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CalcGospel 國際數學圖譜
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CIE 9231 2022 November Paper 12 Q6

A Level / CIE / FP1

CIE 9231 2022 Nov Paper 12 Paper · Question 6

题目

Problem

The lines l1l_1 and l2l_2 have equations r=2i+k+λ(i−j+2k)\mathbf r=2\mathbf i+\mathbf k+\lambda(\mathbf i-\mathbf j+2\mathbf k) and r=2j+6k+μ(i+2j−2k)\mathbf r=2\mathbf j+6\mathbf k+\mu(\mathbf i+2\mathbf j-2\mathbf k) respectively.

The point PP on l1l_1 and the point QQ on l2l_2 are such that PQPQ is perpendicular to both l1l_1 and l2l_2.

(a) Find the length PQPQ.

(5)

The plane Π1\Pi_1 contains PQPQ and l1l_1.

The plane Π2\Pi_2 contains PQPQ and l2l_2.

(b) (i) Write down an equation of Π1\Pi_1, giving your answer in the form r=a+sb+tc\mathbf r=\mathbf a+s\mathbf b+t\mathbf c.

(1)

(ii) Find an equation of Π2\Pi_2, giving your answer in the form ax+by+cz=dax+by+cz=d.

(4)

(c) Find the acute angle between Π1\Pi_1 and Π2\Pi_2.

(5)
题目中文翻译

直线 l1l_1 和 l2l_2 的方程分别为 r=2i+k+λ(i−j+2k)\mathbf r=2\mathbf i+\mathbf k+\lambda(\mathbf i-\mathbf j+2\mathbf k) 和 r=2j+6k+μ(i+2j−2k)\mathbf r=2\mathbf j+6\mathbf k+\mu(\mathbf i+2\mathbf j-2\mathbf k)。

点 PP 在 l1l_1 上,点 QQ 在 l2l_2 上,且 PQPQ 同时垂直于 l1l_1 和 l2l_2。

(a) 求 PQPQ 的长度。

(5)

平面 Π1\Pi_1 包含 PQPQ 和 l1l_1。

平面 Π2\Pi_2 包含 PQPQ 和 l2l_2。

(b) (i) 写出 Π1\Pi_1 的一个方程,将答案写成 r=a+sb+tc\mathbf r=\mathbf a+s\mathbf b+t\mathbf c 的形式。

(1)

(ii) 求 Π2\Pi_2 的一个方程,将答案写成 ax+by+cz=dax+by+cz=d 的形式。

(4)

(c) 求 Π1\Pi_1 与 Π2\Pi_2 之间的锐角。

(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

两直线方向叉积给共同垂直方向,连接两线上任意已知点后作投影。

答题过程

展开

The line directions are u=(1,−1,2)\mathbf u=(1,-1,2) and v=(1,2,−2)\mathbf v=(1,2,-2). A common perpendicular direction is

w=(2,−4,−3),\mathbf w=(2,-4,-3),

which is the negative of u×v\mathbf u\times\mathbf v. With A=(2,0,1)A=(2,0,1) on l1l_1 and B=(0,2,6)B=(0,2,6) on l2l_2,

AB→=(−2,2,5).\overrightarrow{AB}=(-2,2,5).

Hence

PQ= ∣AB→⋅w∣∣w∣= ∣−4−8−15∣4+16+9= 2729.\begin{align*} PQ=&\,\frac{|\overrightarrow{AB}\cdot\mathbf w|}{|\mathbf w|}\\[4mm] =&\,\frac{|-4-8-15|}{\sqrt{4+16+9}}\\[4mm] =&\,\boxed{\frac{27}{\sqrt{29}}}. \end{align*}

(b)(i)

解法一

思路

展开

平面包含第一条直线及公垂线方向,两方向张成所求平面。

答题过程

展开

Using the point (2,0,1)(2,0,1) on l1l_1 and directions (1,−1,2)(1,-1,2) and (2,−4,−3)(2,-4,-3),

r= (201)+s(1−12) +t(2−4−3),\begin{align*} \mathbf r=&\,\begin{pmatrix}2\\0\\1\end{pmatrix} +s\begin{pmatrix}1\\-1\\2\end{pmatrix}\\[4mm] &\,+t\begin{pmatrix}2\\-4\\-3\end{pmatrix}, \end{align*}

where s,t∈Rs,t\in\mathbb R.

(b)(ii)

解法一

思路

展开

第二条直线方向与公垂线方向都在第二平面内,叉积给法向量,再代入第二直线上的点。

答题过程

展开

A normal to Π2\Pi_2 is

(1,2,−2)×(2,−4,−3)=(−14,−1,−8).(1,2,-2)\times(2,-4,-3)=(-14,-1,-8).

Taking the opposite normal (14,1,8)(14,1,8) and point (0,2,6)(0,2,6) gives

Π2: 14x+y+8z=50.\boxed{\Pi_2:\ 14x+y+8z=50}.

(c)

解法一

思路

展开

第一平面的两方向叉积给法向量,与第二平面法向量点积求两平面锐角。

答题过程

展开

A normal to Π1\Pi_1 is

n1=(1,−1,2)×(2,−4,−3)=(11,7,−2).\mathbf n_1=(1,-1,2)\times(2,-4,-3)=(11,7,-2).

Using n2=(14,1,8)\mathbf n_2=(14,1,8), the acute angle ϕ\phi between the planes satisfies

cos⁡ϕ= ∣n1⋅n2∣∣n1∣∣n2∣= ∣154+7−16∣174261= 145174261.\begin{align*} \cos\phi=&\,\frac{|\mathbf n_1\cdot\mathbf n_2|}{|\mathbf n_1||\mathbf n_2|}\\[4mm] =&\,\frac{|154+7-16|}{\sqrt{174}\sqrt{261}}\\[4mm] =&\,\frac{145}{\sqrt{174}\sqrt{261}}. \end{align*}

Thus ϕ=47.1∘\boxed{\phi=47.1^\circ}.