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CalcGospel 國際數學圖譜
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M1 2021 Jan Q6

A Level / Edexcel / M1

IAL 2021 Jan Paper · Question 6

题目

Problem

6.

Two girls, Agatha and Brionie, are roller skating inside a large empty building. The girls are modelled as particles.

At time t=0t=0, Agatha is at the point with position vector (11i+11j) m(11\mathbf{i}+11\mathbf{j})\,\mathrm{m} and Brionie is at the point with position vector (7i+16j) m(7\mathbf{i}+16\mathbf{j})\,\mathrm{m}. The position vectors are given relative to the door, OO, and i\mathbf{i} and j\mathbf{j} are horizontal perpendicular unit vectors.

Agatha skates with constant velocity (3i−j) m s−1(3\mathbf{i}-\mathbf{j})\,\mathrm{m\,s^{-1}}.

Brionie skates with constant velocity (4i−2j) m s−1(4\mathbf{i}-2\mathbf{j})\,\mathrm{m\,s^{-1}}.

(a) Find the position vector of Agatha at time tt seconds.

(2)

At time t=6t=6 seconds, Agatha passes through the point PP.

(b) Show that Brionie also passes through PP and find the value of tt when this occurs.

(4)

At time tt seconds, Agatha is at the point AA and Brionie is at the point BB.

(c) Show that AB→=[(t−4)i+(5−t)j] m\overrightarrow{AB}=\big[(t-4)\mathbf{i}+(5-t)\mathbf{j}\big]\,\mathrm{m}.

(2)

(d) Find the distance between the two girls when they are closest together.

(4)
题目中文翻译

两个女孩 Agatha 和 Brionie 在一座宽敞的空建筑内滑旱冰。将两人视为质点。

在 t=0t=0 时,Agatha 的位置向量为 (11i+11j) m(11\mathbf{i}+11\mathbf{j})\,\mathrm{m},Brionie 的位置向量为 (7i+16j) m(7\mathbf{i}+16\mathbf{j})\,\mathrm{m}。位置向量均相对于门口 OO 给出,i\mathbf{i} 和 j\mathbf{j} 是水平且互相垂直的单位向量。

Agatha 以恒定速度 (3i−j) m s−1(3\mathbf{i}-\mathbf{j})\,\mathrm{m\,s^{-1}} 滑行。

Brionie 以恒定速度 (4i−2j) m s−1(4\mathbf{i}-2\mathbf{j})\,\mathrm{m\,s^{-1}} 滑行。

(a) 求 tt 秒时 Agatha 的位置向量。

(2)

在 t=6t=6 秒时,Agatha 经过 PP 点。

(b) 证明 Brionie 也经过 PP 点,并求此时 tt 的值。

(4)

在 tt 秒时,Agatha 位于 AA 点,Brionie 位于 BB 点。

(c) 证明 AB→=[(t−4)i+(5−t)j] m\overrightarrow{AB}=\big[(t-4)\mathbf{i}+(5-t)\mathbf{j}\big]\,\mathrm{m}。

(2)

(d) 求两人距离最近时的间距。

(4)

解答

(a)

解法一

思路

展开

恒速运动的位置向量等于初始位置向量加上速度向量乘时间。

答题过程

展开

Using r=r0+tv\mathbf{r}=\mathbf{r}_0+t\mathbf{v},

rA=(11i+11j)+t(3i−j)m.\boxed{\mathbf{r}_A=(11\mathbf{i}+11\mathbf{j})+t(3\mathbf{i}-\mathbf{j})}\quad\mathrm{m}.

(b)

解法一

思路

展开

先算固定点 PP 的位置,再检查 Brionie 的两个坐标是否在同一时刻都等于该点坐标。经过同一点不代表两人在同一时刻相遇。

答题过程

展开

At t=6t=6, Agatha is at PP, where

rP=(11+18)i+(11−6)j=29i+5j.\mathbf{r}_P=(11+18)\mathbf{i}+(11-6)\mathbf{j} =29\mathbf{i}+5\mathbf{j}.

