设 OO 为原点,点 AA 和 BB 满足 OA→=a\overrightarrow{OA} = \mathbf{a} 且 OB→=b\overrightarrow{OB} = \mathbf{b}。OAOA 上的点 CC 满足 OC:OA=1:3OC : OA = 1 : 3。直线 ll 经过点 AA 和 BB。已知角 BOA=60∘BOA = 60^\circ 且 ∣a∣=3∣b∣|\mathbf{a}| = 3|\mathbf{b}|。

  1. (i)

    通过考虑 (b−a)⋅(b−a)(\mathbf{b} - \mathbf{a}) \cdot (\mathbf{b} - \mathbf{a}) 或用其他方法,将 ∣b−a∣|\mathbf{b} - \mathbf{a}| 表示为 k∣b∣k|\mathbf{b}| 的形式,其中 kk 是一个常数,需给出其精确值。

  2. (ii)

    用 ∣b∣|\mathbf{b}| 表示从 CC 到 ll 的最短距离。

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完整解法

5(i)

1. Expand the scalar product $(\mathbf{b} - \mathbf{a}) \cdot (\mathbf{b} - \mathbf{a})$ and apply the dot product formula.

(b−a)⋅(b−a)=b⋅b−2(a⋅b)+a⋅a(\mathbf{b} - \mathbf{a}) \cdot (\mathbf{b} - \mathbf{a}) = \mathbf{b} \cdot \mathbf{b} - 2(\mathbf{a} \cdot \mathbf{b}) + \mathbf{a} \cdot \mathbf{a}
=∣b∣2−2∣a∣∣b∣cos⁡60∘+∣a∣2= |\mathbf{b}|^2 - 2|\mathbf{a}||\mathbf{b}|\cos 60^\circ + |\mathbf{a}|^2

2. Substitute $|\mathbf{a}| = 3|\mathbf{b}|$ and evaluate the expression in terms of $|\mathbf{b}|$.

=∣b∣2−2(3∣b∣)∣b∣(12)+(3∣b∣)2= |\mathbf{b}|^2 - 2(3|\mathbf{b}|)|\mathbf{b}|\left(\frac{1}{2}\right) + (3|\mathbf{b}|)^2
=∣b∣2−3∣b∣2+9∣b∣2= |\mathbf{b}|^2 - 3|\mathbf{b}|^2 + 9|\mathbf{b}|^2
=7∣b∣2= 7|\mathbf{b}|^2

3. Relate the result to $|\mathbf{b} - \mathbf{a}|^2$ and take the square root to express $|\mathbf{b} - \mathbf{a}|$ in the required form.

Since (b−a)⋅(b−a)=∣b−a∣2(\mathbf{b} - \mathbf{a}) \cdot (\mathbf{b} - \mathbf{a}) = |\mathbf{b} - \mathbf{a}|^2:
∣b−a∣2=7∣b∣2|\mathbf{b} - \mathbf{a}|^2 = 7|\mathbf{b}|^2
∣b−a∣=7∣b∣|\mathbf{b} - \mathbf{a}| = \sqrt{7}|\mathbf{b}|
∴k=7\therefore k = \sqrt{7}

答案

∣b−a∣=7∣b∣|\mathbf{b} - \mathbf{a}| = \sqrt{7}|\mathbf{b}|

5(ii)

