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Distancia entre dos rectas que se cruzan. Perpendicular común

En un espacio de tres dimensiones dos rectas se cruzan cuando no tienen ningún punto en común y no están contenidas en el mismo plano. Si no tienen ningún punto en común pero sí que están contenidas en un mismo plano las rectas son paralelas.

Distancia entre dos rectas paralelas

Si las rectas son paralelas la distancia entre ambas viene dada por la distancia de un punto de una de ellas a la otra. Se entiende por distancia la distancia mínima del punto a la recta. La construcción requiere hallar el plano perpendicular a la recta que pasa por el punto. Este plano perpendicular cortará a la recta en cuestión en otro punto. De este modo, la distancia del punto a la recta será igual a la distancia entre los dos puntos mencionados. Vamos a hallar una fórmula que permita hallar esta distancia. Para ello sea \(P(p_1,p_2,p_3)\) un punto y \(r\) una recta que vamos a escribir en su forma continua:

\[r\equiv\frac{x-a_1}{u_1}=\frac{x-a_2}{u_2}=\frac{x-a_3}{u_2}\]

distancia1

Recordemos que \(A(a_1,a_2,a_3)\) y \(\vec{u}=(u_1,u_2,u_3)\) son un punto y un vector director de \(r\), respectivamente. Supongamos también que \(M(m_1,m_2,m_3)\) es el punto en el que el plano perpendicular a \(r\) que contiene a \(P\) corta a la recta \(r\) (ver figura anterior). A la distancia del punto \(P\) a la recta \(r\), que es lo que queremos calcular, la notaremos \(d(P,r)\). El vector que une el punto \(A\) de la recta con el punto \(P\) es \(\overrightarrow{AP}=(p_1-a_1,p_2-a_2,p_3-a_3)\).

Por un lado tenemos que el módulo del producto vectorial de \(\overrightarrow{AP}\) con \(\vec{u}\) es:

\[|\overrightarrow{AP}\times\vec{u}|=|\overrightarrow{AP}|\cdot|\vec{u}|\cdot\text{sen }\alpha\]

Por otro lado, observando la figura anterior se tiene que:

\[\text{sen }\alpha=\frac{d(P,r)}{|\overrightarrow{AP}|}\Rightarrow d(P,r)=|\overrightarrow{AP}|\cdot\text{sen }\alpha\]

Por tanto, sustituyendo en la primera expresión:

\[|\overrightarrow{AP}\times\vec{u}|=d(P,r)\cdot|\vec{u}|\]

Y de aquí obtenemos finalmente que la distancia entre un punto y una recta la podemos calcular mediante la siguiente fórmula:

\[d(P,r)=\frac{|\overrightarrow{AP}\times\vec{u}|}{|\vec{u}|}=\frac{|(p_1-a_1,p_2-a_2,p_3-a_3)\times(u_1,u_2,u_3)|}{\sqrt{u_1^2+u_2^2+u_3^2}}\]

Distancia entre dos rectas que se cruzan. Perpendicular común

Supongamos ahora que tenemos dos rectas \(r\) y \(s\) que se cruzan. Para hallar la distancia entre ambas, \(d(r,s)\), lo que se hace es calcular el plano que contienen a una de ellas (por ejemplo a \(s\)) y es paralelo a la otra (en este caso a \(r\)). La distancia entre ambas rectas vendrá dada por la distancia de la recta \(r\) a este plano, distancia que obviamente coincidirá con la distancia de un punto de \(r\) a dicho plano (por ser ambos paralelos). Por cierto, la distancia de un punto \(P(p_1,p_2,p_3)\) a un plano \(\pi\equiv Ax+By+Cz+D=0\), viene dada por la fórmula siguiente:

\[d(P,\pi)=\frac{|Ap_1+Bp_2+Cp_3+D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}\]

El cálculo de la perpendicular común a \(r\) y a \(s\), es decir, de la recta que corta perpendicularmente a ambas, que llamaremos \(t\), precisa de una construcción en tres pasos. Son los siguientes:

  • Cálculo del plano \(\pi\) que contiene a \(s\) y es paralelo a \(r\).
  • Cálculo del plano \(\pi'\) que contiene a \(s\) y es perpendicular a \(\pi\).
  • Cálculo del plano \(\pi''\) que contiene a \(r\) y es perpendicular a \(\pi\).

Entonces, tal y como se puede apreciar en la figura siguiente, la perpendicular común \(t\) a \(r\) y a \(s\) será la intersección de los planos \(\pi'\) y \(\pi''\): \(t=\pi'\cap\pi''\). Hemos llamado también \(M\) al punto de corte de \(r\) y \(t\), y \(N\) al punto de corte de \(s\) y \(t\): \(M=r\cap t\), \(N=s\cap t\).

distancia2

Tal y como hemos comentado anteriormente, la distancia entre \(r\) y \(s\) es la misma que la distancia entre \(r\) y \(\pi\), distancia que, obviamente, también ha de coincidir con la distancia entre los puntos \(M\) y \(N\):

\[d(r,s)=d(r,\pi)=d(M,N)\]

Veamos un caso práctico. Consideremos las rectas \(r\) y \(s\) siguientes:

\[r\equiv\begin{cases}x+y-z=1\\x-2z=-1\end{cases}\quad;\quad s\equiv x=\frac{y+2}{-1}=\frac{z-1}{2}\]

Lo primero de todo es comprobar que, efectivamente, ambas rectas se cruzan. Si escribimos la recta \(r\) en paramétricas:

\[r\equiv\begin{cases}
  x=-1+2\lambda\\
  y=2-\lambda\\
  z=\lambda
\end{cases}\]

tenemos que un punto y un vector director de \(r\) son, respectivamente, \(A(-1,2,0)\) y \(\vec{u}=(2,-1,1)\). Del mismo modo, un punto y un vector director de la recta \(s\) son, respectivamente, \(B(0,-2,1)\), \(\vec{v}=(1,-1,2)\).

Por un lado, tenemos que

\[\text{rango}\left(
         \begin{array}{c}
           \vec{u} \\
           \vec{v} \\
         \end{array}
       \right)=\text{rango}\left(
                      \begin{array}{ccc}
                        2 & -1 & 1 \\
                        1 & -1 & 2 \\
                      \end{array}
                    \right)=2
\]

ya que la matriz anterior contiene al menos un menor de orden dos distinto de cero:

\[\left|\begin{array}{cc}
  2 & -1\\
  1 & -1
\end{array}\right|=-2-(-1)=-1\neq0\]

Por otro lado, tenemos que

\[\text{rango}\left(
                \begin{array}{c}
                  \vec{u} \\
                  \vec{v} \\
                  \overrightarrow{AB} \\
                \end{array}
              \right)=\text{rango}\left(
                                    \begin{array}{ccc}
                                      2 & -1 & 1 \\
                                      1 & -1 & 2 \\
                                      1 & -4 & 1 \\
                                    \end{array}
                                  \right)=3
\]

ya que

\[\left|\begin{array}{ccc}
  2 & -1 & 1 \\
  1 & -1 & 2 \\
  1 & -4 & 1
\end{array}\right|=(-2-2-4)-(-1-1-16)=-8-(-18)=10\neq0\]

Del razonamiento anterior se deduce que las rectas \(r\) y \(s\) se cruzan. Vamos a dar los pasos mencionados anteriormente para hallar la perpendicular común y la distancia entre \(r\) y \(s\).

En primer lugar vamos a hallar el plano \(\pi\) que contiene a \(s\) y es paralelo a \(r\). Un punto de dicho plano será un punto de \(s\), por ejemplo el punto \(B(0,-2,1)\) y dos direcciones suyas serán las de \(r\) y las de \(s\), es decir, podemos tomar como vectores directores del plano los vectores \(\vec{u}=(2,-1,1)\), \(\vec{v}=(1,-1,2)\). Así el plano \(\pi\) vendrá dado por

\[\pi\equiv\left|\begin{array}{ccc}
          x & y+2 & z-1 \\
          2 & -1 & 1 \\
          1 & -1 & 2
        \end{array}\right|=0\]

Desarrollando el determinante anterior:

\[(-2x+y+2-2z+2)-(-z+1+4y+8-x)=0\Rightarrow\pi\equiv x+3y+z+5=0\]

Teniendo en cuenta que la ecuación general de la recta \(s\) es:

\[s\equiv\begin{cases}
  x+y+2=0\\
  2x-z+1=0
\end{cases}\]

otra forma de hallar el plano \(\pi\) es hacer uso del haz de planos de arista la recta \(s\):

\[\lambda(x+y+2)+\mu(2x-z+1)=0\Leftrightarrow(\lambda+2\mu)x+\lambda y-\mu z+2\lambda+\mu=0\]

Para que un plano de este haz sea paralelo a la recta \(r\) un vector normal al plano, \((\lambda+2\mu,\lambda,-\mu)\), debe ser perpendicular al vector director de \(r\), \(\vec{u}=(2,-1,1)\), es decir:

\[2(\lambda+2\mu)+(-1)\lambda+1(-\mu)=0\Leftrightarrow\lambda+3\mu=0\]

Esta igualdad se cumple, por ejemplo, para \(\lambda=3\) y \(\mu=-1\), con lo que el plano \(\pi\) que buscamos será:

\[\pi\equiv x+3y+z+5=0\]

Llegados a este punto ya estamos en condiciones de hallar la distancia entre \(r\) y \(s\): \(d(r,s)=d(r,\pi)\). Además, esta última distancia coincidirá con \(d(A,\pi)\):

\[d(r,s)=d(r,\pi)=d(A,\pi)=\frac{|1\cdot(-1)+3\cdot2+1\cdot0+5|}{\sqrt{1^2+3^2+1^2}}=\frac{10}{\sqrt{11}}=\frac{10\sqrt{11}}{11}\]

Continuando con nuestra construcción calcularemos, en segundo lugar, el plano \(\pi'\) que contiene a \(s\) y es perpendicular a \(\pi\). Ya hemos visto que el haz de planos de arista la recta \(s\) es

\[(\lambda+2\mu)x+\lambda y-\mu z+2\lambda+\mu=0\]

Para que un plano de este haz sea perpendicular a \(\pi\) se ha de cumplir que los vectores perpendiculares a ambos planos sea ellos mismos también perpendiculares, es decir:

\[1(\lambda+2\mu)+3\lambda+1(-\mu)=0\Leftrightarrow4\lambda+\mu=0\]

Tomando \(\lambda=-1\) y \(\mu=4\), tenemos que el plano \(\pi'\) es el siguiente:

\[\pi'\equiv 7x-y-4z+2=0\]

En tercer y último lugar vamos a calcular el plano \(\pi''\) que contiene a \(r\) y es perpendicular a \(\pi\). Para ello volveremos a usar la técnica del haz de planos, pero en este caso de arista la recta \(r\):

\[\lambda(x+y-z-1)+\mu(x-2z+1)=0\Leftrightarrow(\lambda+\mu)x+\lambda y+(-\lambda-2\mu)z+(-\lambda+\mu)=0\]

Para que un plano de este haz sea perpendicular a \(\pi\) se tiene que cumplir, al igual que en el caso anterior, que los vectores perpendiculares a ambos planos sean también perpendiculares, es decir:

\[1(\lambda+\mu)+3\lambda+1(-\lambda-2\mu)=0\Leftrightarrow3\lambda-\mu=0\]

Tomando \(\lambda=1\) y \(\mu=3\), obtenemos el plano \(\pi''\):

\[\pi''\equiv4x+y-7z+2=0\]

La recta \(t\), perpendicular común a \(r\) y a \(s\), es la intersección de \(\pi'\) y de \(\pi''\). Por tanto:

\[t=\pi'\cap\pi''\equiv\begin{cases}
  7x-y-4z+2=0\\
  4x+y-7z+2=0
\end{cases}\]

Vamos a mostrar que la distancia hallada anteriormente entre las rectas \(r\) y \(s\) coincide con la distancia entre los puntos \(M\) y \(N\).

