第 1 题 计算点 P = ( 1 , − 2 , 3 ) P = (1, -2, 3) P = ( 1 , − 2 , 3 ) 与点 Q = ( 3 , 1 , 9 ) Q = (3, 1, 9) Q = ( 3 , 1 , 9 ) 之间的距离。
正确答案: 7 7 7
坐标之差为
2 2 2 、
3 3 3 和
6 6 6 ,距离为
4 + 9 + 36 = 49 = 7 \sqrt{4 + 9 + 36} = \sqrt{49} = 7 4 + 9 + 36 = 49 = 7 。得到
11 11 11 ,是把各个差直接相加,既没有平方,也没有开方。
复习: 空间向量与数量积
第 2 题 向量 u ⃗ = ( 1 , 1 , 0 ) \vec{u} = \left( 1, 1, 0 \right) u = ( 1 , 1 , 0 ) 与 v ⃗ = ( 1 , 0 , 1 ) \vec{v} = \left( 1, 0, 1 \right) v = ( 1 , 0 , 1 ) 的夹角是多少?
数量积为
1 ⋅ 1 + 1 ⋅ 0 + 0 ⋅ 1 = 1 1 \cdot 1 + 1 \cdot 0 + 0 \cdot 1 = 1 1 ⋅ 1 + 1 ⋅ 0 + 0 ⋅ 1 = 1 ,每个向量的模为
2 \sqrt{2} 2 ;夹角的余弦为
1 2 2 = 1 2 \frac{1}{\sqrt{2} \sqrt{2}} = \frac{1}{2} 2 2 1 = 2 1 ,对应的角是
π 3 \frac{\pi}{3} 3 π 。
复习: 空间向量与数量积
第 3 题 计算 ( 1 , 2 , 0 ) × ( 0 , 1 , 3 ) \left( 1, 2, 0 \right) \times \left( 0, 1, 3 \right) ( 1 , 2 , 0 ) × ( 0 , 1 , 3 ) 。
( 6 , 3 , 1 ) \left( 6, 3, 1 \right) ( 6 , 3 , 1 ) 按第一行展开形式行列式时,漏掉了第二项的负号:第二个分量是
− ( 1 ⋅ 3 − 0 ⋅ 0 ) = − 3 -\left( 1 \cdot 3 - 0 \cdot 0 \right) = -3 − ( 1 ⋅ 3 − 0 ⋅ 0 ) = − 3 。向量
( 6 , 3 , 1 ) \left( 6, 3, 1 \right) ( 6 , 3 , 1 ) 与
( 1 , 2 , 0 ) \left( 1, 2, 0 \right) ( 1 , 2 , 0 ) 不垂直。
( − 6 , 3 , − 1 ) \left( -6, 3, -1 \right) ( − 6 , 3 , − 1 ) 这是按相反顺序的乘积,即
( 0 , 1 , 3 ) × ( 1 , 2 , 0 ) \left( 0, 1, 3 \right) \times \left( 1, 2, 0 \right) ( 0 , 1 , 3 ) × ( 1 , 2 , 0 ) 。向量积是反交换的:交换因子的顺序,符号就改变。
各分量为
2 ⋅ 3 − 0 ⋅ 1 = 6 2 \cdot 3 - 0 \cdot 1 = 6 2 ⋅ 3 − 0 ⋅ 1 = 6 、
0 ⋅ 0 − 1 ⋅ 3 = − 3 0 \cdot 0 - 1 \cdot 3 = -3 0 ⋅ 0 − 1 ⋅ 3 = − 3 和
1 ⋅ 1 − 2 ⋅ 0 = 1 1 \cdot 1 - 2 \cdot 0 = 1 1 ⋅ 1 − 2 ⋅ 0 = 1 ;结果与两个因子都垂直,这可以用数量积来验证。
复习: 向量积与混合积
第 4 题 计算顶点为 O = ( 0 , 0 , 0 ) O = (0, 0, 0) O = ( 0 , 0 , 0 ) 、A = ( 1 , 2 , 0 ) A = (1, 2, 0) A = ( 1 , 2 , 0 ) 、B = ( 0 , 1 , 3 ) B = (0, 1, 3) B = ( 0 , 1 , 3 ) 和 C = ( 2 , 0 , 1 ) C = (2, 0, 1) C = ( 2 , 0 , 1 ) 的四面体的体积。
正确答案: 13 6 \frac{13}{6} 6 13
O A ⃗ \vec{OA} O A 、
O B ⃗ \vec{OB} O B 与