1. Concisely determine $|\mathbf{b} - \mathbf{a}|$ (the result from part i) as it is required for the distance formula.

Using the dot product expansion,
∣b−a∣2=(b−a)⋅(b−a)=∣b∣2−2a⋅b+∣a∣2|\mathbf{b} - \mathbf{a}|^2 = (\mathbf{b} - \mathbf{a}) \cdot (\mathbf{b} - \mathbf{a}) = |\mathbf{b}|^2 - 2\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} + |\mathbf{a}|^2
Given angle BOA=60∘BOA = 60^\circ and ∣a∣=3∣b∣|\mathbf{a}| = 3|\mathbf{b}|:
a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡60∘=(3∣b∣)∣b∣(0.5)=1.5∣b∣2\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = |\mathbf{a}||\mathbf{b}|\cos 60^\circ = (3|\mathbf{b}|)|\mathbf{b}|(0.5) = 1.5|\mathbf{b}|^2
∣b−a∣2=∣b∣2−2(1.5∣b∣2)+(3∣b∣)2=7∣b∣2  ⟹  ∣b−a∣=7∣b∣|\mathbf{b} - \mathbf{a}|^2 = |\mathbf{b}|^2 - 2(1.5|\mathbf{b}|^2) + (3|\mathbf{b}|)^2 = 7|\mathbf{b}|^2 \implies |\mathbf{b} - \mathbf{a}| = \sqrt{7}|\mathbf{b}|

2. Find the displacement vector $\overrightarrow{CA}$.

Since CC lies on OAOA such that OC:OA=1:3OC : OA = 1 : 3, OC→=13a\overrightarrow{OC} = \frac{1}{3}\mathbf{a}.
Thus, CA→=OA→−OC→=a−13a=23a\overrightarrow{CA} = \overrightarrow{OA} - \overrightarrow{OC} = \mathbf{a} - \frac{1}{3}\mathbf{a} = \frac{2}{3}\mathbf{a}.

3. Set up the formula for the shortest distance from $C$ to line $l$.

The line ll passes through AA and BB, so its direction vector is d=b−a\mathbf{d} = \mathbf{b} - \mathbf{a}.
The shortest distance dd from point CC to line ll is given by
d=∣CA→×d∣∣d∣=∣23a×(b−a)∣∣b−a∣d = \frac{|\overrightarrow{CA} \times \mathbf{d}|}{|\mathbf{d}|} = \frac{\left|\frac{2}{3}\mathbf{a} \times (\mathbf{b} - \mathbf{a})\right|}{|\mathbf{b} - \mathbf{a}|}

4. Expand and simplify the cross product in the numerator.

Using the distributive property of the cross product:
CA→×d=23a×(b−a)=23(a×b)−23(a×a)\overrightarrow{CA} \times \mathbf{d} = \frac{2}{3}\mathbf{a} \times (\mathbf{b} - \mathbf{a}) = \frac{2}{3}(\mathbf{a} \times \mathbf{b}) - \frac{2}{3}(\mathbf{a} \times \mathbf{a})
Since a×a=0\mathbf{a} \times \mathbf{a} = \mathbf{0}, this simplifies to 23(a×b)\frac{2}{3}(\mathbf{a} \times \mathbf{b}).

5. Evaluate the magnitude of the cross product.

Using the definition of the cross product magnitude:
∣a×b∣=∣a∣∣b∣sin⁡60∘=(3∣b∣)∣b∣(32)=332∣b∣2|\mathbf{a} \times \mathbf{b}| = |\mathbf{a}||\mathbf{b}|\sin 60^\circ = (3|\mathbf{b}|)|\mathbf{b}|\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) = \frac{3\sqrt{3}}{2}|\mathbf{b}|^2
Thus, the magnitude of the numerator is:
∣CA→×d∣=23(332∣b∣2)=3∣b∣2\left|\overrightarrow{CA} \times \mathbf{d}\right| = \frac{2}{3} \left( \frac{3\sqrt{3}}{2}|\mathbf{b}|^2 \right) = \sqrt{3}|\mathbf{b}|^2

6. Calculate the final shortest distance.

Substituting the magnitude of the cross product and the magnitude of the direction vector into the distance formula:
d=3∣b∣27∣b∣=37∣b∣=217∣b∣d = \frac{\sqrt{3}|\mathbf{b}|^2}{\sqrt{7}|\mathbf{b}|} = \sqrt{\frac{3}{7}}|\mathbf{b}| = \frac{\sqrt{21}}{7}|\mathbf{b}|

答案

217∣b∣\frac{\sqrt{21}}{7}|\mathbf{b}|

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