Para hallar los puntos \(M\) y \(N\) resolveremos los sistemas formados por \(r\) y \(t\), por un lado, y por \(s\) y \(t\), por otro, ya que \(r\cap t=M\) y \(s\cap t=N\).

El sistema formado por \(r\) y \(t\) tiene cuatro ecuaciones y tres incógnitas. Podemos eliminar una de ellas, por ejemplo la última ecuación de la recta \(t\). El sistema queda del siguiente modo:

\[\begin{cases}
  x+y-z=1\\
  x-2z=-1\\
  7x-y-4z=-2
\end{cases}\]

El determinante de la matriz de los coeficientes es

\[\left|\begin{array}{ccc}
          1 & 1 & -1 \\
          1 & 0 & -2 \\
          7 & -1 & -4
        \end{array}
\right|=(-14+1)-(-4+2)=-13+2=-11\]

Por tanto, aplicando la regla de Cramer:

\[x=\frac{\left|\begin{array}{ccc}
                  1 & 1 & -1 \\
                  -1 & 0 & -2 \\
                  -2 & -1 & -4
                \end{array}
\right|}{-11}=\frac{(4-1)-(4+2)}{-11}=\frac{-3}{-11}=\frac{3}{11}\]

\[y=\frac{\left|\begin{array}{ccc}
                  1 & 1 & -1 \\
                  1 & -1 & -2 \\
                  7 & -2 & -4
                \end{array}
\right|}{-11}=\frac{(4-14+2)-(7-4+4)}{-11}=\frac{-15}{-11}=\frac{15}{11}\]

\[z=\frac{\left|\begin{array}{ccc}
                  1 & 1 & 1 \\
                  1 & 0 & -1 \\
                  7 & -1 & -2
                \end{array}
\right|}{-11}=\frac{(-7-1)-(-2+1)}{-11}=\frac{-7}{-11}=\frac{7}{11}\]

De manera similar resolveremos el sistema formado por la recta \(s\) y por la recta \(t\). También eliminaremos la última ecuación de la recta \(t\). El sistema es el siguiente:

\[\begin{cases}
  x+y=-2\\
  2x-z=-1\\
  7x-y-4z=-2
\end{cases}\]

El determinante de la matriz de los coeficientes es

\[\left|\begin{array}{ccc}
          1 & 1 & 0 \\
          2 & 0 & -1 \\
          7 & -1 & -4
        \end{array}
\right|=-7-(-8+1)=-7+7=0\]

Esto indica que no podemos eliminar la última ecuación de la recta \(r\). Así que eliminaremos la primera y el sistema quedará de la siguiente manera:

\[\begin{cases}
  x+y=-2\\
  2x-z=-1\\
  4x+y-7z=-2
\end{cases}\]

Ahora el determinante de la matriz de los coeficientes es:

\[\left|\begin{array}{ccc}
          1 & 1 & 0 \\
          2 & 0 & -1 \\
          4 & 1 & -7
        \end{array}
\right|=-4-(-14-1)=-4+13=11\]

Volviendo a aplicar la regla de Cramer tenemos:

\[x=\frac{\left|\begin{array}{ccc}
                  -2 & 1 & 0 \\
                  -1 & 0 & -1 \\
                  -2 & 1 & -7
                \end{array}
\right|}{11}=\frac{2-(7+2)}{11}=-\frac{7}{11}\]

\[y=\frac{\left|\begin{array}{ccc}
                  1 & -2 & 0 \\
                  2 & -1 & -1 \\
                  4 & -2 & -7
                \end{array}
\right|}{11}=\frac{(7+8)-(28+2)}{11}=-\frac{15}{11}\]

\[z=\frac{\left|\begin{array}{ccc}
                  1 & 1 & -2 \\
                  2 & 0 & -1 \\
                  4 & 1 & -2
                \end{array}
\right|}{11}=\frac{(-4-4)-(-4-1)}{11}=-\frac{3}{11}\]

De este modo tenemos que

\[M=r\cap t=\left(\frac{3}{11},\frac{15}{11},\frac{7}{11}\right)\quad;\quad N=s\cap t=\left(-\frac{7}{11},-\frac{15}{11},-\frac{3}{11}\right)\]

Y de aquí:

\[\overrightarrow{MN}=\left(-\frac{7}{11}-\frac{3}{11},-\frac{15}{11}-\frac{15}{11},-\frac{3}{11}-\frac{7}{11}\right)=\left(-\frac{10}{11},-\frac{30}{11},-\frac{10}{11}\right)\]

Así pues, la distancia entre las rectas \(r\) y \(s\) es:

\[d(r,s)=d(M,N)=|\overrightarrow{MN}|=\sqrt{\left(-\frac{10}{11}\right)^2+\left(-\frac{30}{11}\right)^2+\left(-\frac{10}{11}\right)^2}= \frac{\sqrt{1100}}{11}=\frac{10\sqrt{11}}{11}\]


Puedes descargar el artículo completo en pdf haciendo clic aquí.


Leer más ...

6 ejercicios de geometría: rectas y planos, espacio euclídeo, problemas métricos

En otro artículo de esta Web se proponían y se resolvían 5 problemas de geometría. Los problemas del bloque dedicado a la Geometría en las matemáticas de 2º de Bachillerato los podemos dividir, fundamentalmente, en problemas de dos tipos: los problemas sobre posiciones relativas entre rectas y planos, y los problemas métricos. Los primeros no son difíciles de resolver si se entiende bien el Teorema de Rouché (aunque hay otras formas de resolverlos). Los segundos, y quizá más interesantes, son problemas en los que entra en escena el producto escalar y el producto vectorial, es decir, los problemas de ángulos, distancias y perpendicularidad. Por eso es muy importante entender con claridad los conceptos de producto escalar y de producto vectorial así como sus aplicaciones. Se recomienda para ello una lectura atenta y comprensiva de los dos artículos siguientes:

  1. Proyecciones. Producto escalar de vectores. Aplicaciones.
  2. Producto vectorial. Producto mixto de tres vectores. Aplicaciones.

A continuación se proponen y se resuelven completamente otros seis ejercicios de geometría, lo que viene a completar, con los otros cinco ejercicios comentados al principio, una serie de ejercicios de geometría que pueden servir de modelo para el aprendizaje de esta parte de las matemáticas en un segundo curso de Bachillerato y, por tanto, para afrontar con éxito los problemas de geometría que puedan aparecer en las pruebas de acceso a la universidad (selectividad).

Problema 1

a) Dados los puntos \(P(4,2,3)\) y \(Q(2,0,-5)\), da la ecuación implícita del plano \(\pi\) de modo que el punto simétrico de \(P\) respecto a \(\pi\) es \(Q\).

b) Calcula el valor del parámetro \(\lambda\in\mathbb{R}\) para que el plano determinado por los puntos \(P\), \(Q\) y \(R(\lambda,1,0)\) pase por el origen de coordenadas.

Solución

a) El plano \(\pi\) que se pide es el que pasa por el punto medio de \(P\) y \(Q\) (punto que podemos llamar \(M\)) y es perpendicular al vector que une \(P\) con \(Q\):

\[\overrightarrow{PQ}=(-2,-2,-8)\]

06 ejercicios geometria 01

El punto medio \(M\) de \(P\) y \(Q\) es fácil de calcular:

\[M\left(\frac{4+2}{2},\frac{2+0}{2},\frac{3+(-5)}{2}\right)=M(3,1,-1)\]

El plano \(\pi\) que buscamos, por ser \(\overrightarrow{PQ}=(-2,-2,-8)\) un vector perpendicular al mismo, tiene ecuación implícita

\[\pi\equiv-2x-2y-8z+D=0\]

Como el plano pasa por el punto \(M\), tenemos:

\[-2\cdot3-2\cdot1-8\cdot(-1)+D=0\Rightarrow-6-2+8+D=0\Rightarrow D=8\]

Por tanto el plano \(\pi\) que buscamos tiene ecuación implícita

\[\pi\equiv-2x-2y-8z=0\]

b) Recordemos que los puntos \(P\) y \(Q\) son \(P(4,2,3)\) y \(Q(2,0,-5)\). Podemos tomar como uno de los vectores directores del plano el vector \(\overrightarrow{PQ}=(-2,-2,-8)\), o bien este otro: \(\vec{u}=(1,1,4)\), que tiene la misma dirección que el anterior. Puesto que el plano también debe pasar por \(R(\lambda,1,0)\), otro vector director de tal plano será \(\vec{v}=\overrightarrow{PR}=(4-\lambda,1,3)\). De este modo disponemos de un punto \(P\) y de dos vectores, \(\vec{u}\) y \(\vec{v}\) que definen el plano determinado por los puntos \(P\), \(Q\) y \(R\). Sus ecuaciones paramétricas son:

\[\begin{cases}
        x=4+\alpha+(4-\lambda)\beta\\
        y=2+\alpha+\beta\\
        z=3+4\alpha+3\beta
      \end{cases}\]

La ecuación general o implícita del plano se obtiene desarrollando la siguiente ecuación:

\[\left|\begin{array}{ccc}
                x-4 & 1 & 4-\lambda \\
                y-2 & 1 & 1 \\
                z-3 & 4 & 3
              \end{array}
      \right|=0\]

Como el plano anterior ha de pasar por el origen de coordenadas la ecuación debe cumplirse para \(x=0\), \(y=0\), \(z=0\). Es decir:

\[\left|\begin{array}{ccc}
                -4 & 1 & 4-\lambda \\
                -2 & 1 & 1 \\
                -3 & 4 & 3
              \end{array}
      \right|=0\Rightarrow(-12-3-32+8\lambda)-(-12+3\lambda-6-16)=0\Rightarrow\]

\[\Rightarrow 5\lambda-13=0\Rightarrow\lambda=\frac{13}{5}\]

Problema 2

Dados los planos \(\pi\equiv ax+2y+z=4\), \(a\in\mathbb{R}\), y \(\pi'\equiv 2x-4y-2z=b\), \(b\in\mathbb{R}\):

a) Razona para qué valores de \(a\,,b\in\mathbb{R}\) son \(\pi\) y \(\pi'\) coincidentes.

b) Razona para qué valores de \(a\,,b\in\mathbb{R}\) son \(\pi\) y \(\pi'\) paralelos no coincidentes.

c) Razona para qué valores de \(a\,,b\in\mathbb{R}\) son \(\pi\) y \(\pi'\) perpendiculares.

Solución

Consideremos el sistema formado por ambos planos:

\[\begin{cases}
  ax+2y+z=4\\
  2x-4y-2z=b
\end{cases}\]

La matriz \(A\) de los coeficientes y la matriz ampliada \(A|b\) son, respectivamente:

\[A=\left(\begin{array}{ccc}
            a & 2 & 1 \\
            2 & -4 & -2
          \end{array}
\right)\quad;\quad
A|b=\left(\begin{array}{cccc}
            a & 2 & 1 & 4 \\
            2 & -4 & -2 & b
          \end{array}
\right)\]

a) Para que ambos planos sean coincidentes los rangos de ambas matrices deben ser igual a uno y, por tanto, las dos filas de ambas matrices han de ser proporcionales, lo que nos lleva a la siguiente expresión:

\[\frac{a}{2}=\frac{2}{-4}=\frac{1}{-2}=\frac{4}{b}\]

De donde claramente han de ser \(a=-1\) y \(b=-8\).

b) Para que ambos planos sean paralelos no coincidentes el rango de la matriz de los coeficientes ha de ser igual a uno y el de la ampliada igual a dos, lo que nos lleva ahora a la siguiente expresión:

\[\frac{a}{2}=\frac{2}{-4}=\frac{1}{-2}\neq\frac{4}{b}\]

Luego en este caso debe ser \(a=-1\) y \(b\neq-8\).

c) Para que ambos planos sean perpendiculares basta que también lo sean sus vectores normales o perpendiculares. El vector normal del plano \(\pi\) es \(\vec{u}=(a,2,1)\) y el vector normal del plano \(\pi'\) es \(\vec{v}=(2,-4,-2)\). Por tanto:

\[\pi\perp\pi'\Leftrightarrow\vec{u}\perp\vec{v}\]

Si \(\vec{u}\) y \(\vec{v}\) son perpendiculares, su producto escalar ha de ser igual a cero:

\[\vec{u}\cdot\vec{v}=0\Rightarrow 2a-8-2=0\Rightarrow a=5\]

Por tanto, para que \(\pi\) y \(\pi'\) sean perpendiculares debe ser \(a=5\) y \(b\) puede tomar cualquier valor.