Brionie’s position at time tt is

rB=(7+4t)i+(16−2t)j.\mathbf{r}_B=(7+4t)\mathbf{i}+(16-2t)\mathbf{j}.

To pass through PP, both component equations must hold:

7+4t=29⟹t=5.5,7+4t=29\quad\Longrightarrow\quad t=5.5, 16−2t=5⟹t=5.5.16-2t=5\quad\Longrightarrow\quad t=5.5.

Both give the same time, so Brionie also passes through PP, at t=5.5 s\boxed{t=5.5\,\mathrm{s}}.

(c)

解法一

思路

展开

从 AA 指向 BB 的向量等于 BB 的位置减 AA 的位置。先写完整相减,再逐项合并,不能由目标式倒推。

答题过程

展开 AB→= [(7+4t)i+(16−2t)j] −[(11+3t)i+(11−t)j]= (7+4t−11−3t)i +(16−2t−11+t)j= (t−4)i+(5−t)jm.\begin{align*} \overrightarrow{AB}=&\,\big[(7+4t)\mathbf{i}+(16-2t)\mathbf{j}\big]\\[4mm] &\,-\big[(11+3t)\mathbf{i}+(11-t)\mathbf{j}\big]\\[4mm] =&\,(7+4t-11-3t)\mathbf{i}\\[4mm] &\,+(16-2t-11+t)\mathbf{j}\\[4mm] =&\,\boxed{(t-4)\mathbf{i}+(5-t)\mathbf{j}}\quad\mathrm{m}. \end{align*}

(d)

解法一

思路

展开

距离为非负数,所以最小化距离平方即可。将二次式配方,平方项的最小值为零,并检查对应时间在允许范围内。

答题过程

展开

From (c), let the separation be DD. Then

D2= (t−4)2+(5−t)2= 2t2−18t+41= 2(t−4.5)2+0.5.\begin{align*} D^2=&\,(t-4)^2+(5-t)^2\\[4mm] =&\,2t^2-18t+41\\[4mm] =&\,2(t-4.5)^2+0.5. \end{align*}

The square is non-negative, and it vanishes at t=4.5≥0t=4.5\geq0. Hence

Dmin⁡=0.5 m=12 m≈0.707 m.\boxed{D_{\min}=\sqrt{0.5}\,\mathrm{m} =\frac1{\sqrt2}\,\mathrm{m}\approx0.707\,\mathrm{m}}.

解法二

思路

展开

也可以对距离平方求导。正的二阶导数保证这个驻点是最小值,而不只是求出一个时间。

答题过程

展开

From (c),

D2=(t−4)2+(5−t)2=2t2−18t+41.D^2=(t-4)^2+(5-t)^2=2t^2-18t+41.

Thus

d(D2)dt=4t−18=0⟹t=4.5.\frac{\mathrm{d}(D^2)}{\mathrm{d}t}=4t-18=0 \quad\Longrightarrow\quad t=4.5.

Since d2(D2)/dt2=4>0\mathrm{d}^2(D^2)/\mathrm{d}t^2=4>0, this gives a minimum. Substitution yields

Dmin⁡2=(0.5)2+(0.5)2=0.5,Dmin⁡=12 m.D_{\min}^2=(0.5)^2+(0.5)^2=0.5, \qquad \boxed{D_{\min}=\frac1{\sqrt2}\,\mathrm{m}}.

解法三

思路

展开

把距离看作参数,时间方程须有实根。判别式非负给出可达到的距离下界,再检查下界确实对应一个非负时间。

答题过程

展开

For a separation D≥0D\geq0 to occur, the equation

2t2−18t+(41−D2)=02t^2-18t+(41-D^2)=0

must have a real solution. Its discriminant satisfies

(−18)2−4(2)(41−D2)≥0.(-18)^2-4(2)(41-D^2)\geq0.

Hence

324−328+8D2≥0,D2≥12.324-328+8D^2\geq0, \qquad D^2\geq\frac12.

At equality the repeated root is t=18/4=4.5≥0t=18/4=4.5\geq0, so this lower bound is attained. Therefore Dmin⁡=1/2 m\boxed{D_{\min}=1/\sqrt2\,\mathrm{m}}.