向量 λi+3j−6k\lambda i + 3j - 6k 与向量 ii 之间的夹角为 120∘120^\circ。求常数 λ\lambda 的精确值。

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完整解法

Q1

1. Apply the scalar product formula to set up an equation involving $\lambda$.

Let a=λi+3j−6k\mathbf{a} = \lambda\mathbf{i} + 3\mathbf{j} - 6\mathbf{k} and b=i\mathbf{b} = \mathbf{i}.
Using the scalar product formula a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡θ\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = |\mathbf{a}||\mathbf{b}|\cos\theta:
(λ)(1)+(3)(0)+(−6)(0)=λ2+32+(−6)212+02+02cos⁡120∘(\lambda)(1) + (3)(0) + (-6)(0) = \sqrt{\lambda^2 + 3^2 + (-6)^2} \sqrt{1^2 + 0^2 + 0^2} \cos 120^\circ
λ=λ2+45(1)(−12)\lambda = \sqrt{\lambda^2 + 45} (1) \left(-\frac{1}{2}\right)

2. Rearrange and square both sides to eliminate the square root.

Multiply both sides by −2-2:
−2λ=λ2+45-2\lambda = \sqrt{\lambda^2 + 45}
Square both sides:
(−2λ)2=(λ2+45)2(-2\lambda)^2 = (\sqrt{\lambda^2 + 45})^2
4λ2=λ2+454\lambda^2 = \lambda^2 + 45

3. Solve the resulting quadratic equation for $\lambda$.

3λ2=453\lambda^2 = 45
λ2=15\lambda^2 = 15
λ=15 or λ=−15\lambda = \sqrt{15} \text{ or } \lambda = -\sqrt{15}

4. Reject the extraneous root using the context of the dot product.

Since the angle is obtuse (120∘120^\circ), the scalar product a⋅b=λ\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = \lambda must be negative.
Alternatively, from −2λ=λ2+45-2\lambda = \sqrt{\lambda^2 + 45}, the principal square root must be non-negative, which implies λ≤0\lambda \le 0.
Therefore, we reject λ=15\lambda = \sqrt{15}.
λ=−15\lambda = -\sqrt{15}

答案

−15-\sqrt{15}

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