Problema 3

Dado el plano \(\pi\equiv x-z=0\) y las rectas

\[r\equiv\begin{cases}
x=1+\lambda\\
y=2\\
z=-1-\lambda
\end{cases},\,\lambda\in\mathbb{R}\quad;\quad
s\equiv\begin{cases}
x+y=2\\
4y+2z=6
\end{cases}\]

a) Halla el ángulo que forman \(\pi\) y \(r\). Razona cuántos planos hay perpendiculares a \(\pi\) que contengan a la recta \(r\).

b) Halla la posición relativa de \(\pi\) y \(s\). Razona cuántos planos hay perpendiculares a \(\pi\) que contengan a la recta \(s\).

Solución

a) Es fácil demostrar que el plano \(\pi\) y la recta \(r\) se cortan en un punto. Si sustituimos las ecuaciones de \(r\) en el plano \(\pi\) tenemos:

\[1+\lambda-(-1-\lambda)=0\Rightarrow2+2\lambda=0\Rightarrow\lambda=-1\]

Además el punto de corte de \(\pi\) y \(r\) será el punto \(P(0,2,0)\).

El ángulo de la recta y el plano ha de ser el complementario del ángulo que formen la recta y un vector perpendicular del plano. Es decir, el complementario del ángulo que forman un vector director de la recta y un vector perpendicular al plano.

06 ejercicios geometria 02

Pero es que, en este caso, un vector director de la recta es \(\vec{u}=(1,0,-1)\) y un vector perpendicular al plano es \(\vec{v}=(1,0,-1)\). Como los vectores son iguales el ángulo que forman es cero, es decir, el plano \(\pi\) y la recta \(r\) son perpendiculares.

De lo anterior se deduce que hay infinitos planos perpendiculares a \(\pi\) que contienen a la recta \(r\), precisamente todos los planos del haz de base la recta \(r\).

b) Consideremos el sistema formado conjuntamente por el plano \(\pi\) y la recta \(s\):

\[\begin{cases}
    x-z=0\\
    x+y=2\\
    4y+2z=6
  \end{cases}\]

La matriz de los coeficientes del sistema anterior es:

\[A=\left(\begin{array}{ccc}
               1 & 0 & -1 \\
               1 & 1 & 0 \\
               0 & 4 & 2
             \end{array}
  \right)\]

Se tiene que \(|A|=2-4=-2\neq0\), con lo que el rango de la matriz de los coeficientes es igual a tres, que coincidirá también con el de la matriz ampliada y con el número de incógnitas. Por tanto, el sistema es compatible determinado (solución única), lo que quiere decir que el plano \(\pi\) y la recta \(s\) son secantes: se cortan en un punto \(P\) (nos podemos hacer una idea observando la figura anterior).

En este caso solamente hay un plano perpendicular a \(\pi\) que contenga a la recta \(s\). Precisamente el plano determinado por \(P\), un vector normal del plano \(\pi\) y un vector director de la recta \(s\). Todos los demás planos del haz de base la recta \(s\) ya no son perpendiculares al plano \(\pi\).

Problema 4

a) Determina el valor del parámetro \(k\in\mathbb{R}\) para que la recta

\[\begin{cases}
    x=1+\lambda\\
    y=k-\lambda\\
    z=\lambda
  \end{cases}\quad\lambda\in\mathbb{R}\]

esté contenida en el plano \(\pi\equiv x+2y+z=7\).

b) Para el valor de \(k\) obtenido en el apartado anterior, obtén la ecuación implícita de un plano \(\pi'\) que corte perpendicularmente a \(\pi\), de modo que la intersección de ambos planos sea \(r\).

Solución

a) Las ecuaciones continuas de la recta son

\[x-1=\frac{y-k}{-1}=z\]

Y de aquí obtenemos las ecuaciones implícitas de la recta:

\[\begin{cases}
    -x+1=y-k\\
    x-1=z
  \end{cases}\Rightarrow
  \begin{cases}
  x+y=1+k\\
  x-z=1
  \end{cases}\]

Si a estas ecuaciones añadimos la ecuación del plano tenemos un sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas:

\[\begin{cases}
    x+y=1+k\\
    x-z=1\\
    x+2y+z=7
  \end{cases}\]

La matriz de los coeficientes y la matriz ampliada asociadas a este sistema son, respectivamente:

\[A=\left(\begin{array}{ccc}
              1 & 1 & 0 \\
              1 & 0 & -1 \\
              1 & 2 & 1
            \end{array}
  \right)\quad;\quad A|b=\left(\begin{array}{cccc}
                                 1 & 1 & 0 & 1+k \\
                                 1 & 0 & -1 & 1 \\
                                 1 & 2 & 1 & 7
                               \end{array}
  \right)\]

El rango de la matriz de los coeficientes es al menos dos pues contiene un menor de orden dos distinto de cero:

\[\left|\begin{array}{cc}
            1 & 1 \\
            1 & 0
          \end{array}
  \right|=0-1=-1\neq0\]

Pero además se tiene que

\[\left|\begin{array}{ccc}
            1 & 1 & 0 \\
            1 & 0 & -1 \\
            1 & 2 & 1
          \end{array}
  \right|=0\]

pues la tercera columna es igual a la segunda menos la primera. De aquí se deduce que el rango de la matriz de los coeficientes es igual a dos: \(r(A)=2\). Pero es que, además,

\[\left|\begin{array}{ccc}
            1 & 1 & 1+k \\
            1 & 0 & 1 \\
            1 & 2 & 7
          \end{array}
  \right|=(1+2+2k)-(7+2)=2k-6\]

De aquí se deduce que si \(k\neq3\), el rango de la matriz ampliada es tres: \(r(A|b)=3\). En este caso el sistema es incompatible (no tiene solución). Sin embargo, si \(k=3\), \(r(A|b)=r(A)=2<3=n\) y el sistema es compatible indeterminado (infinitas soluciones).

De lo anterior hemos de deducir que la recta estará contenida en el plano en el caso de que haya infinitas soluciones (la propia recta) y esto ocurre, como hemos visto, cuando \(k=3\).


Hay otra forma de hacer este apartado. Además es mucho más rápida que la anterior.

Para que la recta esté contenida en el plano, cualquier punto de la recta debe satisfacer la ecuación del plano, es decir, sea quien sea \(\lambda\in\mathbb{R}\), se ha de cumplir:

\[1+\lambda+2(k-\lambda)+\lambda=7\Leftrightarrow1+\lambda+2k-2\lambda+\lambda=7\Leftrightarrow2k=6\Leftrightarrow k=3\]

Por tanto, para este valor de \(k\) la recta está contenida en el plano. Para cualquier otro valor de \(k\) la ecuación \(2k=6\) daría lugar a una contradicción y, en ese caso, no existe ningún punto en común entre la recta y el plano, es decir, son paralelos.

b) Sea un punto \(P\) de \(r\) (que también lo será de \(\pi\)): \(P(1,3,0)\). Sea también un vector director de \(r\): \(\vec{u}=(1,-1,1)\). Tomemos también un vector normal o perpendicular al plano \(\pi\): \(\vec{v}=(1,2,1)\). El plano \(\pi'\) determinado por el punto \(P\) y los vectores \(\vec{u}\) y \(\vec{v}\) es claramente perpendicular a \(\pi\) y su intersección con éste es claramente la recta \(r\) pues pasa por \(P\in r\) y tiene la dirección de un vector director de \(r\). Hallemos pues la ecuación implícita de \(\pi'\):

\[\left|\begin{array}{ccc}
                x-1 & 1 & 1 \\
                y-3 & -1 & 2 \\
                z & 1 & 1
              \end{array}
      \right|=0\Rightarrow(-x+1+2z+y-3)-(-z+y-3+2x-2)=0\Rightarrow\]

\[\Rightarrow -3x+3z+3=0\Rightarrow \pi'\equiv x-z-1=0\]

06 ejercicios geometria 03

Problema 5

a) Estudia la posición relativa de las rectas

\[r\equiv x=-y=z\quad;\quad s\equiv x=y=z-2\]

b) Calcular la distancia entre \(r\) y \(s\).

Solución

a) Un punto y un vector director de \(r\) son \(A(0,0,0)\) y \(\vec{u}=(1,-1,1)\). Un punto y un vector director de \(s\) son \(B(0,0,2)\) y \(\vec{v}=(1,1,1)\). Consideremos el vector \(\overrightarrow{AB}=(0,0,2)\) y las matrices

\[\left(\begin{array}{c}
                \vec{u} \\
                \vec{v}
              \end{array}
      \right)=\left(\begin{array}{ccc}
                       1 & -1 & 1 \\
                       1 & 1 & 1
                     \end{array}
      \right)\quad;\quad\left(\begin{array}{c}
                                \vec{u} \\
                                \vec{v} \\
                                \overrightarrow{AB}
                              \end{array}
      \right)=\left(\begin{array}{ccc}
                      1 & -1 & 1 \\
                      1 & 1 & 1 \\
                      0 & 0 & 2
                    \end{array}
      \right)\]

El rango de la primera matriz es dos porque contiene un menor de orden dos distinto de cero:

\[\left|\begin{array}{cc}
                1 & -1 \\
                1 & 1
              \end{array}
      \right|=1-(-1)=2\neq0\]

El rango de la segunda matriz es tres porque su determinante es distinto de cero:

\[\left|\begin{array}{ccc}
                1 & -1 & 1 \\
                1 & 1 & 1 \\
                0 & 0 & 2
              \end{array}
      \right|=2\cdot\left|\begin{array}{cc}
                            1 & -1 \\
                            1 & 1
                          \end{array}
      \right|=2\cdot2=4\neq0\]

Por tanto las rectas \(r\) y \(s\) se cruzan.

b) Para hallar la distancia entre \(r\) y \(s\) hallaremos el plano \(\pi\) que  contiene a \(s\) y es paralelo a \(r\). Las ecuaciones implícitas de la recta \(s\) son:

\[\begin{cases}
        x-y=0\\
        x-z+2=0
      \end{cases}\]

El haz de planos de arista la recta \(s\) será entonces:

\[\lambda(x-y)+\mu(x-z+2)=0\Leftrightarrow(\lambda+\mu)x-\lambda y-\mu z+2\mu=0\]

Para que un plano de este haz sea paralelo a la recta \(r\) se debe cumplir que el vector perpendicular al plano \((\lambda+\mu,-\lambda,-\mu)\) sea perpendicular al vector director de \(r\), es decir, que el producto escalar de ambos sea cero:

\[(\lambda+\mu,-\lambda,-\mu)\cdot(1,-1,1)=0\Leftrightarrow \lambda+\mu+\lambda-\mu=0\Leftrightarrow \lambda=0\]

Así, podemos elegir \(\lambda=0\), \(\mu=1\), con lo que \(\pi\equiv x-z+2=0\).

