题目
Problem
With respect to a fixed origin O,
- the line l has equation
r=42−3+λ−4−35
where λ is a scalar constant
- the point A has position vector 9i−3j+2k
Given that X is the point on l nearest to A,
(a) find
(i) the coordinates of X
(ii) the shortest distance from A to l.
Give your answer in the form d, where d is an integer.
(7)
The point B is the image of A after reflection in l.
(b) Find the position vector of B.
(2)
题目中文翻译
相对于固定原点 O,
r=42−3+λ−4−35
其中 λ 为标量常数;
- 点 A 的位置向量为 9i−3j+2k。
已知 X 是直线 l 上距离点 A 最近的点,
(a) 求
(i) 点 X 的坐标;
(ii) 点 A 到直线 l 的最短距离。
将答案写成 d 的形式,其中 d 为整数。
(7)
点 B 是点 A 关于直线 l 的对称点。
(b) 求点 B 的位置向量。
(2)
解答
(a)
解法一
思路
展开
最近点 X 在直线 l 上,而且 AX 垂直于直线的方向向量。先用参数 λ 写出 X 和 AX,再令点积为零求出 λ。得到 X 后,用 AX 的模求最短距离。
答题过程
展开
A general point X on l has position vector
OX=4−4λ2−3λ−3+5λ.
Since A=(9,−3,2),
AX=−5−4λ5−3λ−5+5λ.
At the nearest point, AX is perpendicular to the direction vector of l. Therefore,
−5−4λ5−3λ−5+5λ⋅−4−35=0.
Hence,
(−5−4λ)(−4)+(5−3λ)(−3)+(−5+5λ)(5)=0,20+16λ−15+9λ−25+25λ=0,50λ−20=0.
Thus,
λ=52.
For part (i),
=X=(4−4(52),2−3(52),−3+5(52))(512,54,−1).
For part (ii),
AX=−533519−3.
Therefore, the shortest distance is
==AX=(−533)2+(519)2+(−3)2251089+361+22567.
解法二
思路
展开
直接把 AX2 写成 λ 的二次函数。距离最小时,距离平方也最小,因此令 dλd(AX2)=0,求出最近点所对应的参数。
答题过程
展开
For a general point X on l,
AX2=(−5−4λ)2+(5−3λ)2+(−5+5λ)2.
At the minimum distance,
dλd(AX2)=0.
Therefore,
−8(−5−4λ)−6(5−3λ)+10(−5+5λ)=0,40+32λ−30+18λ−50+50λ=0.
Hence,
100λ−40=λ=052.
Thus, for part (i),
X=(512,54,−1).
For part (ii), substituting λ=52 into the expression for AX2 gives
=AX2=(−5−4(52))2+(5−3(52))2+(−5+5(52))267.
Therefore,
AX=67.
也可以用配方求距离平方的最小值,不必求导。
Completing the square gives
AX2==50λ2−40λ+7550(λ−52)2+67.
The square is at least zero, so the minimum is AX2=67 at λ=52. This gives the same point X and shortest distance 67.
解法三
思路
展开
取直线上参数为零的点 C=(4,2,−3)。把 CA 投影到直线的方向上,得到 CX;再由 CX 与方向向量长度的比值求出 λ。直角三角形 ACX 中可用勾股定理求 AX。
答题过程
展开
Let C=(4,2,−3) and let the direction vector of l be v=(−4,−3,5). Then
CA=(5,−5,5).
The scalar product and the length of v are
===CA⋅v5(−4)+(−5)(−3)+5(5)20,∣v∣=16+9+2550.
Since AX is perpendicular to CX, the projection of CA onto the direction of l gives
CX=5020=22.
Hence,
λ=∣v∣CX=5022=52.
Substituting into the line equation gives
X=(512,54,−1).
Also CA2=52+(−5)2+52=75, so Pythagoras gives
AX===CA2−CX275−867.
(b)
解法一
思路
展开
点 B 是 A 关于直线 l 的对称点,因此垂足 X 是线段 AB 的中点。使用 OB=2OX−OA 即可求出 B 的位置向量。
答题过程
展开
Since X is the midpoint of AB,
OB=2OX−OA.
Therefore,
OB==251254−1−9−32−521523−4.
Hence the position vector of B is
OB=−521i+523j−4k.