相对于原点 OO,点 AA、BB 和 CC 的位置向量分别为 a\mathbf{a}、b\mathbf{b} 和 3a+b3\mathbf{a}+\mathbf{b}。点 DD 在 ABAB 上,满足 AD=k ABAD = k\,AB,其中 0<k<10 < k < 1。

  1. (a)

    用 kk、a\mathbf{a} 和 b\mathbf{b} 表示直线 ODOD 的向量方程。

  2. (b)

    点 EE 是 BCBC 的中点。若 OO、DD 和 EE 共线,求 kk 的值。

  3. (c)

    已知 ∣a∣=1|\mathbf{a}| = 1,∣b∣=2|\mathbf{b}| = 2 且 ∣3a−2b∣=31|3\mathbf{a} - 2\mathbf{b}| = \sqrt{31}。通过计算数量积 (3a−2b)⋅(3a−2b)(3\mathbf{a}-2\mathbf{b})\cdot(3\mathbf{a}-2\mathbf{b}),求 a⋅b\mathbf{a}\cdot\mathbf{b} 的数值,并由此确定 a\mathbf{a} 与 b\mathbf{b} 之间的夹角。

  4. (d)

    给出 ∣a⋅b∣| \mathbf{a}\cdot\mathbf{b}| 的几何意义。

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完整解法

4(a)

1. Find the position vector of $D$ using vector addition or the ratio theorem.

AD⃗=kAB⃗=k(b−a)\vec{AD} = k\vec{AB} = k(\mathbf{b} - \mathbf{a})
OD⃗=OA⃗+AD⃗=a+k(b−a)\vec{OD} = \vec{OA} + \vec{AD} = \mathbf{a} + k(\mathbf{b} - \mathbf{a})
OD⃗=(1−k)a+kb\vec{OD} = (1-k)\mathbf{a} + k\mathbf{b}

2. Formulate the vector equation of the line $OD$.

The line passes through the origin OO and has direction vector OD⃗\vec{OD}.
The vector equation is given by r=λOD⃗\mathbf{r} = \lambda \vec{OD}, where λ\lambda is a scalar parameter.
r=λ((1−k)a+kb)\mathbf{r} = \lambda ((1-k)\mathbf{a} + k\mathbf{b})

答案

r=λ((1−k)a+kb)\mathbf{r} = \lambda ((1-k)\mathbf{a} + k\mathbf{b}), where λ∈R\lambda \in \mathbb{R}

4(b)

1. Find the position vector of $D$ (as required from the dependent part (a)).

OD⃗=OA⃗+AD⃗\vec{OD} = \vec{OA} + \vec{AD}
Since AD=k ABAD = k\,AB,
OD⃗=a+k(OB⃗−OA⃗)\vec{OD} = \mathbf{a} + k(\vec{OB} - \vec{OA})
OD⃗=a+k(b−a)=(1−k)a+kb\vec{OD} = \mathbf{a} + k(\mathbf{b} - \mathbf{a}) = (1-k)\mathbf{a} + k\mathbf{b}

2. Find the position vector of the midpoint $E$.

Since EE is the midpoint of BCBC,
OE⃗=OB⃗+OC⃗2\vec{OE} = \frac{\vec{OB} + \vec{OC}}{2}
OE⃗=b+(3a+b)2=3a+2b2\vec{OE} = \frac{\mathbf{b} + (3\mathbf{a} + \mathbf{b})}{2} = \frac{3\mathbf{a} + 2\mathbf{b}}{2}
OE⃗=32a+b\vec{OE} = \frac{3}{2}\mathbf{a} + \mathbf{b}

3. Set up an equation using the condition that $O$, $D$, and $E$ are collinear.

Since OO, DD, and EE are collinear, OD⃗=μOE⃗\vec{OD} = \mu \vec{OE} for some scalar μ\mu.
(1−k)a+kb=μ(32a+b)(1-k)\mathbf{a} + k\mathbf{b} = \mu \left( \frac{3}{2}\mathbf{a} + \mathbf{b} \right)
(1−k)a+kb=32μa+μb(1-k)\mathbf{a} + k\mathbf{b} = \frac{3}{2}\mu\mathbf{a} + \mu\mathbf{b}

