(1 - \frac{1}{3}\mu\right)\mathbf{a} + \left(1 - \frac{2}{3}\mu\right)\mathbf{b}

3. Equate the coefficients to solve for the parameter and deduce the position vector of $F$.

Since FF is the point of intersection and vectors a\mathbf{a} and b\mathbf{b} are non-zero and not parallel, we can equate their coefficients:
Comparing coefficients of b\mathbf{b}:
1−23λ=1−23μ  ⟹  λ=μ1 - \frac{2}{3}\lambda = 1 - \frac{2}{3}\mu \implies \lambda = \mu
Comparing coefficients of a\mathbf{a}:
λ=1−13μ\lambda = 1 - \frac{1}{3}\mu
Substitute λ=μ\lambda = \mu:
λ=1−13λ  ⟹  43λ=1  ⟹  λ=34\lambda = 1 - \frac{1}{3}\lambda \implies \frac{4}{3}\lambda = 1 \implies \lambda = \frac{3}{4}
Substitute λ=34\lambda = \frac{3}{4} into the simplified equation for line BEBE:
rF=34a+(1−23(34))b=34a+12b\mathbf{r}_F = \frac{3}{4}\mathbf{a} + \left(1 - \frac{2}{3}\left(\frac{3}{4}\right)\right)\mathbf{b} = \frac{3}{4}\mathbf{a} + \frac{1}{2}\mathbf{b}

答案

34a+12b\frac{3}{4}\mathbf{a} + \frac{1}{2}\mathbf{b}

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