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CIE 9231 2023 June Paper 11 Q7

A Level / CIE / FP1

CIE 9231 2023 June Paper 11 Paper · Question 7

题目

Problem

The plane Π1\Pi_1 has equation r=−4j−3k+λ(i−j+k)+μ(i+j−k)\mathbf{r}=-4\mathbf{j}-3\mathbf{k}+\lambda(\mathbf{i}-\mathbf{j}+\mathbf{k})+\mu(\mathbf{i}+\mathbf{j}-\mathbf{k}).

(a) Obtain an equation of Π1\Pi_1 in the form px+qy+rz=dpx+qy+rz=d.

(4)

(b) The plane Π2\Pi_2 has equation r⋅(−5i+3j+5k)=4\mathbf{r}\mathbin{\cdot}(-5\mathbf{i}+3\mathbf{j}+5\mathbf{k})=4.

Find a vector equation of the line of intersection of Π1\Pi_1 and Π2\Pi_2.

(4)

The line ll passes through the point AA with position vector ai+aj+(a−7)ka\mathbf{i}+a\mathbf{j}+(a-7)\mathbf{k} and is parallel to (1−b)i+bj+bk(1-b)\mathbf{i}+b\mathbf{j}+b\mathbf{k}, where aa and bb are positive constants.

(c) Given that the perpendicular distance from AA to Π1\Pi_1 is 2\sqrt2, find the value of aa.

(2)

(d) Given that the obtuse angle between ll and Π1\Pi_1 is 34π\frac34\pi, find the exact value of bb.

(4)
题目中文翻译

平面 Π1\Pi_1 的方程为 r=−4j−3k+λ(i−j+k)+μ(i+j−k)\mathbf{r}=-4\mathbf{j}-3\mathbf{k}+\lambda(\mathbf{i}-\mathbf{j}+\mathbf{k})+\mu(\mathbf{i}+\mathbf{j}-\mathbf{k})。

(a) 求 Π1\Pi_1 的一个方程,形式为 px+qy+rz=dpx+qy+rz=d。

(4)

(b) 平面 Π2\Pi_2 的方程为 r⋅(−5i+3j+5k)=4\mathbf{r}\mathbin{\cdot}(-5\mathbf{i}+3\mathbf{j}+5\mathbf{k})=4。

求 Π1\Pi_1 与 Π2\Pi_2 的交线的一个向量方程。

(4)

直线 ll 经过位置向量为 ai+aj+(a−7)ka\mathbf{i}+a\mathbf{j}+(a-7)\mathbf{k} 的点 AA,且平行于向量 (1−b)i+bj+bk(1-b)\mathbf{i}+b\mathbf{j}+b\mathbf{k},其中 aa 和 bb 为正常数。

(c) 已知 AA 到 Π1\Pi_1 的垂直距离为 2\sqrt2,求 aa 的值。

(2)

(d) 已知 ll 与 Π1\Pi_1 之间的钝角为 34π\frac34\pi,求 bb 的精确值。

(4)
原卷通用作答要求

Answer all questions. You should use a calculator where appropriate.

You must show all necessary working clearly; no marks will be given for unsupported answers from a calculator.

Give non-exact numerical answers correct to 3 significant figures, or 1 decimal place for angles in degrees, unless a different level of accuracy is specified in the question.

请回答所有题目。适当时应使用计算器。必须清楚展示所有必要的计算过程;仅给出计算器答案而没有过程,不予评分。除非题目另有精度要求,非精确数值答案保留 3 位有效数字,以度为单位的角度保留 1 位小数。

解答

(a)

解法一

思路

展开

两条平面方向的叉积给法向量,再代入参数式中的固定点。

答题过程

展开

A normal to Π1\Pi_1 is

(1,−1,1)×(1,1,−1)=(0,2,2).(1,-1,1)\times(1,1,-1)=(0,2,2).

Using normal (0,1,1)(0,1,1) and point (0,−4,−3)(0,-4,-3),

Π1: y+z=−7.\boxed{\Pi_1:\ y+z=-7}.

(b)

解法一

思路

展开

两平面法向量叉积给交线方向,任取方便的共同点即可写参数式。

答题过程

展开

The normals are (0,1,1)(0,1,1) and (−5,3,5)(-5,3,5), whose cross product is

(0,1,1)×(−5,3,5)=(2,−5,5).(0,1,1)\times(-5,3,5)=(2,-5,5).

Taking y=−2y=-2 gives z=−5z=-5 from Π1\Pi_1, and then −5x+3(−2)+5(−5)=4-5x+3(-2)+5(-5)=4 gives x=−7x=-7. Thus a vector equation is

r=(−7−2−5)+t(2−55),t∈R.\boxed{\mathbf r=\begin{pmatrix}-7\\-2\\-5\end{pmatrix} +t\begin{pmatrix}2\\-5\\5\end{pmatrix},\quad t\in\mathbb R}.

(c)

解法一

思路

展开

点到平面距离用绝对值,最后用a为正数排除负根。

答题过程

展开

The plane is y+z+7=0y+z+7=0, so

∣a+(a−7)+7∣2=2.\frac{|a+(a-7)+7|}{\sqrt2}=\sqrt2.

Hence ∣2a∣=2|2a|=2, giving a=±1a=\pm1. Since a>0a>0, a=1\boxed{a=1}.

(d)

解法一

思路

展开

用给定角度的正弦与法向量点积联系起来,平方后得到二次方程,再以b为正选根。

答题过程

展开

The line has direction u=(1−b,b,b)\mathbf u=(1-b,b,b) and a normal to the plane is n=(0,1,1)\mathbf n=(0,1,1). Using the given angle 3π/43\pi/4,

sin⁡3π4= ∣u⋅n∣∣u∣∣n∣= 2b(1−b)2+2b22,\begin{align*} \sin\frac{3\pi}{4} =&\,\frac{|\mathbf u\cdot\mathbf n|}{|\mathbf u||\mathbf n|}\\[4mm] =&\,\frac{2b}{\sqrt{(1-b)^2+2b^2}\sqrt2}, \end{align*}

since b>0b>0. Thus

4b2= (1−b)2+2b2,b2+2b−1= 0.\begin{align*} 4b^2=&\,(1-b)^2+2b^2,\\[4mm] b^2+2b-1=&\,0. \end{align*}

The roots are b=−1±2b=-1\pm\sqrt2. The positive root is

b=2−1.\boxed{b=\sqrt2-1}.