06 ejercicios geometria 04

La distancia entre las dos rectas será igual a la distancia entre la recta \(r\) y el plano \(\pi\) recién hallado. Esta distancia coincide con la distancia entre cualquier punto \(P\) de \(r\) y el plano \(\pi\). En general, la distancia de un punto \(P(p_1,p_2,p_3)\) y un plano \(\pi\equiv Ax+By+Cz+D=0\) viene dada por la fórmula:

\[d(P,\pi)=\frac{|Ap_1+Bp_2+Cp_3+D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}\]

Por tanto, en nuestro caso, teniendo en cuenta que \(A(0,0,0)\in r\):

\[d(r,s)=d(r,\pi)=d(A,\pi)=\frac{|2|}{\sqrt{1^2+(-1)^2}}=\frac{2}{\sqrt{2}}=\sqrt{2}\]

Problema 6

a) Calcula la distancia del punto \(P(-1,2,0)\) a la recta

\[r\equiv\begin{cases}
  -x+y+2z=0\\
  y+z=1
  \end{cases}\]

b) Calcula el punto simétrico de \(P\) respecto de \(r\).

Solución

a) No es difícil obtener las ecuaciones paramétricas de \(r\):

\[\begin{cases}
     x=1+\lambda\\
     y=1-\lambda\\
     z=\lambda
   \end{cases}\]

Hallaremos el plano \(\pi\), perpendicular a \(r\) que contiene al punto \(P\). Evidentemente, un vector normal de este plano será un vector director de \(r\), que es \(\vec{u}=(1,-1,1)\). Por tanto, la ecuación general del plano será de la forma \(x-y+z+D=0\). Además, como este plano ha de contener al punto \(P(-1,2,0)\), tenemos que: \(-1-2+D=0\Rightarrow D=3\). Entonces:

\[\pi\equiv x-y+z+3=0\]

Este plano debe cortar a la recta \(r\) en un punto \(M\). Entonces, la distancia del punto \(P\) a la recta \(r\) coincidirá con la distancia del punto \(P\) al punto \(M\), o lo que es lo mismo, con el módulo del vector \(\overrightarrow{PM}\) (ver figura siguiente).

06 ejercicios geometria 05

Sustituyendo un punto cualquiera de la recta en el plano, tenemos:

\[1+\lambda-1+\lambda+\lambda+3=0\Rightarrow3\lambda+3=0\Rightarrow\lambda=-1\]

Sustituyendo tenemos que el punto de corte de la recta \(r\) con el plano \(\pi\) es \(M(0,2,-1)\), con lo que \(\overrightarrow{PM}=(1,0,-1)\). Finalmente, la distancia de \(P\) a \(r\) será:

\[d(P,r)=d(P,M)=|\overrightarrow{PM}|=\sqrt{1^2+(-1)^2}=\sqrt{2}\]

Hay otra forma de hallar la distancia entre un punto \(P\) y una recta \(r\), que consiste en aplicar la siguiente fórmula:

\[d(P,r)=\frac{|(p_1-a_1,p_2-a_2,p_3-a_3)\times(u_1,u_2,u_3)|}{\sqrt{u_1^2+u_2^2+u_3^2}}\]

donde \(P(p_1,p_2,p_3)\) es el punto en cuestión y \(A(a_1,a_2,a_3)\) y \(\vec{u}=(u_1,u_2,u_3)\) son un punto y un vector director de la recta, respectivamente.

En nuestro caso \(P(-1,2,0)\) y un punto y un vector director de \(r\) son, respectivamente: \(A(1,1,0)\), \(\vec{u}=(1,-1,1)\). De este modo:

\[(p_1-a_1,p_2-a_2,p_3-a_3)\times(u_1,u_2,u_3)=(-2,1,0)\times(1,-1,1)=\left|\begin{array}{ccc}
                                                                                 i & j & k \\
                                                                                 -2 & 1 & 0 \\
                                                                                 1 & -1 & 1
                                                                               \end{array}\right|\rightarrow\]

\[(p_1-a_1,p_2-a_2,p_3-a_3)\times(u_1,u_2,u_3)=(i+2k)-(k-2j)=i+2j-k\]

Por tanto:

\[d(P,r)=\frac{|(1,2,-1)|}{\sqrt{1^2+(-1)^2+1^2}}=\frac{\sqrt{1^2+2^2+(-1)^2}}{\sqrt{3}}=\frac{\sqrt{6}}{\sqrt{3}}=\sqrt{2}\]

b) Llamemos \(R\) al punto simétrico de \(P\) respecto de \(r\). Está claro entonces que \(M\) es el punto medio de \(R\) y \(P\) (ver figura anterior). Por tanto, si notamos \(R(a,b,c)\) tenemos que:

\[\frac{a-1}{2}=0\quad;\quad\frac{b+2}{2}=2\quad;\quad\frac{c}{2}=-1\]

De donde rápidamente se deduce que \(a=1\), \(b=2\) y \(c=-2\) con lo que el punto simétrico de \(P\) respecto de \(r\) es \(R(1,2,-2)\).


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5 ejercicios de geometría: rectas y planos, espacio euclídeo, problemas métricos

En las matemáticas del último curso de bachillerato de ciencias y tecnología, tras hacer un estudio exhaustivo de las matrices, determinantes y la resolución de sistemas de ecuaciones lineales (método de Gauss y Teorema de Rouché-Frobenius), se procede al estudio de la geometría en el espacio. Las matrices, los determinantes, el cálculo de rangos y la resolución de sistemas adquiere todo su sentido en el bloque de geometría afín y euclídea. Una ecuación lineal de primer grado o un sistema de ecuaciones lineales de primer grado con tres incógnitas, son representaciones de rectas y planos en el espacio. En esta misma Web hay varios artículos donde se exponen estas cuestiones. En la siguiente lista se puede enlazar a los artículos mencionados.

  1. La ecuación lineal de primer grado con dos incógnitas. La recta en el plano afín.
  2. Sistemas de dos ecuaciones lineales de primer grado con dos incógnitas.
  3. La ecuación lineal de primer grado con tres incógnitas. El plano en el espacio afín.
  4. Sistemas de ecuaciones lineales. El método de Gauss.
  5. Matrices. Álgebra de matrices.
  6. Determinantes.
  7. Sobre vectores y matrices. Independencia lineal. Rango de una matriz.
  8. Rango de una matriz usando determinantes.
  9. Sistemas de dos ecuaciones lineales de primer grado con tres incógnitas.
  10. La regla de Cramer.
  11. Sistemas de ecuaciones lineales dependientes de un parámetro. El teorema de Rouché-Frobenius.
  12. Proyecciones. Producto escalar de vectores. Aplicaciones.
  13. Producto vectorial. Producto mixto de tres vectores. Aplicaciones.

Para atacar los ejercicios de geometría, los problemas de rectas y planos en el espacio, hay que tener mucha costumbre en la discusión de sistemas de ecuaciones lineales y, por tanto, en el cálculo de determinantes y de rangos de matrices. Como en cualquier otra rama de las matemáticas uno adquiere agilidad en la resolución de problemas resolviendo problemas y equivocándose, sobre todo al principio, con cierta frecuencia. Pero no pasa nada. Al cabo de sumergirse durante un tiempo en este tipo de problemas uno empieza a darse cuenta de cómo funcionan las cosas y como "se ve" la geometría en el espacio y su expresión analítica sobre el papel. Os dejo a continuación cinco ejercicios de este tipo que pueden servir de modelo, pues como estos o similares se pueden encontrar en los exámenes de matemáticas de un último curso de bachillerato, o en las pruebas de acceso a la universidad. Al final del artículo los podéis descargar en pdf. En el siguiente enlace puedes encontrar, además, otros 48 ejercicios de geometría en el espacio (los 20 primeros de ellos, completamente resueltos).

Problema 1

Estudia la posición relativa de los planos siguientes según los distintos valores de \(m\):

\[\begin{array}{l}
{\pi _1} \equiv x + y + z = m + 1\\
{\pi _2} \equiv mx + y + \left( {m - 1} \right)z = m\\
{\pi _3} \equiv x + my + z = 1
\end{array}\]

Solución:

Si vemos los tres planos como un sistema de ecuaciones con \(n=3\) incógnitas, la matriz de los coeficientes y la matriz ampliada son, respectivamente:

\[A = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}
1&1&1\\
m&1&{m - 1}\\
1&m&1
\end{array}} \right)\ ;\ A|b = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}
1&1&1&{m + 1}\\
m&1&{m - 1}&m\\
1&m&1&1
\end{array}} \right)\]

El determinante de la matriz de los coeficientes es \(\left| A \right| = \left( {1 + m - 1 + {m^2}} \right) - \left( {1 + m + {m^2} - m} \right) = m - 1\).

Por un lado, si \(m\neq1\), el determinante de \(A\) es distinto de cero, es decir, \(r\left( A \right) = 3 = r\left( {A|b} \right) = n\) (sistema compatible determinado), con lo que los tres planos concurren en un único punto cuyas coordenadas son (resolvemos el sistema por la regla de Cramer):

\[x = \frac{{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{m + 1}&1&1\\
m&1&{m - 1}\\
1&m&1
\end{array}} \right|}}{{m - 1}} = \frac{{\left( {m + 1 + m - 1 + {m^2}} \right) - \left( {1 + m + {m^3} - m} \right)}}{{m - 1}} = \frac{{ - {m^3} + {m^2} + 2m - 1}}{{m - 1}}\]

\[y = \frac{{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
1&{m + 1}&1\\
m&m&{m - 1}\\
1&1&1
\end{array}} \right|}}{{m - 1}} = \frac{{\left( {m + {m^2} - 1 + m} \right) - \left( {m + {m^2} + m + m - 1} \right)}}{{m - 1}} = \frac{{ - m}}{{m - 1}}\]

\[z = \frac{{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
1&1&{m + 1}\\
m&1&m\\
1&m&1
\end{array}} \right|}}{{m - 1}} = \frac{{\left( {1 + m + {m^3} + {m^2}} \right) - \left( {m + 1 + m + {m^2}} \right)}}{{m - 1}} = \frac{{{m^3} - m}}{{m - 1}} = m\left( {m + 1} \right)\]

Por otro lado, si \(m=1\), el determinante de \(A\) es igual a cero. La matriz de los coeficientes y la matriz ampliada son, en este caso:

\[A = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}
1&1&1\\
1&1&0\\
1&1&1
\end{array}} \right)\ ;\ A|b = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}
1&1&1&2\\
1&1&0&1\\
1&1&1&1
\end{array}} \right)\]

Se tiene claramente que \(r(A)=2\) pues \(A\) contiene al menos un menor de orden dos distinto de cero. Además, \(r\left( {A|b} \right) = 3\) pues la matriz ampliada contiene un menor de orden tres distinto de cero:

\[\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
1&1&2\\
1&0&1\\
1&1&1
\end{array}} \right| = \left( {0 + 1 + 2} \right) - \left( {0 + 1 + 1} \right) = 1\]

De lo anterior se deduce que si \(m=1\) el sistema es incompatible, con lo que los planos no tienen ningún punto en común.

Observando detenidamente los coeficientes de \(\pi_1\), \(\pi_2\) y \(\pi_3\), se deduce que \(\pi_1\) y \(\pi_3\) son paralelos y distintos ya que \(\frac{1}{1} = \frac{1}{1} = \frac{1}{1} \ne \frac{2}{1}\). Por tanto, la posición de los tres planos serán la que se representa en la siguiente figura.

5 ejercicios geometria 01

Problema 2

Dada la recta \(r \equiv \left\{ \begin{array}{l}
x - 2y + z = 1\\
2x + z = 0
\end{array} \right.\), hallar la ecuación de la recta \(s\) que corta perpendicularmente a \(r\) y pasa por el punto \(P\left( {0,2,2} \right)\).

Solución

El punto \(P\left( {0,2,2} \right)\) no está sobre \(r\) como fácilmente se puede comprobar. La recta buscada vendrá determinada por \(P\) y el punto \(Q\) de intersección de \(r\) con el plano \(\pi\) que pasa por \(P\) y es perpendicular a \(r\) (ver figura siguiente).

