点 AA 和 BB 相对于原点 OO 的位置向量分别为 a\mathbf{a} 和 b\mathbf{b}。点 CC 使得 OACBOACB 为平行四边形。ACAC 上的点 PP 满足 AP:PC=1:2AP : PC = 1 : 2,BCBC 上的点 QQ 满足 BQ:QC=1:2BQ : QC = 1 : 2。

  1. (i)

    用 a\mathbf{a} 和 b\mathbf{b} 表示 QP→\overrightarrow{QP}。

  2. (ii)

    证明 OC→⋅QP→\overrightarrow{OC}\cdot\overrightarrow{QP} 可以写成 λ∣a∣2+μ∣b∣2\lambda |\mathbf{a}|^2 + \mu |\mathbf{b}|^2 的形式,其中 λ\lambda 和 μ\mu 是待求常数。

  3. (iii)

    已知 OC→⋅QP→=0\overrightarrow{OC}\cdot\overrightarrow{QP}=0,确定平行四边形 OACB 的形状,并说明你的理由。

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完整解法

2(i)

1. Find the position vectors of points $P$ and $Q$.

Since OACBOACB is a parallelogram, we have AC→=OB→=b\overrightarrow{AC} = \overrightarrow{OB} = \mathbf{b} and BC→=OA→=a\overrightarrow{BC} = \overrightarrow{OA} = \mathbf{a}.

Using the given ratios AP:PC=1:2AP : PC = 1 : 2 and BQ:QC=1:2BQ : QC = 1 : 2:
AP→=13AC→=13b\overrightarrow{AP} = \frac{1}{3}\overrightarrow{AC} = \frac{1}{3}\mathbf{b}
OP→=OA→+AP→=a+13b\overrightarrow{OP} = \overrightarrow{OA} + \overrightarrow{AP} = \mathbf{a} + \frac{1}{3}\mathbf{b}

BQ→=13BC→=13a\overrightarrow{BQ} = \frac{1}{3}\overrightarrow{BC} = \frac{1}{3}\mathbf{a}
OQ→=OB→+BQ→=b+13a\overrightarrow{OQ} = \overrightarrow{OB} + \overrightarrow{BQ} = \mathbf{b} + \frac{1}{3}\mathbf{a}

2. Calculate $\overrightarrow{QP}$ by vector subtraction.

QP→=OP→−OQ→\overrightarrow{QP} = \overrightarrow{OP} - \overrightarrow{OQ}
QP→=(a+13b)−(b+13a)\overrightarrow{QP} = \left(\mathbf{a} + \frac{1}{3}\mathbf{b}\right) - \left(\mathbf{b} + \frac{1}{3}\mathbf{a}\right)
QP→=23a−23b\overrightarrow{QP} = \frac{2}{3}\mathbf{a} - \frac{2}{3}\mathbf{b}

答案

23a−23b\frac{2}{3}\mathbf{a} - \frac{2}{3}\mathbf{b}

2(ii)

1. Find the vector $\overrightarrow{QP}$ using the results from part (i).

From part (i), using the ratio theorem or vector addition:
AP→=13AC→=13b  ⟹  OP→=a+13b\overrightarrow{AP} = \frac{1}{3}\overrightarrow{AC} = \frac{1}{3}\mathbf{b} \implies \overrightarrow{OP} = \mathbf{a} + \frac{1}{3}\mathbf{b}
BQ→=13BC→=13a  ⟹  OQ→=b+13a\overrightarrow{BQ} = \frac{1}{3}\overrightarrow{BC} = \frac{1}{3}\mathbf{a} \implies \overrightarrow{OQ} = \mathbf{b} + \frac{1}{3}\mathbf{a}
QP→=OP→−OQ→=(a+13b)−(b+13a)=23a−23b\overrightarrow{QP} = \overrightarrow{OP} - \overrightarrow{OQ} = \left(\mathbf{a} + \frac{1}{3}\mathbf{b}\right) - \left(\mathbf{b} + \frac{1}{3}\mathbf{a}\right) = \frac{2}{3}\mathbf{a} - \frac{2}{3}\mathbf{b}

2. Express $\overrightarrow{OC}$ in terms of $\mathbf{a}$ and $\mathbf{b}$ and set up the scalar product.

Since OACBOACB is a parallelogram, OB→\overrightarrow{OB} is parallel to AC→\overrightarrow{AC} and OA→\overrightarrow{OA} is parallel to BC→\overrightarrow{BC}.
OC→=OA→+OB→=a+b\overrightarrow{OC} = \overrightarrow{OA} + \overrightarrow{OB} = \mathbf{a} + \mathbf{b}

OC→⋅QP→=(a+b)⋅(23a−23b)\overrightarrow{OC}\cdot\overrightarrow{QP} = (\mathbf{a} + \mathbf{b}) \cdot \left(\frac{2}{3}\mathbf{a} - \frac{2}{3}\mathbf{b}\right)

3. Expand the scalar product and use dot product properties to find $\lambda$ and $\mu$.

OC→⋅QP→=23(a⋅a)−23(a⋅b)+23(b⋅a)−23(b⋅b)\begin{aligned} \overrightarrow{OC}\cdot\overrightarrow{QP} &= \frac{2}{3}(\mathbf{a}\cdot\mathbf{a}) - \frac{2}{3}(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}) + \frac{2}{3}(\mathbf{b}\cdot\mathbf{a}) - \frac{2}{3}(\mathbf{b}\cdot\mathbf{b}) \end{aligned}
Since the scalar product is commutative (a⋅b=b⋅a\mathbf{a}\cdot\mathbf{b} = \mathbf{b}\cdot\mathbf{a}) and v⋅v=∣v∣2\mathbf{v}\cdot\mathbf{v} = |\mathbf{v}|^2:
=23∣a∣2−23∣b∣2= \frac{2}{3}|\mathbf{a}|^2 - \frac{2}{3}|\mathbf{b}|^2
Comparing this with λ∣a∣2+μ∣b∣2\lambda |\mathbf{a}|^2 + \mu |\mathbf{b}|^2 gives λ=23\lambda = \frac{2}{3} and μ=−23\mu = -\frac{2}{3}.

答案

λ=23,μ=−23\lambda = \frac{2}{3}, \mu = -\frac{2}{3}

2(iii)

1. Use the result from part (ii) to find the relationship between the magnitudes of $\mathbf{a}$ and $\mathbf{b}$.

From part (ii), we established that OC→⋅QP→=23∣a∣2−23∣b∣2\overrightarrow{OC}\cdot\overrightarrow{QP} = \frac{2}{3}|\mathbf{a}|^2 - \frac{2}{3}|\mathbf{b}|^2.
Given OC→⋅QP→=0\overrightarrow{OC}\cdot\overrightarrow{QP} = 0, we have:
23∣a∣2−23∣b∣2=0\frac{2}{3}|\mathbf{a}|^2 - \frac{2}{3}|\mathbf{b}|^2 = 0
∣a∣2=∣b∣2|\mathbf{a}|^2 = |\mathbf{b}|^2
Since magnitudes are non-negative,
∣a∣=∣b∣|\mathbf{a}| = |\mathbf{b}|

2. Identify the shape of the parallelogram and justify the answer.

The magnitudes ∣a∣|\mathbf{a}| and ∣b∣|\mathbf{b}| represent the lengths of the adjacent sides OAOA and OBOB of the parallelogram OACBOACB.
Since the adjacent sides are equal in length (OA=OBOA = OB), the parallelogram OACBOACB is a rhombus.

答案

Rhombus, since the adjacent sides of the parallelogram are equal in length.

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