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CalcGospel 國際數學圖譜
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CIE 9231 2022 November Paper 13 Q4

A Level / CIE / FP1

CIE 9231 2022 Nov Paper 13 Paper · Question 4

题目

Problem

The plane Π\Pi contains the lines r=3i−2j+k+λ(−i+2j+k)\mathbf r=3\mathbf i-2\mathbf j+\mathbf k+\lambda(-\mathbf i+2\mathbf j+\mathbf k) and r=4i+4j+2k+μ(3i+2j−k)\mathbf r=4\mathbf i+4\mathbf j+2\mathbf k+\mu(3\mathbf i+2\mathbf j-\mathbf k).

(a) Find a Cartesian equation of Π\Pi, giving your answer in the form ax+by+cz=dax+by+cz=d.

(4)

The line ll passes through the point PP with position vector 2i+3j+k2\mathbf i+3\mathbf j+\mathbf k and is parallel to the vector j+k\mathbf j+\mathbf k.

(b) Find the acute angle between ll and Π\Pi.

(3)

(c) Find the position vector of the foot of the perpendicular from PP to Π\Pi.

(4)
题目中文翻译

平面 Π\Pi 包含直线 r=3i−2j+k+λ(−i+2j+k)\mathbf r=3\mathbf i-2\mathbf j+\mathbf k+\lambda(-\mathbf i+2\mathbf j+\mathbf k) 和 r=4i+4j+2k+μ(3i+2j−k)\mathbf r=4\mathbf i+4\mathbf j+2\mathbf k+\mu(3\mathbf i+2\mathbf j-\mathbf k)。

(a) 求平面 Π\Pi 的一个直角坐标方程,将答案写成 ax+by+cz=dax+by+cz=d 的形式。

(4)

直线 ll 经过位置向量为 2i+3j+k2\mathbf i+3\mathbf j+\mathbf k 的点 PP,并且平行于向量 j+k\mathbf j+\mathbf k。

(b) 求 ll 与 Π\Pi 之间的锐角。

(3)

(c) 求从 PP 向 Π\Pi 作垂线所得垂足的位置向量。

(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

平面包含两条直线的方向,其叉积给法向量;代入一点求常数,并核对另一条直线也满足。

答题过程

展开

The line directions are u=(−1,2,1)\mathbf u=(-1,2,1) and v=(3,2,−1)\mathbf v=(3,2,-1), so

u×v=(−4,2,−8)=−2(2,−1,4).\mathbf u\times\mathbf v=(-4,2,-8)=-2(2,-1,4).

Taking normal (2,−1,4)(2,-1,4) and point (3,−2,1)(3,-2,1) gives

2x−y+4z=12.\boxed{2x-y+4z=12}.

The other point (4,4,2)(4,4,2) also gives 8−4+8=128-4+8=12, and both line directions are perpendicular to the normal, so the plane contains both lines.

(b)

解法一

思路

展开

直线方向与法向量的点积绝对值除以两模之积,给线面锐角的正弦。

答题过程

展开

The direction of ll is d=(0,1,1)\mathbf d=(0,1,1) and a normal to Π\Pi is n=(2,−1,4)\mathbf n=(2,-1,4). If ϕ\phi is the acute line-plane angle,

sin⁡ϕ= ∣d⋅n∣∣d∣∣n∣= ∣−1+4∣221= 342.\begin{align*} \sin\phi=&\,\frac{|\mathbf d\cdot\mathbf n|}{|\mathbf d||\mathbf n|}\\[4mm] =&\,\frac{|-1+4|}{\sqrt2\sqrt{21}}\\[4mm] =&\,\frac3{\sqrt{42}}. \end{align*}

Therefore ϕ=27.6∘\boxed{\phi=27.6^\circ}.

(c)

解法一

思路

展开

垂足位于经过P、方向为平面法向量的直线上,将参数式代入平面方程。

答题过程

展开

The foot FF has position vector

OF→= (2,3,1)+t(2,−1,4)= (2+2t,3−t,1+4t).\begin{align*} \overrightarrow{OF}=&\,(2,3,1)+t(2,-1,4)\\[4mm] =&\,(2+2t,3-t,1+4t). \end{align*}

Since FF lies on Π\Pi,

2(2+2t)−(3−t)+4(1+4t)=12.2(2+2t)-(3-t)+4(1+4t)=12.

Thus 5+21t=125+21t=12, giving t=1/3t=1/3. Hence

OF→=13(8i+8j+7k).\boxed{\overrightarrow{OF}=\frac13(8\mathbf i+8\mathbf j+7\mathbf k)}.