5 ejercicios geometria 02

Dicho plano tiene por vector normal al vector director de \(r\), que es

\[\vec v = \left| {\begin{array}{*{20}{c}}
i&j&k\\
1&{ - 2}&1\\
2&0&1
\end{array}} \right| = \left( { - 2i + 2j} \right) - \left( { - 4k + j} \right) =  - 2i + j + 4k \Rightarrow \vec v = \left( { - 2,1,4} \right)\]

Por tanto, el plano \(\pi\) es de la forma \(\pi  \equiv  - 2x + y + 4z + D = 0\) e imponiendo que pasa por el punto \(P\left( {0,2,2} \right)\) obtenemos que \(D=10\), con lo que \(\pi  \equiv  - 2x + y + 4z - 10 = 0\).

Resolviendo el sistema \(r \equiv \left\{ \begin{array}{l}
x - 2y + z = 1\\
2x + z = 0
\end{array} \right.\) obtenemos las ecuaciones paramétricas y la ecuación vectorial de la recta \(r\). Es muy fácil deducir que, si llamamos \(z=\lambda\), entonces \(x =  - \frac{1}{2}\lambda\), \(y =  - \frac{1}{2} + \frac{1}{4}\lambda\), con lo que la ecuación vectorial de la recta \(r\) es:

\[r \equiv \left( {x,y,z} \right) = \left( {0, - \frac{1}{2},0} \right) + \lambda \left( { - \frac{1}{2},\frac{1}{4},1} \right)\]

Obsérvese que de aquí también se puede deducir que un vector director de \(r\) es \(\left( { - \frac{1}{2},\frac{1}{4},1} \right)\), y por tanto también lo será el vector \(\vec v = \left( { - 2,1,4} \right)\), por ser proporcional al anterior.

Si sustituimos las ecuaciones paramétricas de la recta \(r\) en la ecuación del plano tenemos:

\[- 2\left( { - \frac{1}{2}\lambda } \right) + \left( { - \frac{1}{2} + \frac{1}{4}\lambda } \right) + 4\lambda  - 10 = 0 \Rightarrow \frac{{21}}{4}\lambda  - \frac{{21}}{2} = 0 \Rightarrow \lambda  = 2\]

Por tanto, el punto \(Q\) es

\[Q\left( { - \frac{1}{2} \cdot 2, - \frac{1}{2} + \frac{1}{4} \cdot 2,2} \right) = Q\left( { - 1,0,2} \right)\]
La recta \(s\) que se pide y que pasa por \(P\left( {0,2,2} \right)\), se halla precisamente a partir de \(P\) y \(Q\), pues \(\overrightarrow {PQ}  = \left( { - 1, - 2,0} \right)\), de donde
\[s \equiv \left\{ \begin{array}{l}
x =  - \lambda \\
y = 2 - 2\lambda \\
z = 2
\end{array} \right.\]

Problema 3

Hallar la proyección \(r'\) de la recta \(r \equiv \frac{{x - 2}}{1} = \frac{{y - 1}}{2} = \frac{z}{{ - 1}}\) sobre el plano \(\pi  \equiv 2x - y + 3z + 6 = 0\).

Solución

La proyección \(P'\) de un punto \(P\) sobre el plano \(\pi\) (ver figura siguiente) es la intersección con el plano de la perpendicular a \(\pi\) trazada por el punto \(P\). La recta \(r'\), proyección de la recta \(r\) sobre \(\pi\), se obtiene hallando la proyección de dos puntos de \(r\); uno de ellos es el punto de corte \(M\) (caso de que \(r\) y \(\pi\) sean secantes).

5 ejercicios geometria 03

Las ecuaciones paramétricas de \(r\) son

\[r \equiv \left\{ \begin{array}{l}
x = 2 + \lambda \\
y = 1 + 2\lambda \\
z =  - \lambda
\end{array} \right.\]

Sustituyendo en la ecuación del plano resulta

\[2\left( {2 + \lambda } \right) - \left( {1 + 2\lambda } \right) + 3\left( { - \lambda } \right) + 6 = 0 \Rightarrow  - 3\lambda  + 9 = 0 \Rightarrow \lambda  = 3\]

Llevando \(\lambda\) a las ecuaciones paramétricas de \(r\) se tiene que \(M\left( {5,7, - 3} \right)\). Otro punto de la recta es claramente \(P\left( {2,1,0} \right)\). La ecuación de la recta que pasa por \(P\) y \(P'\), perpendicular a \(\pi\), tiene por vector director el vector normal del plano, que es \(\vec v = \left( {2, - 1,3} \right)\). Por tanto, las ecuaciones paramétricas de la recta que pasa por \(P\) y \(P'\) son las siguientes:

\[\left\{ \begin{array}{l}
x = 2 + 2\lambda \\
y = 1 - \lambda \\
z = 3\lambda
\end{array} \right.\]

El punto \(P'\) de corte con el plano lo hallamos de nuevo sustituyendo en la ecuación del plano:

\[2\left( {2 + 2\lambda } \right) - \left( {1 - \lambda } \right) + 3 \cdot 3\lambda  + 6 = 0 \Rightarrow 14\lambda  + 9 = 0 \Rightarrow \lambda  =  - \frac{9}{{14}}\]

De aquí se obtiene que \(P' = \left( {\frac{{10}}{{14}},\frac{{23}}{{14}}, - \frac{{27}}{{14}}} \right)\). Un vector director de \(r'\) (proyección de \(r\) sobre \(\pi\)) es \(\overrightarrow {MP'}  = \left( { - \frac{{60}}{{14}}, - \frac{{75}}{{14}},\frac{{15}}{{14}}} \right)\), con lo que también los será uno proporcional al anterior: \(\vec u = \left( {4,5, - 1} \right)\). Por consiguiente, las ecuaciones paramétricas de \(r'\) son:

\[r' \equiv \left\{ \begin{array}{l}
x = 5 + 4\lambda \\
y = 7 + 5\lambda \\
z =  - 3 - \lambda
\end{array} \right.\]

Problema 4

Hallar dos puntos, uno de cada una de las rectas

\[r \equiv \frac{{x + 2}}{{ - 5}} = \frac{{y - 2}}{4} = \frac{{z + 5}}{{ - 3}}\ ;\ s \equiv \left\{ \begin{array}{l}
x =  - \lambda \\
y = 3 + 2\lambda \\
z = 1 + \lambda
\end{array} \right.\]

de manera que la distancia entre ellos sea mínima. Calcula dicha distancia.

Solución

Tenemos las siguientes posibilidades.

  1. \(r\) y \(s\) se cortan en un punto. Entonces la distancia es cero y los puntos buscados coinciden: el punto de corte.
  2. \(r\) y \(s\) son paralelas (si son coincidentes cualquier punto es solución). En este caso hay infinitas soluciones (para cada punto \(A\) de \(r\) consideramos la recta perpendicular a \(r\), y por tanto perpendicular a \(s\), que pasa por \(A\). Esta recta cortará a \(s\) en un punto \(B\). Los puntos \(A\) y \(B\) son la solución al problema).
  3. \(r\) y \(s\) se cruzan. Entonces la solución es única y los puntos buscados son los puntos de intersección de la perpendicular común a \(r\) y a \(s\) con dichas rectas.

Sean \(P\left( { - 2,2, - 5} \right)\) y \(\vec v = \left( { - 5,4,3} \right)\) un punto y un vector director de \(r\); y sean \(Q\left( {0,3,1} \right)\) y \(\vec w = \left( { - 1,2,1} \right)\) un punto y un vector director de \(s\). La posición relativa de \(r\) y \(s\) se puede obtener calculando los rangos de las matrices formadas por \(\vec v\) y \(\vec w\) por un lado, y por \(\vec v\), \(\vec w\) y \(\overrightarrow {PQ}\), por otro. Es muy fácil comprobar que

\[r\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
{\vec v}\\
{\vec w}
\end{array}} \right) = r\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
{ - 5}&4&{ - 3}\\
{ - 1}&2&1
\end{array}} \right) = 2\ ;\ r\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
{\vec v}\\
{\vec w}\\
{\overrightarrow {PQ} }
\end{array}} \right) = r\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
{ - 5}&4&{ - 3}\\
{ - 1}&2&1\\
2&1&6
\end{array}} \right) = 3\]

Por tanto las rectas \(r\) y \(s\) se cruzan.

5 ejercicios geometria 04

El vector perpendicular a ambas rectas es

\[\vec u = \left| {\begin{array}{*{20}{c}}
i&j&k\\
{ - 5}&4&{ - 3}\\
{ - 1}&2&1
\end{array}} \right| = \left( {4i + 3j - 10k} \right) - \left( { - 4k - 5j - 6i} \right) = 10i + 8j - 6k \Rightarrow \vec u = \left( {10,8, - 6} \right)\]

Sea \(\pi\) el plano determinado por \(r\) y \(\vec u\):

\[\pi  \equiv \left\{ \begin{array}{l}
x =  - 2 - 5\lambda  + 10\mu \\
y = 2 + 4\lambda  + 8\mu \\
z =  - 5 - 3\lambda  - 6\mu
\end{array} \right.\]

Pasemos a la ecuación general:

\[\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{x + 2}&{ - 5}&{10}\\
{y - 2}&4&8\\
{z + 5}&{ - 3}&{ - 6}
\end{array}} \right| = \left( { - 24x - 48 - 40z - 200 - 30y + 60} \right) - \left( {40z + 200 + 30y - 60 - 24x - 48} \right) =\]

\[=  - 60y - 80z - 280 \Rightarrow \pi  \equiv 3y + 4z + 14 = 0\]

Para hallar \(B\) basta sustituir las ecuaciones paramétricas de \(s\):

\[3\left( {3 + 2\lambda } \right) + 4\left( {1 + \lambda } \right) + 14 = 0 \Rightarrow 10\lambda  + 27 = 0 \Rightarrow \lambda  =  - \frac{{27}}{{10}}\]

de donde

\[\left\{ \begin{array}{l}
x =  - \left( { - \frac{{27}}{{10}}} \right) = \frac{{27}}{{10}}\\
y = 3 + 2 \cdot \left( { - \frac{{27}}{{10}}} \right) =  - \frac{{24}}{{10}}\\
z = 1 + \left( { - \frac{{27}}{{10}}} \right) =  - \frac{{17}}{{10}}
\end{array} \right. \Rightarrow B = \left( {\frac{{27}}{{10}}, - \frac{{24}}{{10}}, - \frac{{17}}{{10}}} \right)\]

Análogamente se halla el plano \(\pi'\) determinado por \(s\) y \(\vec u\), y su intersección con la recta \(r\), que es el punto

\[A\left( {\frac{{31}}{{10}}, - \frac{{52}}{{25}}, - \frac{{97}}{{50}}} \right)\]

La distancia es

\[d\left( {A,B} \right) = \sqrt {{{\left( {\frac{{27}}{{10}} - \frac{{31}}{{10}}} \right)}^2} + {{\left( { - \frac{{24}}{{10}} + \frac{{52}}{{25}}} \right)}^2} + {{\left( { - \frac{{17}}{{10}} + \frac{{97}}{{50}}} \right)}^2}}  \cong 0,5656\]

Problema 5

Determinar los valores de \(a\) y \(b\) para que los planos

\[\begin{array}{l}
{\pi _1} \equiv x + 2y - z = 1\\
{\pi _2} \equiv 2x + y + az = 0\\
{\pi _3} \equiv 3x + 3y - 2z = b
\end{array}\]

pasen por una misma recta. Hallar el simétrico del punto \(\left( {0,0,0} \right)\) respecto a la recta común anterior.

