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CalcGospel 國際數學圖譜
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CIE 9231 2024 June Paper 12 Q5

A Level / CIE / FP1

CIE 9231 2024 June Paper 12 Paper · Question 5

题目

Problem

The points AA, BB, CC have position vectors

2i+2j+4k,2i+4j−k,−3i−3j+4k,2\mathbf{i}+2\mathbf{j}+4\mathbf{k},\qquad 2\mathbf{i}+4\mathbf{j}-\mathbf{k},\qquad -3\mathbf{i}-3\mathbf{j}+4\mathbf{k},

respectively, relative to the origin OO.

(a) Find the equation of the plane ABCABC, giving your answer in the form ax+by+cz=dax+by+cz=d.

(5)

The point DD has position vector 2i+j+3k2\mathbf{i}+\mathbf{j}+3\mathbf{k}.

(b) Find the perpendicular distance from DD to the plane ABCABC.

(2)

(c) Find the shortest distance between the lines ABAB and CDCD.

(5)
题目中文翻译

点 AA、BB、CC 相对于原点 OO 的位置向量分别为

2i+2j+4k,2i+4j−k,−3i−3j+4k.2\mathbf{i}+2\mathbf{j}+4\mathbf{k},\qquad 2\mathbf{i}+4\mathbf{j}-\mathbf{k},\qquad -3\mathbf{i}-3\mathbf{j}+4\mathbf{k}.

(a) 求平面 ABCABC 的方程,答案写成 ax+by+cz=dax+by+cz=d 的形式。

(5)

点 DD 的位置向量为 2i+j+3k2\mathbf{i}+\mathbf{j}+3\mathbf{k}。

(b) 求点 DD 到平面 ABCABC 的垂直距离。

(2)

(c) 求直线 ABAB 与 CDCD 之间的最短距离。

(5)
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

用平面内两条边的叉积求法向量,再代入A。

答题过程

展开 AB→= (0,2,−5),AC→= (−5,−5,0).\begin{align*} \overrightarrow{AB}=&\,(0,2,-5),\\[4mm] \overrightarrow{AC}=&\,(-5,-5,0). \end{align*}

A normal is

AB→×AC→= (−25,25,10)= 5(−5,5,2).\begin{align*} \overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}=&\,(-25,25,10)\\[4mm] =&\,5(-5,5,2). \end{align*}

Using A=(2,2,4)A=(2,2,4) and normal (−5,5,2)(-5,5,2) gives

−5x+5y+2z=−10+10+8,-5x+5y+2z=-10+10+8,

so

−5x+5y+2z=8.\boxed{-5x+5y+2z=8}.

(b)

解法一

思路

展开

把D代入平面左边,减去常数项并取绝对值,再除以法向量的模。

答题过程

展开

The distance is

d= ∣−5(2)+5(1)+2(3)−8∣25+25+4= 754(≈0.953).\begin{align*} d=&\,\frac{|-5(2)+5(1)+2(3)-8|}{\sqrt{25+25+4}}\\[4mm] =&\,\boxed{\frac7{\sqrt{54}}}\quad(\approx0.953). \end{align*}

(c)

解法一

思路

展开

两直线方向的叉积给公垂线方向,把任意一条连接两线的向量投影到该方向即可得到最短距离。

答题过程

展开

Direction vectors of ABAB and CDCD are

u= (0,2,−5),v= D−C=(5,4,−1).\begin{align*} \mathbf u=&\,(0,2,-5),\\[4mm] \mathbf v=&\,D-C=(5,4,-1). \end{align*}

Their common perpendicular direction is

w= u×v=(18,−25,−10),∣w∣= 1049.\begin{align*} \mathbf w=&\,\mathbf u\times\mathbf v=(18,-25,-10),\\[4mm] |\mathbf w|=&\,\sqrt{1049}. \end{align*}

Since AC→=(−5,−5,0)\overrightarrow{AC}=(-5,-5,0) connects a point on ABAB to a point on CDCD, the shortest distance is

d= ∣AC→⋅w∣∣w∣= ∣−90+125∣1049= 351049(≈1.08).\begin{align*} d=&\,\frac{|\overrightarrow{AC}\cdot\mathbf w|}{|\mathbf w|}\\[4mm] =&\,\frac{|-90+125|}{\sqrt{1049}}\\[4mm] =&\,\boxed{\frac{35}{\sqrt{1049}}} \quad(\approx1.08). \end{align*}