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CalcGospel 國際數學圖譜
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CIE 9709 2022 June Paper 33 Q9

A Level / CIE / P3

CIE 9709 2022 June Paper 33 Paper · Question 9

题目

Problem

With respect to the origin OO, the point AA has position vector given by OA→=i+5j+6k\overrightarrow{OA}=\mathbf{i}+5\mathbf{j}+6\mathbf{k}. The line ll has vector equation

r=4i+k+λ(−i+2j+3k).\mathbf{r}=4\mathbf{i}+\mathbf{k}+\lambda(-\mathbf{i}+2\mathbf{j}+3\mathbf{k}).

(a) Find in degrees the acute angle between the directions of OAOA and ll.

(3)

(b) Find the position vector of the foot of the perpendicular from AA to ll.

(4)

(c) Hence find the position vector of the reflection of AA in ll.

(2)
题目中文翻译

相对于原点 OO,点 AA 的位置向量为 OA→=i+5j+6k\overrightarrow{OA}=\mathbf{i}+5\mathbf{j}+6\mathbf{k}。直线 ll 的向量方程为

r=4i+k+λ(−i+2j+3k).\mathbf{r}=4\mathbf{i}+\mathbf{k}+\lambda(-\mathbf{i}+2\mathbf{j}+3\mathbf{k}).

(a) 求 OAOA 与 ll 的方向之间的锐角,用度数表示。

(3)

(b) 求从 AA 到 ll 的垂足的位置向量。

(4)

(c) 由此求 AA 关于 ll 的对称点的位置向量。

(2)
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

使用位置向量 OA→\overrightarrow{OA} 与直线方向向量的点积,得到锐角。

答题过程

展开

A direction vector of ll is d=(−1,2,3)\mathbf d=(-1,2,3), while OA→=(1,5,6)\overrightarrow{OA}=(1,5,6).

Their scalar product is

OA→⋅d=−1+10+18=27.\overrightarrow{OA}\cdot\mathbf d=-1+10+18=27.

Their lengths are 62\sqrt{62} and 14\sqrt{14}. Hence

θ=cos⁡−1276214≈23.6∘.\theta=\cos^{-1}\frac{27}{\sqrt{62}\sqrt{14}} \approx\boxed{23.6^\circ}.

(b)

解法一

思路

展开

设垂足 PP 在直线上。用 AP→\overrightarrow{AP} 与直线方向向量垂直,求出参数后代回位置向量。

答题过程

展开

A general point on ll is P=(4−λ,2λ,1+3λ)P=(4-\lambda,2\lambda,1+3\lambda). Thus

AP→=(3−λ,2λ−5,3λ−5).\overrightarrow{AP}=(3-\lambda,2\lambda-5,3\lambda-5).

For the perpendicular foot,

AP→⋅(−1,2,3)=0.\overrightarrow{AP}\cdot(-1,2,3)=0.

Therefore

−(3−λ)+2(2λ−5)+3(3λ−5)=0,-(3-\lambda)+2(2\lambda-5)+3(3\lambda-5)=0,

so 14λ−28=014\lambda-28=0 and λ=2\lambda=2. Hence

OP→=2i+4j+7k.\boxed{\overrightarrow{OP}=2\mathbf i+4\mathbf j+7\mathbf k}.

解法二

思路

展开

也可把点到直线上任意点的距离平方配方,最小值对应的点就是垂足。

答题过程

展开

For P=(4−λ,2λ,1+3λ)P=(4-\lambda,2\lambda,1+3\lambda),

AP2= (3−λ)2+(2λ−5)2 +(3λ−5)2= 14λ2−56λ+59= 14(λ−2)2+3.\begin{align*} AP^2 =&\,(3-\lambda)^2+(2\lambda-5)^2\\[4mm] &\,\hspace{2pt}+(3\lambda-5)^2\\[4mm] =&\,14\lambda^2-56\lambda+59\\[4mm] =&\,14(\lambda-2)^2+3. \end{align*}

Equivalently, d(AP2)dλ=28λ−56\dfrac{\mathrm{d}(AP^2)}{\mathrm{d}\lambda}=28\lambda-56 and the second derivative is 28>028>0. The minimum occurs at λ=2\lambda=2, so the foot has position vector

OP→=2i+4j+7k.\boxed{\overrightarrow{OP}=2\mathbf i+4\mathbf j+7\mathbf k}.

(c)

解法一

思路

展开

垂足是点 AA 与反射点连线的中点,因此反射点位置向量等于垂足位置向量的两倍减去点 AA 的位置向量。

答题过程

展开

Let A′A' be the reflection of AA in ll. The perpendicular foot PP from part (b) is the midpoint of AA′AA'. Therefore

OA′→= 2OP→−OA→= 2(2,4,7)−(1,5,6)= 3i+3j+8k.\begin{align*} \overrightarrow{OA'} =&\,2\overrightarrow{OP}-\overrightarrow{OA}\\[4mm] =&\,2(2,4,7)-(1,5,6)\\[4mm] =&\,\boxed{3\mathbf i+3\mathbf j+8\mathbf k}. \end{align*}