关于原点 OO,定点 AA 和 BB 的位置向量分别为 a\mathbf{a} 和 b\mathbf{b},其中 a\mathbf{a} 和 b\mathbf{b} 是非零且不平行的向量。

  1. (a)

    动点 RR 的位置向量为 r=λa+(1−λ)b\mathbf{r} = \lambda \mathbf{a} + (1 - \lambda)\mathbf{b},其中 λ\lambda 是实数参数。从几何角度描述 RR 所有可能位置构成的集合。

  2. (b)

    已知角 AOBAOB 为 90∘90^\circ。

    解释为什么 a⋅b=0\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = 0。

  3. (c)

    在所有可能点 RR 的集合中,点 R∗R^* 距离原点 OO 最近。求 R∗R^* 的位置向量。由此,用 a\mathbf{a} 和 b\mathbf{b} 的模表示比值 AR∗:BR∗AR^* : BR^*。

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完整解法

2(a)

1. Rewrite the position vector equation to identify the geometric locus

r=λa+(1−λ)b\mathbf{r} = \lambda \mathbf{a} + (1 - \lambda)\mathbf{b}
r=b+λ(a−b)\mathbf{r} = \mathbf{b} + \lambda(\mathbf{a} - \mathbf{b})
This matches the standard vector equation of a line, r=p+td\mathbf{r} = \mathbf{p} + t\mathbf{d}, where the line passes through a point with position vector b\mathbf{b} (point BB) and is parallel to the direction vector a−b\mathbf{a} - \mathbf{b} (which is the vector BA⃗\vec{BA}). As λ\lambda varies over all real numbers, RR traces out the entire line passing through both AA and BB.

答案

The straight line passing through the points AA and BB.

2(b)

1. Use the definition of the scalar product to show that it evaluates to zero.

The scalar product of the position vectors is given by:
a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡(∠AOB)\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = |\mathbf{a}||\mathbf{b}|\cos(\angle AOB)
Since ∠AOB=90∘\angle AOB = 90^\circ and cos⁡(90∘)=0\cos(90^\circ) = 0, we have:
a⋅b=∣a∣∣b∣(0)=0\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = |\mathbf{a}||\mathbf{b}|(0) = 0

答案

Since ∠AOB=90∘\angle AOB = 90^\circ, the vectors a\mathbf{a} and b\mathbf{b} are perpendicular. By the definition of the scalar product, a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡(90∘)=0\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = |\mathbf{a}||\mathbf{b}|\cos(90^\circ) = 0.

2(c)

1. Formulate the dot product equation for the shortest distance from the origin to the line.

For R∗R^* to be the closest point to the origin, the position vector OR∗⃗\vec{OR^*} must be perpendicular to the line passing through AA and BB. Therefore, it must be orthogonal to the direction vector BA⃗=a−b\vec{BA} = \mathbf{a} - \mathbf{b}.
OR∗⃗⋅BA⃗=0\vec{OR^*} \cdot \vec{BA} = 0
(λa+(1−λ)b)⋅(a−b)=0\left( \lambda \mathbf{a} + (1 - \lambda)\mathbf{b} \right) \cdot (\mathbf{a} - \mathbf{b}) = 0

2. Expand the dot product and solve for $\lambda$ using the orthogonality of $\mathbf{a}$ and $\mathbf{b}$.

Expanding the dot product gives:
λ(a⋅a)−λ(a⋅b)+(1−λ)(b⋅a)−(1−λ)(b⋅b)=0\lambda (\mathbf{a} \cdot \mathbf{a}) - \lambda (\mathbf{a} \cdot \mathbf{b}) + (1 - \lambda)(\mathbf{b} \cdot \mathbf{a}) - (1 - \lambda)(\mathbf{b} \cdot \mathbf{b}) = 0
Since ∠AOB=90∘\angle AOB = 90^\circ, from part (b) we know a⋅b=0\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = 0. Using the property x⋅x=∣x∣2\mathbf{x} \cdot \mathbf{x} = |\mathbf{x}|^2:
λ∣a∣2−(1−λ)∣b∣2=0\lambda |\mathbf{a}|^2 - (1 - \lambda)|\mathbf{b}|^2 = 0
λ∣a∣2=∣b∣2−λ∣b∣2\lambda |\mathbf{a}|^2 = |\mathbf{b}|^2 - \lambda |\mathbf{b}|^2
λ(∣a∣2+∣b∣2)=∣b∣2  ⟹  λ=∣b∣2∣a∣2+∣b∣2\lambda (|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2) = |\mathbf{b}|^2 \implies \lambda = \frac{|\mathbf{b}|^2}{|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2}

3. Substitute $\lambda$ back to find the position vector of $R^*$.

Substitute λ\lambda into the expression for r∗\mathbf{r}^*:
1−λ=1−∣b∣2∣a∣2+∣b∣2=∣a∣2∣a∣2+∣b∣21 - \lambda = 1 - \frac{|\mathbf{b}|^2}{|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2} = \frac{|\mathbf{a}|^2}{|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2}
r∗=∣b∣2∣a∣2+∣b∣2a+∣a∣2∣a∣2+∣b∣2b=∣b∣2a+∣a∣2b∣a∣2+∣b∣2\mathbf{r}^* = \frac{|\mathbf{b}|^2}{|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2} \mathbf{a} + \frac{|\mathbf{a}|^2}{|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2} \mathbf{b} = \frac{|\mathbf{b}|^2 \mathbf{a} + |\mathbf{a}|^2 \mathbf{b}}{|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2}

4. Use the ratio theorem to state the ratio $AR^* : BR^*$.

By the ratio theorem, if a point R∗R^* divides the line segment ABAB in the ratio AR∗:BR∗=μ:νAR^* : BR^* = \mu : \nu, its position vector is:
r∗=νa+μbμ+ν\mathbf{r}^* = \frac{\nu \mathbf{a} + \mu \mathbf{b}}{\mu + \nu}
Comparing this standard formula to our result for r∗\mathbf{r}^*, we can equate coefficients to see that ν=∣b∣2\nu = |\mathbf{b}|^2 and μ=∣a∣2\mu = |\mathbf{a}|^2.
Therefore, the ratio is:
AR∗:BR∗=μ:ν=∣a∣2:∣b∣2AR^* : BR^* = \mu : \nu = |\mathbf{a}|^2 : |\mathbf{b}|^2

答案

Position vector of R∗R^*: r∗=∣b∣2a+∣a∣2b∣a∣2+∣b∣2\mathbf{r}^* = \frac{|\mathbf{b}|^2 \mathbf{a} + |\mathbf{a}|^2 \mathbf{b}}{|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2}
Ratio AR∗:BR∗=∣a∣2:∣b∣2AR^* : BR^* = |\mathbf{a}|^2 : |\mathbf{b}|^2

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