Solución

Sean \(A\) y \(A|b\) la matriz de los coeficientes y la matriz ampliada del sistema formado por los tres planos:

\[A = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}
1&2&{ - 1}\\
2&1&a\\
3&3&{ - 2}
\end{array}} \right)\ ;\ A|b = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}
1&2&{ - 1}&1\\
2&1&a&0\\
3&3&{ - 2}&b
\end{array}} \right)\]

Para que los tres planos se corten según una recta, el sistema formado por las tres ecuaciones debe ser compatible indeterminado y para ello tanto el rango de \(A\) como el rango de \(A|b\) deben de ser igual a dos.

Por un lado, el determinante de la matriz de los coeficientes ha de ser igual a cero:

\[\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
1&2&{ - 1}\\
2&1&a\\
3&3&{ - 2}
\end{array}} \right| = \left( { - 2 + 6a - 6} \right) - \left( { - 3 - 8 + 3a} \right) \Rightarrow 3a + 3 = 0 \Rightarrow a =  - 1\]

Además, como \(\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
1&2\\
2&1
\end{array}} \right| \ne 0\), se tiene que para \(a=-1\), el rango de \(A\) es dos. Para que la matriz ampliada sea también de rango dos bastará que sea nulo el determinante que se obtiene de suprimir la tercera columna:

\[\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
1&2&1\\
2&1&0\\
3&3&b
\end{array}} \right| = \left( {b + 6} \right) - \left( {3 + 4b} \right) \Rightarrow  - 3b + 3 = 0 \Rightarrow b = 1\]

Así pues, si \(a=-1\) y \(b=1\), los planos se cortan en una misma recta \(r\) de ecuación general

\[r \equiv \left\{ \begin{array}{l}
x + 2y - z = 1\\
2x + y - z = 0
\end{array} \right.\]

Hemos suprimido la tercera ecuación que, para \(a=-1\) y \(b=1\), es combinación lineal de las dos primeras (de hecho, es la suma de ambas).

5 ejercicios geometria 05

Sea \(X = \left( {0,0,0} \right)\), y \(X'\left( {a,b,c} \right)\) el simétrico de \(X\) respecto de la recta \(r\). Entonces \(\overrightarrow {XX'}  = \left( {a,b,c} \right)\) debe ser perpendicular al vector director de \(r\). Además, un punto de \(r\) es el punto medio de \(X\) y \(X'\): \(P\left( {\frac{a}{2},\frac{b}{2},\frac{c}{2}} \right)\).

Un vector director de \(r\) es:

\[\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
i&j&k\\
1&2&{ - 1}\\
2&1&{ - 1}
\end{array}} \right| = \left( { - 2i - 2j + k} \right) - \left( {4k - j - i} \right) =  - i - j - 3k \Rightarrow \vec u = \left( { - 1, - 1, - 3} \right)\]

Como, según se ha dicho, \(\overrightarrow {XX'}  \bot \vec u\), entonces:

\[\overrightarrow {XX'}  \cdot \vec u = 0 \Rightarrow  - a - b - 3c = 0 \Rightarrow a + b + 3c = 0\]

Por otra parte, \(P\) debe satisfacer las ecuaciones de \(r\):

\[\left\{ \begin{array}{l}
\frac{a}{2} + 2\frac{b}{2} - \frac{c}{2} = 1\\
2\frac{a}{2} + \frac{b}{2} - \frac{c}{2} = 0
\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}
a + 2b - c = 2\\
2a + b - c = 0
\end{array} \right.\]

Finalmente \(X' = \left( {a,b,c} \right)\) se halla resolviendo el sistema

\[\left\{ \begin{array}{l}
a + b + 3c = 0\\
a + 2b - c = 2\\
2a + b - c = 0
\end{array} \right.\]

cuyas soluciones son \(a =  - \frac{8}{{11}}\), \(b = \frac{{14}}{{11}}\) y \(c =  - \frac{2}{{11}}\). Entonces \(X' = \left( { - \frac{8}{{11}},\frac{{14}}{{11}}, - \frac{2}{{11}}} \right)\).


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Leer más ...

Producto vectorial. Producto mixto de tres vectores. Aplicaciones

Producto vectorial

Para una lectura comprensiva de este artículo se recomienda leer antes este otro: "Proyecciones. Producto escalar de vectores. Aplicaciones".

Dados dos vectores de distinta dirección podemos construir, trasladando cada vector al extremo del otro, un paralelogramo. Fíjate en la figura siguiente

 producto vectorial 01

Su área es el producto de la base por la altura y, con un poco de trigonometría básica, tenemos:

\[A = \left| {\vec u} \right|h = \left| {\vec u} \right|\,\,\left| {\vec v} \right|{\rm{sen}}\,\alpha\]

El producto vectorial de dos vectores \(\vec u\) y \(\vec v\), que notaremos \(\vec u \times \vec v\) (en este orden), se define como otro vector que tiene por módulo el área del paralelogramo formado por ambos, por dirección la de la recta perpendicular al plano que contiene a este paralelogramo, y el sentido de girar desde \(\vec u\) hacia \(\vec v\) (regla del sacacorchos).

producto vectorial 02

Es conveniente insistir en que el producto vectorial de dos vectores \(\vec u = \left( {{u_1},{u_2},{u_3}} \right)\) y \(\vec v = \left( {{v_1},{v_2},{v_3}} \right)\), a diferencia del producto escalar, es un vector \(\vec w = \vec u \times \vec v\). Vamos a obtener a continuación la expresión analítica del vector \(\vec w = \left( {z,y,z} \right)\) que será de gran utilidad en la resolución de diversos tipos de problemas.

Como \(\vec u \bot \vec w\) y \(\vec v \bot \vec w\), entonces \(\vec u \cdot \vec w = 0\) y \(\vec v \cdot \vec w = 0\), con lo que podemos formar el siguiente sistema:

\[\left\{ \begin{array}{l}
{u_1}x + {u_2}y + {u_3}z = 0\\
{v_1}x + {v_2}y + {v_3}z = 0
\end{array} \right.\]

El sistema anterior es claramente compatible indeterminado ya que si suponemos que los vectores \(\vec u\) y \(\vec v\) tienen distinta dirección, el rango de la matriz \(\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}&{{u_3}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}&{{v_3}}
\end{array}} \right)\) es dos y el número de incógnitas es tres.

Vamos a resolver el sistema anterior. Para ello vamos a suponer, ya que el rango es dos, que el determinante de orden dos \(\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}
\end{array}} \right|\) es distinto de cero. Ahora llamamos \(z=\lambda\), con lo  que el sistema se convierte en

\[\left\{ \begin{array}{l}
{u_1}x + {u_2}y =  - {u_3}\lambda \\
{v_1}x + {v_2}y =  - {v_3}\lambda
\end{array} \right.\]

cuyas soluciones son, aplicando la regla de Cramer, las siguientes:

\[x = \frac{{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{ - {u_3}\lambda }&{{u_2}}\\
{ - {v_3}\lambda }&{{v_2}}
\end{array}} \right|}}{{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}
\end{array}} \right|}} =  - \lambda \frac{{\,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_3}}&{{u_2}}\\
{{v_3}}&{{v_2}}
\end{array}} \right|\,}}{{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}
\end{array}} \right|}} = \lambda \frac{{\,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_2}}&{{u_3}}\\
{{v_2}}&{{v_3}}
\end{array}} \right|\,}}{{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}
\end{array}} \right|}}\ ;\ y = \frac{{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{ - {u_3}\lambda }\\
{{v_1}}&{ - {v_3}\lambda }
\end{array}} \right|}}{{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}
\end{array}} \right|}} =  - \lambda \frac{{\,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_3}}\\
{{v_1}}&{{v_3}}
\end{array}} \right|{\kern 1pt} }}{{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}
\end{array}} \right|}}\ ;\ z=\lambda\]

Tomando \(\lambda  = \left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}
\end{array}} \right|\), las soluciones anteriores las podemos escribir así:

\[x = \left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_2}}&{{u_3}}\\
{{v_2}}&{{v_3}}
\end{array}} \right|\ ;\ y =  - \left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_3}}\\
{{v_1}}&{{v_3}}
\end{array}} \right|\ ;\ z = \left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}
\end{array}} \right|\]

Esto quiere decir que el producto vectorial de \(\vec u = \left( {{u_1},{u_2},{u_3}} \right)\) y \(\vec v = \left( {{v_1},{v_2},{v_3}} \right)\), \(\vec u \times \vec v\), es otro vector cuyas coordenadas son

\[\vec u \times \vec v = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_2}}&{{u_3}}\\
{{v_2}}&{{v_3}}
\end{array}} \right|, - \left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_3}}\\
{{v_1}}&{{v_3}}
\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}
\end{array}} \right|} \right)\]

Estas coordenadas coinciden exactamente con el desarrollo del siguiente determinante por los elementos de la primera fila:

\[\vec u \times \vec v = \left| {\begin{array}{*{20}{c}}
i&j&k\\
{{u_1}}&{{u_2}}&{{u_3}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}&{{v_3}}
\end{array}} \right|\]

La expresión anterior es fácil de recordar y usando la misma podemos hallar con facilidad las coordenadas del producto vectorial de dos vectores dados.

Algunas aplicaciones del producto vectorial

Distancia de un punto a una recta

Dados un punto \(P\) y una recta \(r\), se llama distancia de \(P\) a \(r\), que denotaremos \(d\left( {P,r} \right)\), a la distancia de \(P\) a \(M\), donde \(M\) es el punto de intersección de \(r\) con el plano que pasa por \(P\) y es perpendicular a \(r\). Si \(P\left( {{p_1},{p_2},{p_3}} \right)\) y la recta \(r\) tiene ecuaciones continuas \(r \equiv \frac{{x - {a_1}}}{{{u_1}}} = \frac{{y - {a_2}}}{{{u_2}}} = \frac{{z - {a_3}}}{{{u_3}}}\), entonces la distancia de   a   viene dada por:

\[d(P,\,\,r) = \frac{{\left| {\left( {{p_1} - {a_1},\,\,{p_2} - {a_2},\,\,{p_3} - {a_3}} \right) \times \left( {{u_1},\,\,{u_2},\,\,{u_3}} \right)} \right|}}{{\sqrt {{u_1}^2 + {u_2}^2 + {u_3}^2} }}\]

producto vectorial 03

Para demostrarlo sean \(M\left( {{m_1},\,\,{m_2},\,\,{m_3}} \right)\), \(\vec u = \left( {{u_1},\,\,{u_2},\,\,{u_3}} \right)\), y \(\overrightarrow {AP}\) el vector que une un punto cualquiera \(A\) de la recta con el punto \(P\): \(\overrightarrow {AP}  = \left( {{p_1} - {a_1},\,\,{p_2} - {a_2},\,\,{p_3} - {a_3}} \right)\). Hagamos el producto vectorial de ambos vectores y hallemos su módulo: \(\left| {\overrightarrow {AP}  \times \vec u} \right| = \left| {\overrightarrow {AP} } \right|\left| {\vec u} \right|\,{\rm{sen}}\,\alpha\). En la figura anterior se observa que la distancia buscada es \(d(P,r) = \left| {\overrightarrow {AP} } \right|{\rm{sen}}\,\alpha\), y sustituyendo en la expresión anterior tenemos \(\left| {\overrightarrow {AP}  \times \vec u} \right| = d(P,r)\left| {\vec u} \right|\), luego

\[d(P,r) = \frac{{\left| {\overrightarrow {AP}  \times \vec u} \right|}}{{\left| {\vec u} \right|}} = \frac{{\left| {\left( {{p_1} - {a_1},\,\,{p_2} - {a_2},\,\,{p_3} - {a_3}} \right) \times \left( {{u_1},\,\,{u_2},\,\,{u_3}} \right)} \right|}}{{\sqrt {{u_1}^2 + {u_2}^2 + {u_3}^2} }}\]

Distancia entre dos rectas paralelas

Se define esta distancia como la distancia de un punto de cualquiera de una recta a la otra. Así, si las rectas tienen ecuaciones continuas: \(r \equiv \frac{{x - {a_1}}}{{{u_1}}} = \frac{{y - {a_2}}}{{{u_2}}} = \frac{{z - {a_3}}}{{{u_3}}}\) y \(s \equiv \frac{{x - {b_1}}}{{{u_1}}} = \frac{{y - {b_2}}}{{{u_2}}} = \frac{{z - {b_3}}}{{{u_3}}}\) (obsérvese que, por ser paralelas, tienen el mismo vector director), basta aplicar la fórmula de la distancia del punto \(\left( {{a_1},\,\,{a_2},\,\,{a_3}} \right)\) a la segunda recta.

