以原点 OO 为参考点,点 AA、BB 和 CC 的位置向量分别表示为 OA→\overrightarrow{OA}、OB→\overrightarrow{OB} 和 OC→\overrightarrow{OC},使得
OA→=(1−λ)OB→+λOC→,\overrightarrow{OA} = (1 - \lambda)\overrightarrow{OB} + \lambda\overrightarrow{OC},
其中 λ\lambda 是一个非零常数。

  1. (i)

    证明 AA,BB,CC 三点共线。

  2. (ii)

    已知 λ=16\lambda = \frac{1}{6},OA→=(0−20)\overrightarrow{OA} = \begin{pmatrix} 0 \\ -2 \\ 0 \end{pmatrix} 且 OB→=(11−2)\overrightarrow{OB} = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ -2 \end{pmatrix}。

    求位于线段 ACAC 上且满足 AD:DC=1:4AD : DC = 1 : 4 的点 DD 的位置向量。

  3. (iii)

    已知点 EE 的坐标为 (1,−1,2)(1, -1, 2)。

    求三角形 ABEABE 的精确面积。

  4. (iv)

    求 OE→\overrightarrow{OE} 在 AB→\overrightarrow{AB} 上的投影长度。

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完整解法

5(i)

1. Find an expression for the displacement vector $\overrightarrow{AB}$ in terms of $\overrightarrow{OB}$ and $\overrightarrow{OC}$.

AB→=OB→−OA→=OB→−[(1−λ)OB→+λOC→]=OB→−OB→+λOB→−λOC→=λOB→−λOC→\begin{aligned} \overrightarrow{AB} &= \overrightarrow{OB} - \overrightarrow{OA} \\ &= \overrightarrow{OB} - [(1 - \lambda)\overrightarrow{OB} + \lambda\overrightarrow{OC}] \\ &= \overrightarrow{OB} - \overrightarrow{OB} + \lambda\overrightarrow{OB} - \lambda\overrightarrow{OC} \\ &= \lambda\overrightarrow{OB} - \lambda\overrightarrow{OC} \end{aligned}

2. Show that $\overrightarrow{AB}$ is a scalar multiple of $\overrightarrow{CB}$ and state the geometric conclusion.

AB→=λ(OB→−OC→)=λCB→\begin{aligned} \overrightarrow{AB} &= \lambda(\overrightarrow{OB} - \overrightarrow{OC}) \\ &= \lambda\overrightarrow{CB} \end{aligned}
Since λ\lambda is a non-zero constant, AB→\overrightarrow{AB} is parallel to CB→\overrightarrow{CB}.
Because point BB is common to both vectors, points AA, BB, and CC are collinear.

答案

Since AB→=λCB→\overrightarrow{AB} = \lambda\overrightarrow{CB} and point BB is a common point, AA, BB and CC are collinear.

5(ii)

1. Find an expression for $\overrightarrow{OC}$ in terms of $\overrightarrow{OA}$ and $\overrightarrow{OB}$.

Given OA→=(1−λ)OB→+λOC→\overrightarrow{OA} = (1 - \lambda)\overrightarrow{OB} + \lambda\overrightarrow{OC} and λ=16\lambda = \frac{1}{6},
OA→=56OB→+16OC→\overrightarrow{OA} = \frac{5}{6}\overrightarrow{OB} + \frac{1}{6}\overrightarrow{OC}
OC→=6OA→−5OB→\overrightarrow{OC} = 6\overrightarrow{OA} - 5\overrightarrow{OB}

2. Apply the Ratio Theorem to express $\overrightarrow{OD}$ in terms of $\overrightarrow{OA}$ and $\overrightarrow{OB}$.

Since DD divides ACAC internally in the ratio AD:DC=1:4AD : DC = 1 : 4, by the Ratio Theorem:
OD→=4OA→+1OC→1+4\overrightarrow{OD} = \frac{4\overrightarrow{OA} + 1\overrightarrow{OC}}{1 + 4}
Substituting the expression for OC→\overrightarrow{OC} into the equation:
OD→=4OA→+(6OA→−5OB→)5\overrightarrow{OD} = \frac{4\overrightarrow{OA} + (6\overrightarrow{OA} - 5\overrightarrow{OB})}{5}
OD→=10OA→−5OB→5=2OA→−OB→\overrightarrow{OD} = \frac{10\overrightarrow{OA} - 5\overrightarrow{OB}}{5} = 2\overrightarrow{OA} - \overrightarrow{OB}

