已知 a\mathbf{a}、b\mathbf{b} 和 c\mathbf{c} 是非零向量,且满足 (a+b)×(a+c)=b×c(\mathbf{a}+\mathbf{b})\times(\mathbf{a}+\mathbf{c}) = \mathbf{b} \times \mathbf{c},并且 b≠c\mathbf{b} \ne \mathbf{c}。求 a\mathbf{a}、b\mathbf{b} 和 c\mathbf{c} 之间的关系。 另外已知 a\mathbf{a}、b\mathbf{b} 和 c\mathbf{c} 满足方程 a+b+c=0\mathbf{a} + \mathbf{b} + \mathbf{c} = \mathbf{0},其中 ∣a∣=2|\mathbf{a}| = 2、∣b∣=3|\mathbf{b}| = 3 且 ∣c∣=4|\mathbf{c}| = 4。求 a⋅b+b⋅c+c⋅a\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} + \mathbf{b} \cdot \mathbf{c} + \mathbf{c} \cdot \mathbf{a} 的值。

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完整解法

4(a)

1. Expand the cross product on the left hand side of the equation.

(a+b)×(a+c)=a×a+a×c+b×a+b×c(\mathbf{a}+\mathbf{b})\times(\mathbf{a}+\mathbf{c}) = \mathbf{a}\times\mathbf{a} + \mathbf{a}\times\mathbf{c} + \mathbf{b}\times\mathbf{a} + \mathbf{b}\times\mathbf{c}

2. Simplify the equation using the property $\mathbf{a} \times \mathbf{a} = \mathbf{0}$.

0+a×c+b×a+b×c=b×c\mathbf{0} + \mathbf{a}\times\mathbf{c} + \mathbf{b}\times\mathbf{a} + \mathbf{b}\times\mathbf{c} = \mathbf{b}\times\mathbf{c}
a×c+b×a=0\mathbf{a}\times\mathbf{c} + \mathbf{b}\times\mathbf{a} = \mathbf{0}

3. Rearrange and factorise the expression using anti-commutativity of the cross product.

Since b×a=−a×b\mathbf{b}\times\mathbf{a} = -\mathbf{a}\times\mathbf{b}:
a×c−a×b=0\mathbf{a}\times\mathbf{c} - \mathbf{a}\times\mathbf{b} = \mathbf{0}
a×(c−b)=0\mathbf{a}\times(\mathbf{c} - \mathbf{b}) = \mathbf{0}

4. Deduce the relationship between the vectors.

We are given that a\mathbf{a} is a non-zero vector, and b≠c\mathbf{b} \ne \mathbf{c} implies c−b≠0\mathbf{c} - \mathbf{b} \ne \mathbf{0}.
Since the cross product of two non-zero vectors is the zero vector, they must be parallel.
Therefore, a\mathbf{a} is parallel to c−b\mathbf{c} - \mathbf{b}.

答案

a\mathbf{a} is parallel to c−b\mathbf{c} - \mathbf{b}

4(b)

1. Take the dot product of the given vector sum with itself.

(a+b+c)⋅(a+b+c)=0⋅0=0(\mathbf{a} + \mathbf{b} + \mathbf{c}) \cdot (\mathbf{a} + \mathbf{b} + \mathbf{c}) = \mathbf{0} \cdot \mathbf{0} = 0

2. Expand the dot product using the distributive property and the definition of magnitude.

∣a∣2+∣b∣2+∣c∣2+2(a⋅b+b⋅c+c⋅a)=0|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2 + |\mathbf{c}|^2 + 2(\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} + \mathbf{b} \cdot \mathbf{c} + \mathbf{c} \cdot \mathbf{a}) = 0

3. Substitute the given magnitudes to find the value of the required expression.

(2)2+(3)2+(4)2+2(a⋅b+b⋅c+c⋅a)=0(2)^2 + (3)^2 + (4)^2 + 2(\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} + \mathbf{b} \cdot \mathbf{c} + \mathbf{c} \cdot \mathbf{a}) = 0
4+9+16+2(a⋅b+b⋅c+c⋅a)=04 + 9 + 16 + 2(\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} + \mathbf{b} \cdot \mathbf{c} + \mathbf{c} \cdot \mathbf{a}) = 0
29+2(a⋅b+b⋅c+c⋅a)=029 + 2(\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} + \mathbf{b} \cdot \mathbf{c} + \mathbf{c} \cdot \mathbf{a}) = 0
a⋅b+b⋅c+c⋅a=−292=−14.5\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} + \mathbf{b} \cdot \mathbf{c} + \mathbf{c} \cdot \mathbf{a} = -\frac{29}{2} = -14.5

答案

−14.5-14.5

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