以原点 OO 为参考,点 AA、BB 和 CC 满足 OA→=(21−1)\overrightarrow{OA} = \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix}、OB→=(01−2)\overrightarrow{OB} = \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ -2 \end{pmatrix} 和 OC→=(130)\overrightarrow{OC} = \begin{pmatrix} 1 \\ 3 \\ 0 \end{pmatrix}。点 PP 在 ABAB 上,介于 AA 和 BB 之间,使得 AP:PB=λ:1−λAP : PB = \lambda : 1-\lambda,其中 0<λ<10 < \lambda < 1。点 QQ 在 BCBC 上,介于 BB 和 CC 之间,使得 BQ:QC=λ:1−λBQ : QC = \lambda : 1-\lambda。

  1. (a)

    用 λ\lambda 表示 PQ→\overrightarrow{PQ}。

  2. (b)

    点 XX 的坐标为 (2,−1,−52)\left(2, -1, -\dfrac{5}{2}\right)。点 P、Q 和 X 共线。

    求 λ\lambda 的值。

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完整解法

3(a)

1. Find the position vector of point $P$ using the Ratio Theorem.

Using the Ratio Theorem since AP:PB=λ:1−λAP : PB = \lambda : 1-\lambda,
OP→=(1−λ)OA→+λOB→\overrightarrow{OP} = (1-\lambda)\overrightarrow{OA} + \lambda\overrightarrow{OB}
OP→=(1−λ)(21−1)+λ(01−2)=(2−2λ1−λ+λ−1+λ−2λ)=(2−2λ1−1−λ)\overrightarrow{OP} = (1-\lambda)\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix} + \lambda\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ -2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 - 2\lambda \\ 1 - \lambda + \lambda \\ -1 + \lambda - 2\lambda \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 - 2\lambda \\ 1 \\ -1 - \lambda \end{pmatrix}

2. Find the position vector of point $Q$ using the Ratio Theorem.

Similarly, since BQ:QC=λ:1−λBQ : QC = \lambda : 1-\lambda,
OQ→=(1−λ)OB→+λOC→\overrightarrow{OQ} = (1-\lambda)\overrightarrow{OB} + \lambda\overrightarrow{OC}
OQ→=(1−λ)(01−2)+λ(130)=(λ1−λ+3λ−2+2λ)=(λ1+2λ−2+2λ)\overrightarrow{OQ} = (1-\lambda)\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ -2 \end{pmatrix} + \lambda\begin{pmatrix} 1 \\ 3 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \lambda \\ 1 - \lambda + 3\lambda \\ -2 + 2\lambda \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \lambda \\ 1 + 2\lambda \\ -2 + 2\lambda \end{pmatrix}

3. Calculate the displacement vector $\overrightarrow{PQ}$.

PQ→=OQ→−OP→\overrightarrow{PQ} = \overrightarrow{OQ} - \overrightarrow{OP}
PQ→=(λ1+2λ−2+2λ)−(2−2λ1−1−λ)\overrightarrow{PQ} = \begin{pmatrix} \lambda \\ 1 + 2\lambda \\ -2 + 2\lambda \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 2 - 2\lambda \\ 1 \\ -1 - \lambda \end{pmatrix}
PQ→=(λ−(2−2λ)1+2λ−1−2+2λ−(−1−λ))=(3λ−22λ3λ−1)\overrightarrow{PQ} = \begin{pmatrix} \lambda - (2 - 2\lambda) \\ 1 + 2\lambda - 1 \\ -2 + 2\lambda - (-1 - \lambda) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3\lambda - 2 \\ 2\lambda \\ 3\lambda - 1 \end{pmatrix}

答案

(3λ−22λ3λ−1)\begin{pmatrix} 3\lambda - 2 \\ 2\lambda \\ 3\lambda - 1 \end{pmatrix}

3(b)

1. Determine the displacement vector $\overrightarrow{PX}$ using the position vector $\overrightarrow{OP}$ found in part (a)

From part (a), the position vector of PP is OP→=(2−2λ1−1−λ)\overrightarrow{OP} = \begin{pmatrix} 2-2\lambda \\ 1 \\ -1-\lambda \end{pmatrix} and PQ→=(3λ−22λ3λ−1)\overrightarrow{PQ} = \begin{pmatrix} 3\lambda - 2 \\ 2\lambda \\ 3\lambda - 1 \end{pmatrix}.

The displacement vector PX→\overrightarrow{PX} is given by:
PX→=OX→−OP→=(2−1−52)−(2−2λ1−1−λ)=(2λ−2λ−32)\overrightarrow{PX} = \overrightarrow{OX} - \overrightarrow{OP} = \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ -\frac{5}{2} \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 2 - 2\lambda \\ 1 \\ -1 - \lambda \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2\lambda \\ -2 \\ \lambda - \frac{3}{2} \end{pmatrix}

2. Use the condition for collinearity to set up equations involving $\lambda$

Since points PP, QQ, and XX are collinear, PX→\overrightarrow{PX} is a scalar multiple of PQ→\overrightarrow{PQ}. Therefore, there exists a scalar kk such that:
PX→=kPQ→\overrightarrow{PX} = k\overrightarrow{PQ}
(2λ−2λ−32)=k(3λ−22λ3λ−1)\begin{pmatrix} 2\lambda \\ -2 \\ \lambda - \frac{3}{2} \end{pmatrix} = k \begin{pmatrix} 3\lambda - 2 \\ 2\lambda \\ 3\lambda - 1 \end{pmatrix}
Equating the yy-components:
−2=k(2λ)  ⟹  k=−1λ-2 = k(2\lambda) \implies k = -\frac{1}{\lambda}

3. Solve the equations to find the value of $\lambda$, taking the domain into account

Equating the xx-components and substituting k=−1λk = -\frac{1}{\lambda}:
2λ=(−1λ)(3λ−2)2\lambda = \left(-\frac{1}{\lambda}\right)(3\lambda - 2)
2λ2=−3λ+22\lambda^2 = -3\lambda + 2
2λ2+3λ−2=02\lambda^2 + 3\lambda - 2 = 0
(2λ−1)(λ+2)=0(2\lambda - 1)(\lambda + 2) = 0
λ=12orλ=−2\lambda = \frac{1}{2} \quad \text{or} \quad \lambda = -2
Since it is given that 0<λ<10 < \lambda < 1, we reject λ=−2\lambda = -2.
λ=12\lambda = \frac{1}{2}

答案

\lambda = \frac{1}{2}

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