O C ⃗ \vec{OC} O C 的混合积是以
( 1 , 2 , 0 ) \left( 1, 2, 0 \right) ( 1 , 2 , 0 ) 、
( 0 , 1 , 3 ) \left( 0, 1, 3 \right) ( 0 , 1 , 3 ) 与
( 2 , 0 , 1 ) \left( 2, 0, 1 \right) ( 2 , 0 , 1 ) 为行的行列式,其值为
1 ⋅ 1 − 2 ⋅ ( 0 − 6 ) = 13 1 \cdot 1 - 2 \cdot \left( 0 - 6 \right) = 13 1 ⋅ 1 − 2 ⋅ ( 0 − 6 ) = 13 ;这是平行六面体的体积,四面体的体积是它的六分之一,即
13 6 \frac{13}{6} 6 13 。得到
13 13 13 ,是算成了平行六面体;得到
13 2 \frac{13}{2} 2 13 ,是像三角形面积那样取了一半。
复习: 向量积与混合积
第 5 题 过 A = ( 1 , 0 , 0 ) A = (1, 0, 0) A = ( 1 , 0 , 0 ) 、B = ( 0 , 2 , 0 ) B = (0, 2, 0) B = ( 0 , 2 , 0 ) 和 C = ( 0 , 0 , 2 ) C = (0, 0, 2) C = ( 0 , 0 , 2 ) 的平面的方程是什么?
x + 2 y + 2 z = 1 x + 2y + 2z = 1 x + 2 y + 2 z = 1 这是把平面与坐标轴的交点当成了系数。与坐标轴交于
a a a 、
b b b 和
c c c 的平面的方程是
x a + y b + z c = 1 \frac{x}{a} + \frac{y}{b} + \frac{z}{c} = 1 a x + b y + c z = 1 ;这里是
x + y 2 + z 2 = 1 x + \frac{y}{2} + \frac{z}{2} = 1 x + 2 y + 2 z = 1 ,它等价于
2 x + y + z = 2 2x + y + z = 2 2 x + y + z = 2 。点
B B B 不满足
x + 2 y + 2 z = 1 x + 2y + 2z = 1 x + 2 y + 2 z = 1 。
( x , y , z ) = ( 1 , 0 , 0 ) + t ( − 1 , 2 , 0 ) \left( x, y, z \right) = \left( 1, 0, 0 \right) + t \left( -1, 2, 0 \right) ( x , y , z ) = ( 1 , 0 , 0 ) + t ( − 1 , 2 , 0 ) 这是过
A A A 和
B B B 的直线。一个平面需要两个不平行的方向向量,或者一个法向量。
一个法向量是
A B ⃗ × A C ⃗ = ( − 1 , 2 , 0 ) × ( − 1 , 0 , 2 ) = ( 4 , 2 , 2 ) \vec{AB} \times \vec{AC} = \left( -1, 2, 0 \right) \times \left( -1, 0, 2 \right) = \left( 4, 2, 2 \right) A B × A C = ( − 1 , 2 , 0 ) × ( − 1 , 0 , 2 ) = ( 4 , 2 , 2 ) ,与
( 2 , 1 , 1 ) \left( 2, 1, 1 \right) ( 2 , 1 , 1 ) 成比例;常数项由代入
A A A 得出:
2 ⋅ 1 + 0 + 0 = 2 2 \cdot 1 + 0 + 0 = 2 2 ⋅ 1 + 0 + 0 = 2 。三个点都满足这个方程。
复习: 空间中的直线与平面
第 6 题 直线 ( 1 , 0 , 0 ) + t ( 1 , 1 , 0 ) \left( 1, 0, 0 \right) + t \left( 1, 1, 0 \right) ( 1 , 0 , 0 ) + t ( 1 , 1 , 0 ) 与 ( 0 , 1 , 1 ) + s ( 1 , − 1 , 0 ) \left( 0, 1, 1 \right) + s \left( 1, -1, 0 \right) ( 0 , 1 , 1 ) + s ( 1 , − 1 , 0 ) 的位置关系是什么?
