相对于原点 OO,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。OAOA 上的点 PP 满足 OP:PA=2:3OP : PA = 2 : 3。点 QQ 满足 OPQBOPQB 是一个平行四边形。

  1. (i)

    用 a\mathbf{a} 和 b\mathbf{b} 表示 OQ→\overrightarrow{OQ}。

  2. (ii)

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

  3. (iii)

    写出三角形 OPBOPB 的面积与三角形 OABOAB 的面积之比。

  4. (iv)

    已知 a×b\mathbf{a} \times \mathbf{b} 是单位向量,∣a∣=2|\mathbf{a}| = 2 且 a\mathbf{a} 与 b\mathbf{b} 之间的夹角为 60∘60^\circ,求 ∣b∣|\mathbf{b}| 的精确值。

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完整解法

9(i)

1. Express $\overrightarrow{OP}$ in terms of $\mathbf{a}$.

Given that PP is on OAOA and OP:PA=2:3OP : PA = 2 : 3, the total number of parts along OAOA is 2+3=52 + 3 = 5.

OP→=25OA→\overrightarrow{OP} = \frac{2}{5}\overrightarrow{OA}
OP→=25a\overrightarrow{OP} = \frac{2}{5}\mathbf{a}

2. Use the properties of a parallelogram to find $\overrightarrow{OQ}$.

Since OPQBOPQB is a parallelogram, the adjacent sides are OP→\overrightarrow{OP} and OB→\overrightarrow{OB}. By the parallelogram law of vector addition, the diagonal OQ→\overrightarrow{OQ} from the origin is the sum of the adjacent side vectors.

OQ→=OP→+OB→\overrightarrow{OQ} = \overrightarrow{OP} + \overrightarrow{OB}
OQ→=25a+b\overrightarrow{OQ} = \frac{2}{5}\mathbf{a} + \mathbf{b}

答案

25a+b\frac{2}{5}\mathbf{a} + \mathbf{b}

9(ii)

1. State the vector $\overrightarrow{OQ}$ derived from part (i).

Since PP is on OAOA with OP:PA=2:3OP:PA = 2:3, we have OP→=25a\overrightarrow{OP} = \frac{2}{5}\mathbf{a}.
As OPQBOPQB is a parallelogram, BQ→=OP→=25a\overrightarrow{BQ} = \overrightarrow{OP} = \frac{2}{5}\mathbf{a}.
Thus, OQ→=OB→+BQ→=b+25a\overrightarrow{OQ} = \overrightarrow{OB} + \overrightarrow{BQ} = \mathbf{b} + \frac{2}{5}\mathbf{a}.

2. Set up the expression for the area of triangle $OAQ$ using the cross product.

The area of a triangle defined by vectors OA→\overrightarrow{OA} and OQ→\overrightarrow{OQ} is given by 12∣OA→×OQ→∣\frac{1}{2} |\overrightarrow{OA} \times \overrightarrow{OQ}|.
Area of △OAQ=12∣a×(25a+b)∣\text{Area of } \triangle OAQ = \frac{1}{2} \left| \mathbf{a} \times \left( \frac{2}{5}\mathbf{a} + \mathbf{b} \right) \right|

3. Expand the cross product to simplify the expression and find $k$.

Using the distributive property of the cross product:
Area=12∣25(a×a)+(a×b)∣\text{Area} = \frac{1}{2} \left| \frac{2}{5}(\mathbf{a} \times \mathbf{a}) + (\mathbf{a} \times \mathbf{b}) \right|
Since the cross product of any vector with itself is the zero vector (a×a=0\mathbf{a} \times \mathbf{a} = \mathbf{0}):
Area=12∣0+a×b∣=12∣a×b∣\text{Area} = \frac{1}{2} |\mathbf{0} + \mathbf{a} \times \mathbf{b}| = \frac{1}{2} |\mathbf{a} \times \mathbf{b}|
Comparing this to k∣a×b∣k|\mathbf{a} \times \mathbf{b}|, we find k=12k = \frac{1}{2}.

答案

k = \frac{1}{2}

9(iii)

1. Determine the ratio using the shared height of the triangles

Triangles OPBOPB and OABOAB share the same vertex BB and their bases OPOP and OAOA lie on the same line. Therefore, the ratio of their areas is equal to the ratio of their bases.

Since OP:PA=2:3OP : PA = 2 : 3, it follows that OP:OA=2:(2+3)=2:5OP : OA = 2 : (2 + 3) = 2 : 5.

Area of △OPB:Area of △OAB=2:5\text{Area of } \triangle OPB : \text{Area of } \triangle OAB = 2 : 5

答案

2:52:5

9(iv)

1. State the formula relating the magnitude of a vector product to the magnitudes of the vectors and the angle between them.

∣a×b∣=∣a∣∣b∣sin⁡θ|\mathbf{a} \times \mathbf{b}| = |\mathbf{a}| |\mathbf{b}| \sin \theta

2. Substitute the given values into the formula.

Since a×b\mathbf{a} \times \mathbf{b} is a unit vector, ∣a×b∣=1|\mathbf{a} \times \mathbf{b}| = 1.
Substituting ∣a∣=2|\mathbf{a}| = 2 and θ=60∘\theta = 60^\circ:
1=(2)∣b∣sin⁡60∘1 = (2)|\mathbf{b}|\sin 60^\circ

3. Evaluate the exact trigonometric ratio and solve for $|\mathbf{b}|$.

1=2∣b∣(32)1 = 2|\mathbf{b}|\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right)
1=3∣b∣1 = \sqrt{3}|\mathbf{b}|
∣b∣=13=33|\mathbf{b}| = \frac{1}{\sqrt{3}} = \frac{\sqrt{3}}{3}

答案

33\frac{\sqrt{3}}{3}

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