Área de un paralelogramo y de un triángulo

producto vectorial 04

Ya se ha comentado al principio que el módulo del producto vectorial de dos vectores es igual al área del paralelogramo correspondiente. En particular, dado un paralelogramo \(ABCD\) en el espacio, supongamos que las coordenadas de tres vértices son \(A\left( {{a_1},{a_2},{a_3}} \right)\), \(B\left( {{b_1},{b_2},{b_3}} \right)\) y \(C\left( {{c_1},{c_2},{c_3}} \right)\). Si llamamos \(S\) al área o superficie del paralelogramo, entonces:

\[\overrightarrow {AB}  \times \overrightarrow {AC}  = \left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{\overrightarrow i }&{\overrightarrow j }&{\overrightarrow k }\\
{{b_1} - {a_1}}&{{b_2} - {a_2}}&{{b_3} - {a_3}}\\
{{c_1} - {a_1}}&{{c_2} - {a_2}}&{{c_3} - {a_3}}
\end{array}} \right| \Rightarrow S = \left| {\overrightarrow {AB}  \times \overrightarrow {AC} } \right|\]

El área o superficie del triángulo será la mitad de la del paralelogramo (cualesquiera de las dos diagonales del paralelogramo dividen al mismo en dos triángulos de igual área). Por tanto la superficie \(S\) del triángulo, conocidos sus tres vértices \(A\), \(B\) y \(C\) es:

\[S = \frac{1}{2}\left| {\overrightarrow {AB}  \times \overrightarrow {AC} } \right|\]

Producto mixto de vectores

Dados tres vectores \(\vec u\), \(\vec v\) y \(\vec w\) se llama producto mixto de dichos vectores al número obtenido así:

\[\vec u \cdot \left( {\vec v \times \vec w} \right)\]

El producto mixto se denota así: \(\left( {\vec u,\vec v,\vec w} \right)\). Si las coordenadas de los vectores son \(\vec u = \left( {{u_1},{u_2},{u_3}} \right)\), \(\vec v = \left( {{v_1},{v_2},{v_3}} \right)\) y \(\vec w = \left( {{w_1},{w_2},{w_3}} \right)\), entonces:

\[\vec u \cdot \left( {\vec v \times \vec w} \right) = \left( {{u_1},\,\,{u_2},\,\,{u_3}} \right) \cdot \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_2}}&{{u_3}}\\
{{v_2}}&{{v_3}}
\end{array}} \right|, - \left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_3}}\\
{{v_1}}&{{v_3}}
\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}
\end{array}} \right|} \right)=\]

\[={u_1}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_2}}&{{u_3}}\\
{{v_2}}&{{v_3}}
\end{array}} \right| - {u_2}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_3}}\\
{{v_1}}&{{v_3}}
\end{array}} \right| + {u_3}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}
\end{array}} \right| = \left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}&{{u_3}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}&{{v_3}}\\
{{w_1}}&{{w_2}}&{{w_3}}
\end{array}} \right|\]

Por tanto, el producto mixto de tres vectores viene dado por la siguiente expresión:

\[\left( {\vec u,\,\,\vec v,\,\,\vec w} \right) = \vec u \cdot \left( {\vec v \times \vec w} \right) = \left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}&{{u_3}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}&{{v_3}}\\
{{w_1}}&{{w_2}}&{{w_3}}
\end{array}} \right|\]

El producto mixto se usa, por ejemplo, en el cálculo de volúmenes. A continuación vamos a deducir un par de fórmulas mediante las cuales podamos obtener el volumen de un tetraedro y el volumen de un paralelepípedo o prisma rectangular.

Volumen de un paralelepípedo o prisma rectangular

Observemos la siguiente figura

producto vectorial 05

Sabemos, por la definición de producto escalar que \(\vec u \cdot \left( {\vec v \times \vec w} \right) = \left| {\vec u} \right| \cdot \left| {\vec v \times \vec w} \right| \cdot \cos \alpha\). Pero, tal y como hemos visto, \(\left| {\vec u \times \vec w} \right|\), representa el área \(A\) sombreada en la figura anterior. Además, también tenemos que \(\cos \alpha  = \frac{h}{{\left| {\vec u} \right|}}\), con lo que \(h = \vec u \cdot \cos \alpha\), que representa la altura \(h\) del paralelepípedo dibujado. Resulta por consiguiente que

\[\vec u \cdot \left( {\vec v \times \vec w} \right) = \left| {\vec u} \right| \cdot \left| {\vec v \times \vec w} \right| \cdot \cos \alpha  = A \cdot h\]

Es decir, que el producto mixto \(\vec u \cdot \left( {\vec v \times \vec w} \right)\), representa geométricamente el volumen \(A\cdot h\) del paralelepípedo de lados \(\vec u\), \(\vec v\) y \(\vec w\). En coordenadas, si \(\vec u = \left( {{u_1},{u_2},{u_3}} \right)\), \(\vec v = \left( {{v_1},{v_2},{v_3}} \right)\) y \(\vec w = \left( {{w_1},{w_2},{w_3}} \right)\), el volumen \(V\) lo podemos expresar así:

\[V = \vec u \cdot \left( {\vec v \times \vec w} \right) = \left( {\vec u,\vec v,\vec w} \right) = \left| {\,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}&{{u_3}}\\
{{v_1}}&{{v_2}}&{{v_3}}\\
{{w_1}}&{{w_2}}&{{w_3}}
\end{array}} \right|\,} \right|\]

Obsérvese que escribimos valor absoluto para asegurarnos de que el volumen es positivo.

Si lo que conocemos son los vértices \(A\left( {{a_1},\,\,{a_2},\,\,{a_3}} \right)\), \(B\left( {{b_1},\,\,{b_2},\,\,{b_3}} \right)\), \(C\left( {{c_1},\,\,{c_2},\,\,{c_3}} \right)\) y \(D\left( {{d_1},\,\,{d_2},\,\,{d_3}} \right)\), del prisma rectangular de tal manera que \(\overrightarrow {AB}  = \vec u\), \(\overrightarrow {AC}  = \vec v\) y \(\overrightarrow {AD}  = \vec w\), entonces la fórmula del volumen \(V\) del paralelepípedo viene dada por

\[V = \left| {\,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{b_1} - {a_1}}&{{b_2} - {a_2}}&{{b_3} - {a_3}}\\
{{c_1} - {a_1}}&{{c_2} - {a_2}}&{{c_3} - {a_3}}\\
{{d_1} - {a_1}}&{{d_2} - {a_2}}&{{d_3} - {a_3}}
\end{array}} \right|\,} \right|\]

Volumen de un tetraedro

Sean \(A\left( {{a_1},\,\,{a_2},\,\,{a_3}} \right)\), \(B\left( {{b_1},\,\,{b_2},\,\,{b_3}} \right)\), \(C\left( {{c_1},\,\,{c_2},\,\,{c_3}} \right)\) y \(D\left( {{d_1},\,\,{d_2},\,\,{d_3}} \right)\) cuatro puntos del espacio. Al unirlos entre sí de todas las maneras posibles, determinan un tetraedro cuyo volumen \(V\) es igual a la sexta parte del valor absoluto del producto mixto \(\left( {\overrightarrow {AB} ,\,\,\overrightarrow {AC} \,\,\overrightarrow {AD} } \right)\), es decir:

\[V = \frac{1}{6}\,\,\left| {\,\,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{b_1} - {a_1}}&{{b_2} - {a_2}}&{{b_3} - {a_3}}\\
{{c_1} - {a_1}}&{{c_2} - {a_2}}&{{c_3} - {a_3}}\\
{{d_1} - {a_1}}&{{d_2} - {a_2}}&{{d_3} - {a_3}}
\end{array}} \right|\,\,} \right|\]

La demostración se basa en que el volumen de un tetraedro es la tercera parte del área de la base por la altura:

\[V = \frac{1}{3}\left( {{\rm{Área}}\,ACD} \right) \cdot h\]

producto vectorial 06

Por un lado, el área del triángulo \(ACD\) sabemos que es igual a \(\frac{1}{2}\left| {\overrightarrow {AC}  \times \overrightarrow {AD} } \right|\) y, por otro (ver figura anterior), \({\rm{sen}}\,\alpha  = \frac{h}{{\left| {\overrightarrow {AB} } \right|}}\), es decir, \(h = \left| {\overrightarrow {AB} } \right|\,{\rm{sen}}\,\alpha  = \left| {\overrightarrow {AB} } \right|\cos \left( {\frac{\pi }{2} - \alpha } \right)\). Sustituyendo estos valores en la fórmula del volumen tenemos:

\[V = \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{2}\left| {\overrightarrow {AC}  \times \overrightarrow {AD} } \right| \cdot \left| {\overrightarrow {AB} } \right|\,\cos \left( {\frac{\pi }{2} - \alpha } \right) =\]

\[=\frac{1}{6}\overrightarrow {AB}  \cdot \left( {\overrightarrow {AC}  \times \overrightarrow {AD} } \right) = \frac{1}{6}\left( {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} ,\overrightarrow {AD} } \right) = \frac{1}{6}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{{b_1} - {a_1}}&{{b_2} - {a_2}}&{{b_3} - {a_3}}\\
{{c_1} - {a_1}}&{{c_2} - {a_2}}&{{c_3} - {a_3}}\\
{{d_1} - {a_1}}&{{d_2} - {a_2}}&{{d_3} - {a_3}}
\end{array}} \right|\]

Según el orden en que tomemos los vectores ese determinante puede salir positivo o negativo. Por lo tanto, para que el volumen sea positivo, en la fórmula pondremos el valor absoluto del determinante.


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Proyecciones. Producto escalar de vectores. Aplicaciones

Proyecciones

La proyección de un punto \(A\) sobre una recta \(r\) es el punto \(B\) donde la recta perpendicular a \(r\) que pasa por \(A\) corta a la recta \(r\). Con un dibujo se entiende muy bien.

producto escalar 01

La proyección de un segmento \(\overline {AB}\) sobre una recta \(r\) es otro segmento \(\overline {CD}\) contenido en la recta \(r\), cuyos extremos son, respectivamente, las proyecciones de los puntos \(A\) y \(B\) sobre la recta \(r\). Veámoslo con otro dibujo.

producto escalar 02

Un vector es un segmento orientado. Por tanto, la proyección de un vector \(\vec u\) sobre una recta se hace, tal y como hemos visto anteriormente, exactamente igual que la proyección de un segmento sobre una recta.

