相对于原点 OO,两个定点 AA 和 BB 的位置向量分别为 a\mathbf{a} 和 b\mathbf{b}。点 PP 的位置向量 p\mathbf{p} 由 p=λa+(1−λ)b\mathbf{p}=\lambda\mathbf{a}+(1-\lambda)\mathbf{b} 给出,其中 λ\lambda 是满足 0<λ<10<\lambda<1 的参数。

  1. (a)

    证明对于 λ\lambda 的所有实数值,点 PP 与 AA 和 BB 共线。

  2. (b)

    若角 AOBAOB 为 90∘90^\circ,证明从 OO 到 ABAB 的垂足的位置向量为 a+∣a∣2∣a∣2+∣b∣2(b−a).\mathbf{a}+\dfrac{|\mathbf{a}|^2}{|\mathbf{a}|^2+|\mathbf{b}|^2}(\mathbf{b}-\mathbf{a}).

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完整解法

1(a)

1. Express the displacement vector $\vec{AP}$ in terms of $\mathbf{a}$ and $\mathbf{b}$.

AP⃗=p−a\vec{AP} = \mathbf{p} - \mathbf{a}
=[λa+(1−λ)b]−a= [\lambda\mathbf{a} + (1-\lambda)\mathbf{b}] - \mathbf{a}

2. Factorise the expression to show it is a scalar multiple of $\vec{AB}$ and conclude collinearity.

AP⃗=(λ−1)a+(1−λ)b\vec{AP} = (\lambda - 1)\mathbf{a} + (1-\lambda)\mathbf{b}
=(1−λ)(b−a)= (1-\lambda)(\mathbf{b} - \mathbf{a})
Since AB⃗=b−a\vec{AB} = \mathbf{b} - \mathbf{a}, we have:
AP⃗=(1−λ)AB⃗\vec{AP} = (1-\lambda)\vec{AB}
Since 1−λ1-\lambda is a real scalar, AP⃗\vec{AP} is parallel to AB⃗\vec{AB}. Because point AA is common to both vectors, the points AA, PP, and BB are collinear.

答案

Shown

1(b)

1. Set up the scalar product equation using the condition that the foot of the perpendicular $P$ lies on the line $AB$.

From part (a), any point PP on the line ABAB can be expressed in the form p=a+μ(b−a)\mathbf{p} = \mathbf{a} + \mu(\mathbf{b} - \mathbf{a}), where μ=1−λ\mu = 1 - \lambda.
Since OPOP is perpendicular to ABAB, their scalar product must be zero:
OP⃗⋅AB⃗=0\vec{OP} \cdot \vec{AB} = 0
(a+μ(b−a))⋅(b−a)=0(\mathbf{a} + \mu(\mathbf{b} - \mathbf{a})) \cdot (\mathbf{b} - \mathbf{a}) = 0

2. Expand the scalar product and apply the condition that $\angle AOB = 90^\circ$.

Given ∠AOB=90∘\angle AOB = 90^\circ, vectors a\mathbf{a} and b\mathbf{b} are orthogonal, so a⋅b=0\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = 0.
Expanding the dot product equation:
a⋅b−a⋅a+μ(b⋅b−2a⋅b+a⋅a)=0\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} - \mathbf{a} \cdot \mathbf{a} + \mu(\mathbf{b} \cdot \mathbf{b} - 2\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} + \mathbf{a} \cdot \mathbf{a}) = 0
0−∣a∣2+μ(∣b∣2−0+∣a∣2)=00 - |\mathbf{a}|^2 + \mu(|\mathbf{b}|^2 - 0 + |\mathbf{a}|^2) = 0
−∣a∣2+μ(∣a∣2+∣b∣2)=0-|\mathbf{a}|^2 + \mu(|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2) = 0

3. Solve for $\mu$ and substitute it back into the position vector equation to show the required result.

μ(∣a∣2+∣b∣2)=∣a∣2\mu(|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2) = |\mathbf{a}|^2
μ=∣a∣2∣a∣2+∣b∣2\mu = \dfrac{|\mathbf{a}|^2}{|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2}
Substituting this back into our expression for p\mathbf{p}:
p=a+∣a∣2∣a∣2+∣b∣2(b−a) (shown)\mathbf{p} = \mathbf{a} + \dfrac{|\mathbf{a}|^2}{|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2}(\mathbf{b} - \mathbf{a}) \text{ (shown)}

答案

a+∣a∣2∣a∣2+∣b∣2(b−a) (shown)\mathbf{a} + \dfrac{|\mathbf{a}|^2}{|\mathbf{a}|^2 + |\mathbf{b}|^2}(\mathbf{b} - \mathbf{a}) \text{ (shown)}

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