以原点 OO 为基准,点 AA 和 BB 的位置向量分别为 a\mathbf{a} 和 b\mathbf{b}。

  1. (a)

    点 CC 的位置向量为 a+b\mathbf{a} + \mathbf{b}。指出由 O,A,BO, A, B 和 CC 组成的几何图形的形状。

  2. (b)

    点 MM 在 ACAC 上,介于 AA 和 CC 之间,使得 AM:MC=1:2AM : MC = 1 : 2。

    证明三角形 OAMOAM 的面积可以表示为 α ∣a×b∣\alpha\,|\mathbf{a} \times \mathbf{b}|,其中 α\alpha 是一个待求常数。

  3. (c)

    已知 ∣b∣=5|\mathbf{b}| = 5,且从 AA 到 OBOB 的最短距离为 3\sqrt{3}。

    利用(b)中的结果,求三角形 OAMOAM 面积的准确值。

  4. (d)

    点 NN 在 OMOM 上,介于 OO 和 MM 之间,使得 ON:NM=3:1ON : NM = 3 : 1。证明 A,NA, N 和 BB 共线,并由此求出比值 AN:NBAN : NB。

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完整解法

3(a)

1. Identify the geometrical shape using the parallelogram law of vector addition

Since OC⃗=a+b=OA⃗+OB⃗\vec{OC} = \mathbf{a} + \mathbf{b} = \vec{OA} + \vec{OB}, by the parallelogram law of vector addition, the points form a parallelogram.

答案

Parallelogram

3(b)

1. Express the displacement vector $\vec{AM}$ in terms of $\mathbf{b}$.

From part (a), the position vector of CC is a+b\mathbf{a} + \mathbf{b}.
AC⃗=OC⃗−OA⃗=(a+b)−a=b\vec{AC} = \vec{OC} - \vec{OA} = (\mathbf{a} + \mathbf{b}) - \mathbf{a} = \mathbf{b}
Since MM lies on ACAC and AM:MC=1:2AM : MC = 1 : 2, we have:
AM⃗=11+2AC⃗=13b\vec{AM} = \frac{1}{1+2} \vec{AC} = \frac{1}{3}\mathbf{b}

2. Calculate the area of triangle $OAM$ using the vector product and deduce $\alpha$.

The area of △OAM\triangle OAM using sides OAOA and AMAM is given by 12∣OA⃗×AM⃗∣\frac{1}{2}|\vec{OA} \times \vec{AM}|.
Area=12∣a×13b∣\text{Area} = \frac{1}{2} \left| \mathbf{a} \times \frac{1}{3}\mathbf{b} \right|
Using the properties of the vector product to extract the scalar:
Area=16∣a×b∣\text{Area} = \frac{1}{6} |\mathbf{a} \times \mathbf{b}|
Comparing this to the given expression α ∣a×b∣\alpha\,|\mathbf{a} \times \mathbf{b}|, we find:
α=16\alpha = \frac{1}{6}

答案

\alpha = \frac{1}{6}

3(c)

1. Determine the constant $\alpha$ from part (b) to express the area of triangle $OAM$.

Since point CC has position vector a+b\mathbf{a} + \mathbf{b}, OACBOACB forms a parallelogram and AC⃗=b\vec{AC} = \mathbf{b}.
Given AM:MC=1:2AM : MC = 1 : 2, we have AM⃗=13b\vec{AM} = \frac{1}{3}\mathbf{b}.
Area of △OAM=12∣OA⃗×AM⃗∣=12∣a×13b∣=16∣a×b∣\triangle OAM = \frac{1}{2}|\vec{OA} \times \vec{AM}| = \frac{1}{2}\left|\mathbf{a} \times \frac{1}{3}\mathbf{b}\right| = \frac{1}{6}|\mathbf{a} \times \mathbf{b}|
So, α=16\alpha = \frac{1}{6}.

2. Find the value of $|\mathbf{a} \times \mathbf{b}|$ using the given shortest distance from $A$ to $OB$.

The shortest distance dd from point AA to the line passing through OO and BB is given by d=∣OA⃗×OB⃗∣∣OB⃗∣d = \frac{|\vec{OA} \times \vec{OB}|}{|\vec{OB}|}.
∣a×b∣∣b∣=3\frac{|\mathbf{a} \times \mathbf{b}|}{|\mathbf{b}|} = \sqrt{3}
Since we are given ∣b∣=5|\mathbf{b}| = 5,
∣a×b∣=53|\mathbf{a} \times \mathbf{b}| = 5\sqrt{3}

3. Calculate the exact area of triangle $OAM$.

Substituting ∣a×b∣=53|\mathbf{a} \times \mathbf{b}| = 5\sqrt{3} into the result from part (b):
Area of △OAM=16(53)=536\triangle OAM = \frac{1}{6}(5\sqrt{3}) = \frac{5\sqrt{3}}{6}

答案

536\frac{5\sqrt{3}}{6}

3(d)

1. Find the position vector of $M$ in terms of $\mathbf{a}$ and $\mathbf{b}$.

From part (a), CC has position vector a+b\mathbf{a} + \mathbf{b}, so AC⃗=(a+b)−a=b\vec{AC} = (\mathbf{a} + \mathbf{b}) - \mathbf{a} = \mathbf{b}.
Since MM lies on ACAC with AM:MC=1:2AM : MC = 1 : 2, we have AM⃗=13AC⃗=13b\vec{AM} = \frac{1}{3}\vec{AC} = \frac{1}{3}\mathbf{b}.
OM⃗=OA⃗+AM⃗=a+13b\vec{OM} = \vec{OA} + \vec{AM} = \mathbf{a} + \frac{1}{3}\mathbf{b}

2. Find the position vector of $N$ using the given ratio.

Point NN lies on OMOM with ON:NM=3:1ON : NM = 3 : 1, which means ON⃗=34OM⃗\vec{ON} = \frac{3}{4}\vec{OM}.
ON⃗=34(a+13b)=34a+14b\vec{ON} = \frac{3}{4}\left(\mathbf{a} + \frac{1}{3}\mathbf{b}\right) = \frac{3}{4}\mathbf{a} + \frac{1}{4}\mathbf{b}

3. Express $\vec{AN}$ in terms of $\vec{AB}$ to show collinearity.

We find the displacement vector AN⃗\vec{AN}:
AN⃗=ON⃗−OA⃗=(34a+14b)−a=−14a+14b=14(b−a)\vec{AN} = \vec{ON} - \vec{OA} = \left(\frac{3}{4}\mathbf{a} + \frac{1}{4}\mathbf{b}\right) - \mathbf{a} = -\frac{1}{4}\mathbf{a} + \frac{1}{4}\mathbf{b} = \frac{1}{4}(\mathbf{b} - \mathbf{a})
Since AB⃗=b−a\vec{AB} = \mathbf{b} - \mathbf{a}, we have:
AN⃗=14AB⃗\vec{AN} = \frac{1}{4}\vec{AB}
Because AN⃗\vec{AN} is a scalar multiple of AB⃗\vec{AB}, the vectors are parallel. Since they share the common point AA, the points AA, NN, and BB are collinear.

4. Deduce the ratio $AN : NB$.

Since AN⃗=14AB⃗\vec{AN} = \frac{1}{4}\vec{AB}, the length of ANAN is 14\frac{1}{4} of the total length of ABAB.
The remaining segment NBNB takes up 34\frac{3}{4} of the length.
Therefore, AN:NB=14:34=1:3AN : NB = \frac{1}{4} : \frac{3}{4} = 1 : 3.

答案

1:31 : 3

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