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IAL 2024 Jan Q6

A Level / Edexcel / P4

IAL 2024 Jan Paper · Question 6

题目

Problem

Relative to a fixed origin OO, the lines l1l_1 and l2l_2 are given by the equations

l1: r=(3i+pj+7k)+λ(2i5j+4k)l_1:\ \mathbf{r}=(3\mathbf{i}+p\mathbf{j}+7\mathbf{k})+\lambda(2\mathbf{i}-5\mathbf{j}+4\mathbf{k}) l2: r=(8i2j+5k)+μ(4i+j+2k)l_2:\ \mathbf{r}=(8\mathbf{i}-2\mathbf{j}+5\mathbf{k})+\mu(4\mathbf{i}+\mathbf{j}+2\mathbf{k})

where λ\lambda and μ\mu are scalar parameters and pp is a constant.

Given that l1l_1 and l2l_2 intersect,

(a) find the value of pp,

(4)

(b) find the position vector of the point of intersection.

(2)

(c) Find the acute angle between l1l_1 and l2l_2.

Give your answer in degrees to one decimal place.

(3)

The point AA lies on l1l_1 with parameter λ=2\lambda=2.

The point BB lies on l2l_2, with AB\overrightarrow{AB} perpendicular to l2l_2.

(d) Find the coordinates of BB.

(5)
题目中文翻译

相对于固定原点 OO,直线 l1l_1l2l_2 的方程分别为

l1: r=(3i+pj+7k)+λ(2i5j+4k)l_1:\ \mathbf{r}=(3\mathbf{i}+p\mathbf{j}+7\mathbf{k})+\lambda(2\mathbf{i}-5\mathbf{j}+4\mathbf{k}) l2: r=(8i2j+5k)+μ(4i+j+2k)l_2:\ \mathbf{r}=(8\mathbf{i}-2\mathbf{j}+5\mathbf{k})+\mu(4\mathbf{i}+\mathbf{j}+2\mathbf{k})

其中 λ,μ\lambda,\mu 为标量参数,pp 为常数。

已知 l1l_1l2l_2 相交,

(a) 求 pp 的值;

(b) 求交点的位置向量;

(c) 求 l1l_1l2l_2 的锐角,答案用度数表示并保留到 1 位小数。

AAl1l_1 上,且对应参数 λ=2\lambda=2

BBl2l_2 上,并且 AB\overrightarrow{AB} 垂直于 l2l_2

(d) 求点 BB 的坐标。

解答

(a)

解法一

思路

展开

两条直线相交,表示存在同一个点同时满足两条参数方程。把 i,j,k\mathbf{i},\mathbf{j},\mathbf{k} 三个方向的分量分别相等,先用不含 pp 的两个方程求 λ,μ\lambda,\mu,再代回含 pp 的方程。

答题过程

展开

Since the two lines intersect,

(3i+pj+7k)+λ(2i5j+4k)=(8i2j+5k)+μ(4i+j+2k).(3\mathbf{i}+p\mathbf{j}+7\mathbf{k}) +\lambda(2\mathbf{i}-5\mathbf{j}+4\mathbf{k}) =(8\mathbf{i}-2\mathbf{j}+5\mathbf{k}) +\mu(4\mathbf{i}+\mathbf{j}+2\mathbf{k}).

Equating components gives

3+2λ=8+4μ,(1)p5λ=2+μ,(2)7+4λ=5+2μ.(3)\begin{align*} 3+2\lambda &= 8+4\mu, \qquad (1)\\ p-5\lambda &= -2+\mu, \qquad (2)\\ 7+4\lambda &= 5+2\mu. \qquad (3) \end{align*}

From (1),

λ=52+2μ.\lambda=\frac52+2\mu.

Substitute this into (3):

7+4(52+2μ)=5+2μ17+8μ=5+2μ6μ=12μ=2.\begin{align*} 7+4\left(\frac52+2\mu\right)&=5+2\mu\\ 17+8\mu&=5+2\mu\\ 6\mu&=-12\\ \mu&=-2. \end{align*}

Then

λ=52+2(2)=32.\lambda=\frac52+2(-2)=-\frac32.

