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CalcGospel 國際數學圖譜
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CIE 9709 2025 November Paper 32 Q11

A Level / CIE / P3

CIE 9709 2025 Nov Paper 32 Paper · Question 11

题目

Problem

Relative to the origin OO, the position vectors of the points AA, BB and CC are

OA→= 4i−2j,OB→=2i+8j+4k,OC→= −2i+6k.\begin{align*} \overrightarrow{OA}=&\,4\mathbf{i}-2\mathbf{j},\quad \overrightarrow{OB}=2\mathbf{i}+8\mathbf{j}+4\mathbf{k},\\ \overrightarrow{OC}=&\,-2\mathbf{i}+6\mathbf{k}. \end{align*}

The midpoint of ABAB is MM, as shown in the diagram.

(a) Find the vectors MB→\overrightarrow{MB} and MC→\overrightarrow{MC}.

(2)

(b) Calculate the exact value of the cosine of angle CMBCMB.

(3)

(c) Hence or otherwise find the exact area of triangle ABCABC.

(4)
题目中文翻译

相对于原点 OO,点 AA、BB 和 CC 的位置向量为

OA→= 4i−2j,OB→=2i+8j+4k,OC→= −2i+6k.\begin{align*} \overrightarrow{OA}=&\,4\mathbf{i}-2\mathbf{j},\quad \overrightarrow{OB}=2\mathbf{i}+8\mathbf{j}+4\mathbf{k},\\ \overrightarrow{OC}=&\,-2\mathbf{i}+6\mathbf{k}. \end{align*}

如图所示,ABAB 的中点为 MM。

(a) 求向量 MB→\overrightarrow{MB} 和 MC→\overrightarrow{MC}。

(2)

(b) 计算角 CMBCMB 的余弦的精确值。

(3)

(c) 由此或使用其他方法,求三角形 ABCABC 的精确面积。

(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

先求中点的位置向量,再分别用终点减起点。

答题过程

展开

Since MM is the midpoint of ABAB,

OM→=12[(4,−2,0)+(2,8,4)]=(3,3,2).\overrightarrow{OM} =\frac12\big[(4,-2,0)+(2,8,4)\big]=(3,3,2).

Hence

MB→=(2,8,4)−(3,3,2)=(−1,5,2)\boxed{\overrightarrow{MB} =(2,8,4)-(3,3,2)=(-1,5,2)}

and

MC→=(−2,0,6)−(3,3,2)=(−5,−3,4).\boxed{\overrightarrow{MC} =(-2,0,6)-(3,3,2)=(-5,-3,4)}.

(b)

解法一

思路

展开

用从同一顶点出发的两个向量求点积。点积为负,夹角为钝角,余弦应保留负号。

答题过程

展开

Let θ=∠CMB\theta=\angle CMB. From (a),

MB→⋅MC→=(−1)(−5)+5(−3)+2(4)=−2.\overrightarrow{MB}\cdot\overrightarrow{MC} =(-1)(-5)+5(-3)+2(4)=-2.

Also,

MB= 1+25+4=30,MC= 25+9+16=50.\begin{align*} MB=&\,\sqrt{1+25+4}=\sqrt{30},\\[4mm] MC=&\,\sqrt{25+9+16}=\sqrt{50}. \end{align*}

Therefore

cos⁡θ=−23050=−1515.\boxed{\cos\theta =\frac{-2}{\sqrt{30}\sqrt{50}} =-\frac1{5\sqrt{15}}}.

解法二

思路

展开

也可先求三边长度,用余弦定理。角的对边是 BCBC,不要把中点处的夹角与顶点 BB 的角混淆。

答题过程

展开

The side lengths in triangle BMCBMC satisfy

MB2=30,MC2=50.MB^2=30,\qquad MC^2=50.

Also BC→=(−4,−8,2)\overrightarrow{BC}=(-4,-8,2), so BC2=16+64+4=84BC^2=16+64+4=84.

By the cosine rule,

cos⁡∠CMB=30+50−8423050=−1515.\boxed{\cos\angle CMB =\frac{30+50-84}{2\sqrt{30}\sqrt{50}} =-\frac1{5\sqrt{15}}}.

(c)

解法一

思路

展开

承接(b)求正弦,再求三角形 CMBCMB 面积。中点使两个小三角形等底同高,总面积为其两倍。

答题过程

展开

From (b), cos⁡2θ=1/375\cos^2\theta=1/375. Since θ\theta is an interior angle,

sin⁡θ=1−1375=374375.\sin\theta=\sqrt{1-\frac1{375}} =\sqrt{\frac{374}{375}}.

The triangles CMACMA and CMBCMB have equal bases MA=MBMA=MB on the same line and the same altitude. Hence

Area⁡(ABC)= 2Area⁡(CMB)= 2(12MB⋅MCsin⁡θ)= 3050374375= 2374.\begin{align*} \operatorname{Area}(ABC) =&\,2\operatorname{Area}(CMB)\\ =&\,2\bigg(\frac12MB\cdot MC\sin\theta\bigg)\\ =&\,\sqrt{30}\sqrt{50}\sqrt{\frac{374}{375}}\\ =&\,\boxed{2\sqrt{374}}. \end{align*}

解法二

思路

展开

直接用原三角形也可求面积,先由顶点 AA 的两条边求夹角,再用正弦面积公式。

答题过程

展开

The two sides from AA are

AB→=(−2,10,4),AC→=(−6,2,6).\overrightarrow{AB}=(-2,10,4),\qquad \overrightarrow{AC}=(-6,2,6).

Thus

AB2= 120,AC2=76,AB→⋅AC→= 12+20+24=56.\begin{align*} AB^2=&\,120,\qquad AC^2=76,\\[4mm] \overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} =&\,12+20+24=56. \end{align*}

Writing ϕ=∠BAC\phi=\angle BAC,

cos⁡ϕ=5612076.\cos\phi=\frac{56}{\sqrt{120}\sqrt{76}}.

Since 0<ϕ<π0<\phi<\pi,

sin⁡ϕ= 120(76)−56212076= 437412076.\begin{align*} \sin\phi =&\,\frac{\sqrt{120(76)-56^2}}{\sqrt{120}\sqrt{76}}\\[4mm] =&\,\frac{4\sqrt{374}}{\sqrt{120}\sqrt{76}}. \end{align*}

Therefore

Area⁡(ABC)= 1212076sin⁡ϕ= 2374.\begin{align*} \operatorname{Area}(ABC) =&\,\frac12\sqrt{120}\sqrt{76}\sin\phi\\[4mm] =&\,\boxed{2\sqrt{374}}. \end{align*}