3. Substitute the column vectors to find the position vector of $D$.

OD→=2(0−20)−(11−2)\overrightarrow{OD} = 2 \begin{pmatrix} 0 \\ -2 \\ 0 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ -2 \end{pmatrix}
OD→=(0−40)−(11−2)=(−1−52)\overrightarrow{OD} = \begin{pmatrix} 0 \\ -4 \\ 0 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ -2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 \\ -5 \\ 2 \end{pmatrix}

答案

(−1−52)\begin{pmatrix} -1 \\ -5 \\ 2 \end{pmatrix}

5(iii)

1. Find the displacement vectors $\overrightarrow{AB}$ and $\overrightarrow{AE}$.

Using the position vectors from part (ii) and the coordinates of EE:
AB→=OB→−OA→=(11−2)−(0−20)=(13−2)\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{OB} - \overrightarrow{OA} = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ -2 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 0 \\ -2 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 3 \\ -2 \end{pmatrix}
AE→=OE→−OA→=(1−12)−(0−20)=(112)\overrightarrow{AE} = \overrightarrow{OE} - \overrightarrow{OA} = \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 2 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 0 \\ -2 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix}

2. Calculate the cross product of $\overrightarrow{AB}$ and $\overrightarrow{AE}$.

AB→×AE→=(13−2)×(112)=((3)(2)−(−2)(1)(−2)(1)−(1)(2)(1)(1)−(3)(1))=(8−4−2)\overrightarrow{AB} \times \overrightarrow{AE} = \begin{pmatrix} 1 \\ 3 \\ -2 \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} (3)(2) - (-2)(1) \\ (-2)(1) - (1)(2) \\ (1)(1) - (3)(1) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 8 \\ -4 \\ -2 \end{pmatrix}

3. Compute the exact area of the triangle using the magnitude of the cross product.

Area of △ABE=12∣AB→×AE→∣\text{Area of } \triangle ABE = \frac{1}{2} |\overrightarrow{AB} \times \overrightarrow{AE}|
=1282+(−4)2+(−2)2= \frac{1}{2} \sqrt{8^2 + (-4)^2 + (-2)^2}
=1264+16+4=1284= \frac{1}{2} \sqrt{64 + 16 + 4} = \frac{1}{2} \sqrt{84}
=12(221)=21= \frac{1}{2} (2\sqrt{21}) = \sqrt{21}

答案

21\sqrt{21}

5(iv)

1. Find the displacement vector $\overrightarrow{AB}$.

Using the position vectors given in part (ii):
AB→=OB→−OA→=(11−2)−(0−20)=(13−2)\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{OB} - \overrightarrow{OA} = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ -2 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 0 \\ -2 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 3 \\ -2 \end{pmatrix}

2. Calculate the length of projection of $\overrightarrow{OE}$ onto $\overrightarrow{AB}$.

Length of projection=∣OE→⋅AB→∣∣AB→∣\text{Length of projection} = \frac{|\overrightarrow{OE} \cdot \overrightarrow{AB}|}{|\overrightarrow{AB}|}

=∣(1−12)⋅(13−2)∣12+32+(−2)2= \frac{\left| \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 2 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 3 \\ -2 \end{pmatrix} \right|}{\sqrt{1^2 + 3^2 + (-2)^2}}

=∣(1)(1)+(−1)(3)+(2)(−2)∣1+9+4= \frac{|(1)(1) + (-1)(3) + (2)(-2)|}{\sqrt{1 + 9 + 4}}

=∣1−3−4∣14= \frac{|1 - 3 - 4|}{\sqrt{14}}

=614=61414=3147= \frac{6}{\sqrt{14}} = \frac{6\sqrt{14}}{14} = \frac{3\sqrt{14}}{7}

答案

3147\frac{3\sqrt{14}}{7}

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