Use (2):

p5(32)=2+(2)p+152=4p=232.\begin{align*} p-5\left(-\frac32\right)&=-2+(-2)\\ p+\frac{15}{2}&=-4\\ p&=-\frac{23}{2}. \end{align*}

Therefore

p=232.\boxed{p=-\frac{23}{2}}.

(b)

解法一

思路

展开

交点已经由 (a) 的参数值确定。把 μ=2\mu=-2 代入 l2l_2,或把 λ=32\lambda=-\frac32 代入 l1l_1,都会得到同一个位置向量。

答题过程

展开

Using μ=2\mu=-2 in l2l_2,

r=(8i2j+5k)2(4i+j+2k)=8i2j+5k8i2j4k=4j+k.\begin{align*} \mathbf{r} =&\, (8\mathbf{i}-2\mathbf{j}+5\mathbf{k}) -2(4\mathbf{i}+\mathbf{j}+2\mathbf{k})\\ =&\, 8\mathbf{i}-2\mathbf{j}+5\mathbf{k} -8\mathbf{i}-2\mathbf{j}-4\mathbf{k}\\ =&\, -4\mathbf{j}+\mathbf{k}. \end{align*}

Therefore the position vector of the point of intersection is

4j+k.\boxed{-4\mathbf{j}+\mathbf{k}}.

(c)

解法一

思路

展开

两条直线的夹角等于方向向量的夹角。用点积公式求 cosθ\cos\theta,最后取锐角即可。

答题过程

展开

The direction vectors are

a=2i5j+4k,b=4i+j+2k.\mathbf{a}=2\mathbf{i}-5\mathbf{j}+4\mathbf{k}, \qquad \mathbf{b}=4\mathbf{i}+\mathbf{j}+2\mathbf{k}.

Their scalar product is

ab=2(4)+(5)(1)+4(2)=85+8=11.\begin{align*} \mathbf{a}\cdot\mathbf{b} &=2(4)+(-5)(1)+4(2)\\ &=8-5+8\\ &=11. \end{align*}

Also,

a=22+(5)2+42=45=35,|\mathbf{a}|=\sqrt{2^2+(-5)^2+4^2}=\sqrt{45}=3\sqrt5,

and

b=42+12+22=21.|\mathbf{b}|=\sqrt{4^2+1^2+2^2}=\sqrt{21}.

Therefore

cosθ=11(35)(21)=113105.\cos\theta=\frac{11}{(3\sqrt5)(\sqrt{21})} =\frac{11}{3\sqrt{105}}.

So

θ=cos1(113105)=68.965.\theta=\cos^{-1}\left(\frac{11}{3\sqrt{105}}\right)=68.965\ldots^\circ.

The acute angle is

69.0.\boxed{69.0^\circ}.

(d)

解法一

思路

展开

先由 λ=2\lambda=2 找出 AA。然后把 BB 写成 l2l_2 上的一般点。因为 AB\overrightarrow{AB} 垂直于 l2l_2,所以 AB\overrightarrow{AB}l2l_2 的方向向量点积为 00,由此求出 BB 对应的参数 μ\mu

答题过程

展开

When λ=2\lambda=2,

OA=(3i+pj+7k)+2(2i5j+4k)=3i232j+7k+4i10j+8k=7i432j+15k.\begin{align*} \overrightarrow{OA} =&\, (3\mathbf{i}+p\mathbf{j}+7\mathbf{k}) +2(2\mathbf{i}-5\mathbf{j}+4\mathbf{k})\\ =&\, 3\mathbf{i}-\frac{23}{2}\mathbf{j}+7\mathbf{k} +4\mathbf{i}-10\mathbf{j}+8\mathbf{k}\\ =&\, 7\mathbf{i}-\frac{43}{2}\mathbf{j}+15\mathbf{k}. \end{align*}

A general point BB on l2l_2 has position vector

OB=(8+4μ)i+(2+μ)j+(5+2μ)k.\overrightarrow{OB} =(8+4\mu)\mathbf{i}+(-2+\mu)\mathbf{j}+(5+2\mu)\mathbf{k}.

