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CalcGospel 國際數學圖譜
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CIE 9231 2023 November Paper 11 Q4

A Level / CIE / FP1

CIE 9231 2023 Nov Paper 11 Paper · Question 4

题目

Problem

The lines l1l_1 and l2l_2 have equations

r= −2i−3j−5k+λ(−4i+3j+5k)andr= 2i−2j+3k+μ(2i−3j+k)\begin{align*} \mathbf{r}=&\,-2\mathbf{i}-3\mathbf{j}-5\mathbf{k}+\lambda(-4\mathbf{i}+3\mathbf{j}+5\mathbf{k})\\ \text{and}\quad\mathbf{r}=&\,2\mathbf{i}-2\mathbf{j}+3\mathbf{k}+\mu(2\mathbf{i}-3\mathbf{j}+\mathbf{k}) \end{align*}

respectively.

(a) Find the shortest distance between l1l_1 and l2l_2.

(5)

The plane Π\Pi contains l1l_1 and the point with position vector −i−3j−4k-\mathbf{i}-3\mathbf{j}-4\mathbf{k}.

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

(4)
题目中文翻译

直线 l1l_1 和 l2l_2 的方程分别为

r= −2i−3j−5k+λ(−4i+3j+5k)r= 2i−2j+3k+μ(2i−3j+k).\begin{align*} \mathbf{r}=&\,-2\mathbf{i}-3\mathbf{j}-5\mathbf{k}+\lambda(-4\mathbf{i}+3\mathbf{j}+5\mathbf{k})\\ \mathbf{r}=&\,2\mathbf{i}-2\mathbf{j}+3\mathbf{k}+\mu(2\mathbf{i}-3\mathbf{j}+\mathbf{k}). \end{align*}

(a) 求 l1l_1 与 l2l_2 之间的最短距离。

(5)

平面 Π\Pi 包含 l1l_1,以及位置向量为 −i−3j−4k-\mathbf{i}-3\mathbf{j}-4\mathbf{k} 的点。

(b) 求 Π\Pi 的一个方程,答案写成 ax+by+cz=dax+by+cz=d 的形式。

(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

用两方向的叉积给共同垂直方向,连接任意两个已知点后投影到该方向。

答题过程

展开

Take A=(−2,−3,−5)A=(-2,-3,-5) on l1l_1 and B=(2,−2,3)B=(2,-2,3) on l2l_2. Then AB→=(4,1,8)\overrightarrow{AB}=(4,1,8).

The line directions are u=(−4,3,5)\mathbf u=(-4,3,5) and v=(2,−3,1)\mathbf v=(2,-3,1), with

u×v=(18,14,6)=2(9,7,3).\mathbf u\times\mathbf v=(18,14,6)=2(9,7,3).

Using common perpendicular direction w=(9,7,3)\mathbf w=(9,7,3), the shortest distance is

d= ∣(4,1,8)⋅(9,7,3)∣81+49+9= 67139.\begin{align*} d=&\,\frac{|(4,1,8)\cdot(9,7,3)|}{\sqrt{81+49+9}}\\[4mm] =&\,\boxed{\frac{67}{\sqrt{139}}}. \end{align*}

(b)

解法一

思路

展开

平面包含原直线方向和该线上一点指向额外点的方向,两向量叉积给法向量。

答题过程

展开

Let D=(−1,−3,−4)D=(-1,-3,-4). Since A=(−2,−3,−5)A=(-2,-3,-5) lies on l1l_1, AD→=(1,0,1)\overrightarrow{AD}=(1,0,1) lies in Π\Pi.

A normal is

(1,0,1)×(−4,3,5)= (−3,−9,3)= −3(1,3,−1).\begin{align*} (1,0,1)\times(-4,3,5)=&\,(-3,-9,3)\\[4mm] =&\,-3(1,3,-1). \end{align*}

Using normal (1,3,−1)(1,3,-1) and point DD, the plane is

x+3y−z=−1−9+4=−6.\boxed{x+3y-z=-1-9+4=-6}.