题目
Problem
The plane Π1 has vector equation
r=530+s301+t1−22
where s and t are scalar parameters.
(a) Determine a Cartesian equation for Π1
The plane Π2 has vector equation
r⋅5−23=1
(b) Determine a vector equation for the line of intersection of Π1 and Π2
Give your answer in the form r=a+λb, where a and b are constant vectors and λ is a scalar parameter.
The plane Π3 has Cartesian equation 4x−3y−z=0
(c) Use the answer to part (b) to determine the coordinates of the point of intersection of Π1, Π2 and Π3
(10)
题目中文翻译
平面 Π1 的向量方程为
r=530+s301+t1−22
其中 s 和 t 为标量参数。
(a) 求 Π1 的笛卡尔方程
平面 Π2 的向量方程为
r⋅5−23=1
(b) 求平面 Π1 与 Π2 的交线的向量方程。
答案写成 r=a+λb 的形式,其中 a 和 b 为常向量,λ 为标量参数。
平面 Π3 的笛卡尔方程为 4x−3y−z=0
(c) 利用 (b) 的答案求 Π1、Π2 和 Π3 的交点坐标。
解答
(a)
解法一:使用方向向量的叉积
思路
展开
平面的两个方向向量都与法向量垂直,因此先求它们的叉积。再把平面上的已知点代入点法式,便可得到笛卡尔方程。
答题过程
展开
The two direction vectors of Π1 are
d1=301,d2=1−22.
A normal vector to Π1 is therefore
n===d1×d2301×1−222−5−6.
Since (5,3,0) lies on Π1,
530⋅n==10−15−5.
Hence a Cartesian equation of Π1 is
2x−5y−6z=−5.
解法二:消去参数
思路
展开
把向量方程拆成三个坐标方程,先利用 y 和 z 分别表示 t 与 s,再代入 x 的方程,便可直接消去两个参数。
答题过程
展开
The vector equation gives
x=5+3s+t,y=3−2t,z=s+2t.
Thus
t=23−y,s=z−2t=y+z−3.
Substituting these expressions into the equation for x,
x==5+3(y+z−3)+23−y25y+3z−25.
Therefore,
2x−5y−6z=−5.
(b)
解法一:联立平面方程
思路
展开
交线上的点同时满足两个平面方程。联立后消去 z 和 x,把 x,z 都写成 y 的一次式;再令 y=12λ,可使方向向量的分量全部为整数。
答题过程
展开
The two plane equations are
2x−5y−6z=−5,5x−2y+3z=1.
Adding the first equation to twice the second equation gives
12x−9y=−3,
so
x=43y−1.
Also, subtracting twice the second equation from five times the first equation gives
−21y−36z=−27,
and hence
z=129−7y.
Let y=12λ. Then
x=−41+9λ,z=43−7λ.
Therefore, the line of intersection is
r=−41043+λ912−7.
解法二:求一点并叉乘法向量
思路
展开
先令 y=0,联立两个平面方程求出交线上的一点。交线方向同时垂直于两个平面的法向量,所以可由两个法向量的叉积得到。
答题过程
展开
Set y=0. A point on the line must then satisfy
2x−6z=−5,5x+3z=1.
Adding the first equation to twice the second equation gives
12x=−3,
so
x=−41,z=43.
Thus one point on the line is
−41043.
The normal vectors of Π1 and Π2 are
n1=2−5−6,n2=5−23.
Hence a direction vector of their line of intersection is obtained from
n1×n2==−27−3621−3912−7.
Therefore, an equivalent vector equation is
r=−41043+λ912−7.
(c)
解法一
思路
展开
按照题目要求使用 (b) 的交线:把交线的三个参数式代入 Π3,先求出 λ,再代回交线得到唯一的公共点。
答题过程
展开
Using the line obtained in part (b),
x=−41+9λ,y=12λ,z=43−7λ.
Substitute these expressions into 4x−3y−z=0:
4(−41+9λ)7λ−47=λ=−3(12λ)−(43−7λ)=0,0,41.
Therefore,
x=y=z=−41+9(41)=2,12(41)=3,43−7(41)=−1.
Hence the point of intersection of the three planes is
(2,3,−1).