4. Compare the coefficients of $\mathbf{a}$ and $\mathbf{b}$ to solve for $k$.

Comparing the coefficients of b\mathbf{b}:
k=μk = \mu

Comparing the coefficients of a\mathbf{a}:
1−k=32μ1 - k = \frac{3}{2}\mu

Substitute μ=k\mu = k into the second equation:
1−k=32k1 - k = \frac{3}{2}k
1=52k1 = \frac{5}{2}k
k=25k = \frac{2}{5}

答案

k=25k = \frac{2}{5}

4(c)

1. Expand the scalar product expression.

(3a−2b)⋅(3a−2b)=9(a⋅a)−6(a⋅b)−6(b⋅a)+4(b⋅b)(3\mathbf{a}-2\mathbf{b})\cdot(3\mathbf{a}-2\mathbf{b}) = 9(\mathbf{a}\cdot\mathbf{a}) - 6(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}) - 6(\mathbf{b}\cdot\mathbf{a}) + 4(\mathbf{b}\cdot\mathbf{b})\n=9∣a∣2−12a⋅b+4∣b∣2= 9|\mathbf{a}|^2 - 12\mathbf{a}\cdot\mathbf{b} + 4|\mathbf{b}|^2

2. Substitute the known magnitudes to find the numerical value of $\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}$.

Since (3a−2b)⋅(3a−2b)=∣3a−2b∣2(3\mathbf{a}-2\mathbf{b})\cdot(3\mathbf{a}-2\mathbf{b}) = |3\mathbf{a}-2\mathbf{b}|^2, we substitute the given magnitudes:\n(31)2=9(1)2−12a⋅b+4(2)2(\sqrt{31})^2 = 9(1)^2 - 12\mathbf{a}\cdot\mathbf{b} + 4(2)^2\n31=9−12a⋅b+1631 = 9 - 12\mathbf{a}\cdot\mathbf{b} + 16\n31=25−12a⋅b31 = 25 - 12\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}\n12a⋅b=−612\mathbf{a}\cdot\mathbf{b} = -6\na⋅b=−0.5\mathbf{a}\cdot\mathbf{b} = -0.5

3. Calculate the angle between $\mathbf{a}$ and $\mathbf{b}$.

Let the angle between the vectors be θ\theta.\ncos⁡θ=a⋅b∣a∣∣b∣\cos\theta = \frac{\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}}{|\mathbf{a}||\mathbf{b}|}\ncos⁡θ=−0.5(1)(2)=−0.25\cos\theta = \frac{-0.5}{(1)(2)} = -0.25\nθ=cos⁡−1(−0.25)≈104.4775∘\theta = \cos^{-1}(-0.25) \approx 104.4775^\circ\nθ≈104.5∘ (to 1 d.p.)\theta \approx 104.5^\circ \text{ (to 1 d.p.)}

答案

a⋅b=−0.5\mathbf{a}\cdot\mathbf{b} = -0.5, angle =104.5∘= 104.5^\circ

4(d)

1. Identify the geometrical meaning using the unit magnitude of vector a

From part (c), we are given that ∣a∣=1|\mathbf{a}| = 1. This means that a\mathbf{a} is a unit vector (i.e. a=a^\mathbf{a} = \hat{\mathbf{a}}).
The expression ∣a⋅b∣|\mathbf{a} \cdot \mathbf{b}| is equivalent to ∣b⋅a^∣|\mathbf{b} \cdot \hat{\mathbf{a}}|, which by definition is the length of the projection of vector b\mathbf{b} onto the direction of vector a\mathbf{a}.

答案

It represents the length of projection of vector b\mathbf{b} (or OBOB) onto vector a\mathbf{a} (or the line OAOA).

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