异面。
平行。 在平面上,两条没有公共点的直线是平行的;在空间中则不然,因为它们可能异面。方向向量
( 1 , 1 , 0 ) \left( 1, 1, 0 \right) ( 1 , 1 , 0 ) 与
( 1 , − 1 , 0 ) \left( 1, -1, 0 \right) ( 1 , − 1 , 0 ) 不成比例。
它们的方向向量不平行,而方程组
1 + t = s 1 + t = s 1 + t = s ,
t = 1 − s t = 1 - s t = 1 − s ,
0 = 1 0 = 1 0 = 1 无解;两条不平行且没有公共点的直线是异面直线。
( − 1 , 1 , 1 ) \left( -1, 1, 1 \right) ( − 1 , 1 , 1 ) 、
( 1 , 1 , 0 ) \left( 1, 1, 0 \right) ( 1 , 1 , 0 ) 与
( 1 , − 1 , 0 ) \left( 1, -1, 0 \right) ( 1 , − 1 , 0 ) 的混合积等于
− 2 -2 − 2 ,不为零,这就证实了它们不在同一个平面内。
复习: 空间中的直线与平面
第 7 题 计算点 P = ( 1 , 2 , 3 ) P = (1, 2, 3) P = ( 1 , 2 , 3 ) 到平面 2 x − y + 2 z = 1 2x - y + 2z = 1 2 x − y + 2 z = 1 的距离。
正确答案: 5 3 \frac{5}{3} 3 5
由点到平面的距离公式,
∣ 2 ⋅ 1 − 2 + 2 ⋅ 3 − 1 ∣ 4 + 1 + 4 = 5 3 \frac{\abs{2 \cdot 1 - 2 + 2 \cdot 3 - 1}}{\sqrt{4 + 1 + 4}} = \frac{5}{3} 4 + 1 + 4 ∣ 2 ⋅ 1 − 2 + 2 ⋅ 3 − 1 ∣ = 3 5 。得到
5 5 5 ,是忘了除以法向量的模;得到
7 3 \frac{7}{3} 3 7 ,是把常数项加上而不是减去。
复习: 空间中的距离、角与体积
第 8 题 方向向量为 ( 1 , 0 , 1 ) \left( 1, 0, 1 \right) ( 1 , 0 , 1 ) 的直线与平面 x + y = 0 x + y = 0 x + y = 0 所成的角是多少?
0 0 0 如果直线的方向向量与法向量垂直,直线就与平面平行;但
( 1 , 0 , 1 ) \left( 1, 0, 1 \right) ( 1 , 0 , 1 ) 与
( 1 , 1 , 0 ) \left( 1, 1, 0 \right) ( 1 , 1 , 0 ) 的数量积等于
1 1 1 ,而不是
0 0 0 。
方向向量与法向量
( 1 , 1 , 0 ) \left( 1, 1, 0 \right) ( 1 , 1 , 0 ) 所成角的余弦为
1 2 \frac{1}{2} 2 1 ,即这个角为
π 3 \frac{\pi}{3} 3 π ;直线与平面所成的角是它的余角,即
π 2 − π 3 = π 6 \frac{\pi}{2} - \frac{\pi}{3} = \frac{\pi}{6} 2 π − 3 π = 6 π 。
复习: 空间中的距离、角与体积
第 9 题 一架无人机从公园中的点 O = ( 0 , 0 , 0 ) O = (0, 0, 0) O = ( 0 , 0 , 0 ) 起飞,沿向量 ( 2 , 2 , 1 ) \left( 2, 2, 1 \right) ( 2 , 2 , 1 ) 的方向直线上升,距离以米为单位。地面上的点 P = ( 12 , 6 , 0 ) P = (12, 6, 0) P = ( 12 , 6 , 0 ) 处坐着一个人。无人机飞过时离这个人的最小距离是多少米?
