题目
Problem
The plane Π1 has equation
r=42−1+λ75−6+μ−312
where λ and μ are scalar parameters.
(a) Determine
(7i+5j−6k)×(−3i+j+2k)
(b) Hence show that the equation of Π1 can be written in the form
r⋅(8i+2j+11k)=p
where p is a constant to be determined.
Given that
- the plane Π2 has equation x−y+z=7
- the planes Π1 and Π2 intersect in the line l1
(c) determine an equation for l1 giving your answer in the form (r−a)×b=0 where
a and b are constant vectors.
Given also that
- the point A has coordinates (2,1,3)
- the point B has coordinates (3,0,2)
- the line l2 passes through A and B
(d) determine the shortest distance between l1 and l2
(1)
(2)
(3)
(4)
题目中文翻译
r=42−1+λ75−6+μ−312
其中 λ 和 μ 为标量参数。
(a) 求
(7i+5j−6k)×(−3i+j+2k)
(b) 从而证明 Π1 的方程可写成
r⋅(8i+2j+11k)=p
其中 p 为待定常数。
已知
- 平面 Π2 的方程为 x−y+z=7
- 平面 Π1 与 Π2 的交线为 l1
(c) 求 l1 的方程,答案写成 (r−a)×b=0 的形式,其中
a 和 b 为常向量。
另外已知
- 点 A 的坐标为 (2,1,3)
- 点 B 的坐标为 (3,0,2)
- 直线 l2 经过 A 和 B
(d) 求直线 l1 和 l2 的最短距离。
解答
(a)
解法一
思路
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直接用行列式计算两个向量的叉积。结果是平面 Π1 的一个法向量;(b) 会把它约去公因数 2。
答题过程
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===(7i+5j−6k)×(−3i+j+2k)i7−3j51k−62(5(2)−(−6)(1))i−(7(2)−(−6)(−3))j+(7(1)−5(−3))k16i+4j+22k.
(b)
解法一
思路
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承接 (a),把叉积除以 2 得到题目指定的法向量 (8,2,11)。平面上已知基点是 (4,2,−1),将它与法向量作点积即可求常数 p。
答题过程
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From part (a), a normal vector to Π1 is
n=8211.
The point with position vector
r0=42−1
lies on Π1. Hence
p===r0⋅n4(8)+2(2)+(−1)(11)25.
Therefore,
r⋅(8i+2j+11k)=25.
(c)
解法一
思路
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两平面的交线同时垂直于两个法向量,所以其方向向量可由法向量的叉积求得。再令 x=0 联立两个平面方程,找出交线上的一点,最后写成题目要求的叉积形式。
答题过程
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The normal vectors of Π1 and Π2 are
n1=8211
and
n2=1−11.
A direction vector of their line of intersection is
n1×n2==i81j2−1k111133−10.
To find a point on the line, set x=0. The plane equations give
2y+11z=−y+z=25,7.
Solving gives z=3 and y=−4, so a point on l1 is (0,−4,3). Therefore,
(r−(−4j+3k))×(13i+3j−10k)=0.
解法二
思路
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官方评分资料也允许直接联立两个平面的笛卡尔方程。取 y=t,把 x,z 都表示成 t,便能同时读出交线上的基点与方向向量,再转换成指定的叉积形式。
答题过程
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The two plane equations are
8x+2y+11z=x−y+z=25,7.
Let y=t. From the second equation,
x=7+t−z.
Substituting into the first equation,
8(7+t−z)+2t+11z=3z=25,−31−10t.
Thus
z=3−31−10t
and
x=352+13t.
Hence
r=3520−331+t3131−310.
Multiplying the direction vector by 3, an equation in the required form is
(r−352i+331k)×(13i+3j−10k)=0.
(d)
解法一
思路
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先求 l2 的方向向量。两条异面直线的公垂线方向是两个方向向量的叉积;任取两条直线上的点,其连线向量在公垂线方向上的投影长度,就是最短距离。
答题过程
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A direction vector of l2 is
AB=1−1−1.
Let
d1=133−10
and
d2=1−1−1.
A vector perpendicular to both lines is
n==d1×d2−133−16.
Take P=(0,−4,3) on l1 and A=(2,1,3) on l2. Then
AP=−2−50.
The shortest distance is
d===∣n∣AP⋅n(−13)2+32+(−16)2∣(−2)(−13)+(−5)(3)+0(−16)∣43411.
解法二
思路
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官方替代路线取两条直线上的一般点 X,Y。最短连线 YX 必须同时垂直于两条直线的方向向量,由两个点积为零的条件解出参数,再求该连线的模。
答题过程
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Take general points
X=2+λ1−λ3−λon l2
and
Y=13μ−4+3μ3−10μon l1.
Then
YX=2+λ−13μ5−λ−3μ−λ+10μ.
At the shortest distance, YX is perpendicular to both direction vectors. Hence
YX⋅133−10=YX⋅1−1−1=0,0.
Expanding,
41+20λ−278μ=−3+3λ−20μ=0,0.
Solving these equations gives
λ=217827andμ=434183.
Therefore,
YX=434143−4343321788.
Its magnitude is
∣YX∣===43411432+(−33)2+17624341143443411.