Thus

AB=OBOA=(1+4μ)i+(392+μ)j+(10+2μ)k.\begin{align*} \overrightarrow{AB} =&\, \overrightarrow{OB}-\overrightarrow{OA}\\ =&\, (1+4\mu)\mathbf{i} +\left(\frac{39}{2}+\mu\right)\mathbf{j} +(-10+2\mu)\mathbf{k}. \end{align*}

Since AB\overrightarrow{AB} is perpendicular to l2l_2,

AB(4i+j+2k)=0.\overrightarrow{AB}\cdot(4\mathbf{i}+\mathbf{j}+2\mathbf{k})=0.

Hence

4(1+4μ)+(392+μ)+2(10+2μ)=04+16μ+392+μ20+4μ=021μ+72=0μ=16.\begin{align*} 4(1+4\mu)+\left(\frac{39}{2}+\mu\right)+2(-10+2\mu)&=0\\ 4+16\mu+\frac{39}{2}+\mu-20+4\mu&=0\\ 21\mu+\frac72&=0\\ \mu&=-\frac16. \end{align*}

Substitute μ=16\mu=-\frac16 into l2l_2:

OB=(8i2j+5k)16(4i+j+2k)=223i136j+143k.\begin{align*} \overrightarrow{OB} =&\, (8\mathbf{i}-2\mathbf{j}+5\mathbf{k}) -\frac16(4\mathbf{i}+\mathbf{j}+2\mathbf{k})\\ =&\, \frac{22}{3}\mathbf{i} -\frac{13}{6}\mathbf{j} +\frac{14}{3}\mathbf{k}. \end{align*}

Therefore

B(223,136,143).\boxed{B\left(\frac{22}{3},-\frac{13}{6},\frac{14}{3}\right)}.

解法二

思路

展开

也可以用几何方法。令 XX 为两直线交点,则三角形 AXBAXBBB 处为直角;已知两条直线的夹角,所以可以用右三角关系求出 BBl2l_2 上的位置。这个方法计算量更大,但能体现垂足的几何意义。

答题过程

展开

From part (b), the intersection point is

X=(0,4,1).X=(0,-4,1).

Also

A=(7,432,15).A=\left(7,-\frac{43}{2},15\right).

So

XA=(7,352,14).\overrightarrow{XA} =\left(7,-\frac{35}{2},14\right).

A general point BB on l2l_2 is

B=(8+4μ,2+μ,5+2μ),B=(8+4\mu,-2+\mu,5+2\mu),

so

XB=(8+4μ,2+μ,4+2μ).\overrightarrow{XB} =(8+4\mu,2+\mu,4+2\mu).

Since the angle between the two lines is θ\theta and the triangle is right-angled at BB,

XB=XAcosθ.XB=XA\cos\theta.

Using

cos2θ=(113105)2=121945,\cos^2\theta=\left(\frac{11}{3\sqrt{105}}\right)^2=\frac{121}{945},

we get

(8+4μ)2+(2+μ)2+(4+2μ)2=(72+(352)2+142)×121945.\begin{align*} (8+4\mu)^2+(2+\mu)^2+(4+2\mu)^2 =&\, \left(7^2+\left(-\frac{35}{2}\right)^2+14^2\right) \times\frac{121}{945}. \end{align*}

This simplifies to

36μ2+144μ+23=0.36\mu^2+144\mu+23=0.

Solving,

μ=16orμ=236.\mu=-\frac16 \quad\text{or}\quad \mu=-\frac{23}{6}.

At the intersection point XX, the parameter on l2l_2 is μ=2\mu=-2. The acute angle with XA\overrightarrow{XA} is in the positive direction along l2l_2, so we choose the root with μ>2\mu>-2:

μ=16.\mu=-\frac16.

Substituting into l2l_2 gives

B(223,136,143).\boxed{B\left(\frac{22}{3},-\frac{13}{6},\frac{14}{3}\right)}.