正确答案: 6 6 6
轨迹是直线
O + t v ⃗ O + t \vec{v} O + t v ,其中
v ⃗ = ( 2 , 2 , 1 ) \vec{v} = \left( 2, 2, 1 \right) v = ( 2 , 2 , 1 ) 的模为
3 3 3 ,最小距离就是
P P P 到这条直线的距离:
∥ O P ⃗ × v ⃗ ∥ ∥ v ⃗ ∥ = ∥ ( 6 , − 12 , 12 ) ∥ 3 = 18 3 = 6 \frac{\norma{\vec{OP} \times \vec{v}}}{\norma{\vec{v}}} = \frac{\norma{\left( 6, -12, 12 \right)}}{3} = \frac{18}{3} = 6 ∥ v ∥ ∥ O P × v ∥ = 3 ∥ ( 6 , − 12 , 12 ) ∥ = 3 18 = 6 。它在垂足即点
( 8 , 8 , 4 ) (8, 8, 4) ( 8 , 8 , 4 ) 处取得,因为
( 4 , − 2 , − 4 ) \left( 4, -2, -4 \right) ( 4 , − 2 , − 4 ) 与
v ⃗ \vec{v} v 垂直。得到
12 12 12 ,是算了投影
O P ⃗ ⋅ v ⃗ ∥ v ⃗ ∥ \frac{\vec{OP} \cdot \vec{v}}{\norma{\vec{v}}} ∥ v ∥ O P ⋅ v ,它度量的是无人机到达该垂足时前进了多远,而不是距离;得到
6 5 6\sqrt{5} 6 5 ,是量了到起飞点的距离。
复习: 空间中的距离、角与体积
第 10 题 来自前面的单元 计算以 ( 1 , 2 , 0 ) \left( 1, 2, 0 \right) ( 1 , 2 , 0 ) 、( 3 , 1 , 2 ) \left( 3, 1, 2 \right) ( 3 , 1 , 2 ) 和 ( 0 , 1 , 1 ) \left( 0, 1, 1 \right) ( 0 , 1 , 1 ) 为行的矩阵的行列式。
正确答案: − 7 -7 − 7
按第一行展开,
1 ⋅ ( 1 ⋅ 1 − 2 ⋅ 1 ) − 2 ⋅ ( 3 ⋅ 1 − 2 ⋅ 0 ) + 0 = − 1 − 6 = − 7 1 \cdot \left( 1 \cdot 1 - 2 \cdot 1 \right) - 2 \cdot \left( 3 \cdot 1 - 2 \cdot 0 \right) + 0 = -1 - 6 = -7 1 ⋅ ( 1 ⋅ 1 − 2 ⋅ 1 ) − 2 ⋅ ( 3 ⋅ 1 − 2 ⋅ 0 ) + 0 = − 1 − 6 = − 7 。得到
5 5 5 ,是忘了展开式第二项的交错符号。
复习: 行列式:性质与克拉默法则
第 11 题 来自前面的单元 一个含两个未知数的三个线性方程组成的方程组,其系数矩阵的秩为 2 2 2 ,增广矩阵的秩为 3 3 3 。它有多少个解?
第 12 题 来自前面的单元 当 k k k 取何值时,平面向量 ( 3 , − 1 ) \left( 3, -1 \right) ( 3 , − 1 ) 与 ( 2 , k ) \left( 2, k \right) ( 2 , k ) 垂直?
正确答案: 6 6 6
两个非零向量垂直当且仅当它们的数量积为零:
3 ⋅ 2 + ( − 1 ) ⋅ k = 6 − k = 0 3 \cdot 2 + \left( -1 \right) \cdot k = 6 - k = 0 3 ⋅ 2 + ( − 1 ) ⋅ k = 6 − k = 0 ,由此
k = 6 k = 6 k = 6 。得到
− 6 -6 − 6 ,是弄错了一个符号;令两个斜率相等,求的是平行向量,而不是垂直向量。
复习: 平面向量与直线的参数方程