Se define la proyección de un vector \(\vec u\) sobre un vector \(\vec v\) como la proyección del vector \(\vec u\) sobre la recta que contiene al vector \(\vec v\). A la proyección de un vector \(\vec u\) sobre un vector \(\vec v\) la notaremos \({p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right)\).

producto escalar 03

En la figura anterior se ha realizado la proyección de un vector \(\vec v\) sobre un vector \(\vec u\). Como se puede observar, la proyección es la misma si hacemos coincidir el origen de ambos vectores. Evidentemente, la proyección del vector \(\vec v\) sobre el vector \(\vec u\) no es la misma que la proyección del vector \(\vec u\) sobre el vector \(\vec v\): \({p_{\vec u}}\left( {\vec v} \right) \ne {p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right)\) (ver figura siguiente).

producto escalar 04

Obsérvese también que todo par de vectores \(\vec u\) y \(\vec v\) forman entre sí un ángulo \(\alpha\). Recordando que a la longitud o módulo de un vector \(\vec u\) la denotamos por \(|\vec u|\), y haciendo uso de trigonometría básica (razones trigonométricas en un triángulo rectángulo), podemos escribir, si nos fijamos en las dos figuras anteriores, las dos siguientes relaciones:

\[\cos \alpha  = \frac{{{p_{\vec u}}\left( {\vec v} \right)}}{{\left| {\vec v} \right|}} \Rightarrow {p_{\vec u}}\left( {\vec v} \right) = \left| {\vec v} \right|\cos \alpha\quad;\quad\cos \alpha  = \frac{{{p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right)}}{{\left| {\vec u} \right|}} \Rightarrow {p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right) = \left| {\vec u} \right|\cos \alpha\qquad(1)\]

Producto escalar de vectores

El producto escalar de vectores está íntimamente relacionado con la proyección de un vector sobre otro. De hecho, se define el producto escalar de dos vectores como el producto del módulo de uno de ellos, por la proyección del otro sobre el primero. Es decir:

\[\vec u \cdot \vec v = \left| {\vec u} \right|{p_{\vec u}}\left( {\vec v} \right)\quad;\quad\vec u \cdot \vec v = \left| {\vec v} \right|{p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right)\qquad(2)\]

Obsérvese que si el vector sobre el que hacemos la proyección tiene longitud o módulo igual a uno, entonces el producto escalar es justamente la proyección. De este modo:

\[\left| {\vec u} \right| = 1 \Rightarrow \vec u \cdot \vec v = {p_{\vec u}}\left( {\vec v} \right)\quad;\quad\left| {\vec v} \right| = 1 \Rightarrow \vec u \cdot \vec v = {p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right)\]

Es más habitual definir el producto escalar de dos vectores de la siguiente manera:

\[\vec u \cdot \vec v = \left| {\vec u} \right|\left| {\vec v} \right|\cos \alpha\qquad(3)\]

donde lo único que se ha hecho es sustituir en \((2)\) las relaciones dadas en \((1)\).

Propiedades del producto escalar de vectores

El producto escalar de dos vectores es un número real (por eso recibe el nombre de escalar). Además, el producto escalar de dos vectores es, a la vista de la fórmula (3), claramente conmutativo. Esto nos lleva, por (2), a que la razón entre los módulos de dos vectores es igual a la razón entre sus proyecciones:

\[\left| {\vec u} \right|{p_{\vec u}}\left( {\vec v} \right) = \left| {\vec v} \right|{p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right) \Leftrightarrow \frac{{\left| {\vec u} \right|}}{{\left| {\vec v} \right|}} = \frac{{{p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right)}}{{{p_{\vec u}}\left( {\vec v} \right)}}\]

De aquí se deduce que módulos iguales y proyecciones iguales son cosas equivalentes (como es natural):

\[\left| {\vec u} \right| = \left| {\vec v} \right| \Leftrightarrow \frac{{\left| {\vec u} \right|}}{{\left| {\vec v} \right|}} = 1 \Leftrightarrow 1 = \frac{{{p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right)}}{{{p_{\vec u}}\left( {\vec v} \right)}} \Leftrightarrow {p_{\vec u}}\left( {\vec v} \right) = {p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right)\]

El producto escalar de un vector por sí mismo es igual a su módulo al cuadrado, pues el ángulo de un vector consigo mismo es cero. O bien porque la proyección de un vector sobre sí mismo es igual a la longitud o módulo de ese vector.

\[\vec u \cdot \vec u = \left| {\vec u} \right|\left| {\vec u} \right|\cos 0 = {\left| {\vec u} \right|^2}\quad;\quad\vec u \cdot \vec u = \left| {\vec u} \right|{p_{\vec u}}\left( {\vec u} \right) = \left| {\vec u} \right|\left| {\vec u} \right| = {\left| {\vec u} \right|^2}\qquad(4)\]

El producto escalar de dos vectores perpendiculares es igual a cero, ya que el coseno de un ángulo recto es cero. O bien porque la proyección de uno sobre el otro es un punto, que tiene longitud cero.

\[\vec u \bot \vec v \Rightarrow \vec u \cdot \vec v = \left| {\vec u} \right|\left| {\vec v} \right|\cos 90 = 0\quad;\quad\vec u \bot \vec v \Rightarrow \vec u \cdot \vec v = \left| {\vec u} \right|{p_{\vec u}}\left( {\vec v} \right) = \left| {\vec u} \right| \cdot 0 = 0\]

Recíprocamente, si el producto escalar de dos vectores no nulos es cero, entonces los vectores son perpendiculares.

\[\vec u,\vec v \ne 0\,\,,\,\,\vec u \cdot \vec v = 0 \Rightarrow \left| {\vec u} \right|\left| {\vec v} \right|\cos \alpha  = 0 \Rightarrow \cos \alpha  = 0 \Rightarrow \alpha  = 90 \Rightarrow \vec u \bot \vec v\]

Observa ahora la siguiente figura.

producto escalar 05

De ella se deduce que la proyección de la suma de dos vectores sobre otro es igual a la suma de las proyecciones de los dos vectores por separado. Entonces, usando la fórmula (2):

\[\vec u \cdot \left( {\vec v + \vec w} \right) = \left| {\vec u} \right|{p_{\vec u}}\left( {\vec v + \vec w} \right) = \left| {\vec u} \right|\left( {{p_{\vec u}}\left( {\vec v} \right) + {p_{\vec u}}\left( {\vec w} \right)} \right) = \left| {\vec u} \right|{p_{\vec u}}\left( {\vec v} \right) + \left| {\vec u} \right|{p_{\vec u}}\left( {\vec w} \right) = \vec u \cdot \vec v + \vec u \cdot \vec w\]

Lo que demuestra que el producto escalar cumple la propiedad distributiva respecto de la suma de vectores.

Una última propiedad del producto escalar es la llamada asociativa mixta, que relaciona el producto de números reales con el producto escalar:

\[k\left( {\vec u \cdot \vec v} \right) = k\left( {\left| {\vec u} \right|{p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right)} \right) = \left( {k\left| {\vec u} \right|} \right){p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right) = \left| {k\vec u} \right|{p_{\vec v}}\left( {\vec u} \right) = \left( {k\vec u} \right) \cdot \vec v\]

Fijemos ahora en el espacio vectorial \(\mathbb{R}^3\) un sistema de referencia ortonormal \(\left\{ {O\,;\,\left\{ {{\rm{i}}\,{\rm{,}}\,{\rm{j}}\,{\rm{,}}\,{\rm{k}}} \right\}} \right\}\), es decir, un origen de coordenadas en \(O\left( {0,0,0} \right)\), y una base de vectores \(\left\{ {{\rm{i}}\,{\rm{,}}\,{\rm{j}}\,{\rm{,}}\,{\rm{k}}} \right\}\) de módulo uno y perpendiculares dos a dos. Observemos que el producto escalar de dos vectores distintos de la base es cero, y que el producto escalar de un vector de la base consigo mismo es igual a uno.

\[{\rm{i}} \cdot {\rm{j}} = {\rm{i}} \cdot {\rm{k}} = {\rm{j}} \cdot {\rm{k}} = 0\ ;\ {\rm{i}} \cdot {\rm{i}} = {\left| {\rm{i}} \right|^2} = 1\ ;\ {\rm{j}} \cdot {\rm{j}} = {\left| {\rm{j}} \right|^2} = 1\ ;\ {\rm{k}} \cdot {\rm{k}} = {\left| {\rm{k}} \right|^2} = 1\]

Entonces, dados dos vectores \(\vec u\) y \(\vec v\), los podemos escribir como combinación lineal de los vectores de la base, es decir, existen \({u_1},{u_2},{u_3} \in \mathbb{R}\), \({v_1},{v_2},{v_3} \in \mathbb{R}\) tales que

\[\vec u = {u_1}{\rm{i}} + {u_2}{\rm{j}} + {u_3}{\rm{k}}\ ,\ \vec v = {v_1}{\rm{i}} + {v_2}{\rm{j}} + {v_3}{\rm{k}}\]

O lo que es lo mismo, un sistema de referencia nos permite escribir los vectores \(\vec u\) y \(\vec v\) en coordenadas respecto de la base:

\[\vec u = \left( {{u_1},{u_2},{u_3}} \right)\ ,\ \vec v = \left( {{v_1},{v_2},{v_3}} \right)\]

Vamos a hacer uso de la propiedad distributiva y de la asociativa mixta para obtener la expresión del producto escalar en función de las coordenadas de los vectores.

\[\vec u \cdot \vec v = \left( {{u_1}{\rm{i}} + {u_2}{\rm{j}} + {u_3}{\rm{k}}} \right) \cdot \left( {{v_1}{\rm{i}} + {v_2}{\rm{j}} + {v_3}{\rm{k}}} \right) =\]

\[= \left( {{u_1}{\rm{i}}} \right) \cdot \left( {{v_1}{\rm{i}}} \right) + \left( {{u_1}{\rm{i}}} \right) \cdot \left( {{v_2}{\rm{j}}} \right) + \left( {{u_1}{\rm{i}}} \right) \cdot \left( {{v_3}{\rm{k}}} \right) + \]

\[+ \left( {{u_2}{\rm{j}}} \right) \cdot \left( {{v_1}{\rm{i}}} \right) + \left( {{u_2}{\rm{j}}} \right) \cdot \left( {{v_2}{\rm{j}}} \right) + \left( {{u_2}{\rm{j}}} \right) \cdot \left( {{v_3}{\rm{k}}} \right) +\]

\[+ \left( {{u_3}{\rm{k}}} \right) \cdot \left( {{v_1}{\rm{i}}} \right) + \left( {{u_3}{\rm{k}}} \right) \cdot \left( {{v_2}{\rm{j}}} \right) + \left( {{u_3}{\rm{k}}} \right) \cdot \left( {{v_3}{\rm{k}}} \right) = \]

\[= \left( {{u_1}{v_1}} \right)\left( {{\rm{i}} \cdot {\rm{i}}} \right) + \left( {{u_1}{v_2}} \right)\left( {{\rm{i}} \cdot {\rm{j}}} \right) + \left( {{u_1}{v_3}} \right)\left( {{\rm{i}} \cdot {\rm{k}}} \right) + \]

\[+ \left( {{u_2}{v_1}} \right)\left( {{\rm{j}} \cdot {\rm{i}}} \right) + \left( {{u_2}{v_2}} \right)\left( {{\rm{j}} \cdot {\rm{j}}} \right) + \left( {{u_2}{v_3}} \right)\left( {{\rm{j}} \cdot {\rm{k}}} \right) + \]

\[+ \left( {{u_3}{v_1}} \right)\left( {{\rm{k}} \cdot {\rm{i}}} \right) + \left( {{u_3}{v_2}} \right)\left( {{\rm{k}} \cdot {\rm{j}}} \right) + \left( {{u_3}{v_3}} \right)\left( {{\rm{k}} \cdot {\rm{k}}} \right)\]

Seis de los nueve términos anteriores son cero pues los vectores de la base del sistema de referencia son perpendiculares. Además, el producto escalar de un elemento de la base consigo mismo es igual a uno. Por tanto:

\[\vec u \cdot \vec v = {u_1}{v_1} + {u_2}{v_2} + {u_3}{v_3}\qquad (5)\]

Ahora también podemos escribir el módulo de un vector dependiendo de sus coordenadas:

\[{\left| {\vec u} \right|^2} = \vec u \cdot \vec u \Rightarrow \left| {\vec u} \right| =  + \sqrt {\vec u \cdot \vec u}  \Rightarrow \left| {\vec u} \right| =  + \sqrt {u_1^2 + u_2^2 + u_3^2}\]

Algunas aplicaciones del producto escalar de vectores

Ángulo de dos rectas

De la definición de producto escalar de dos vectores podemos deducir el ángulo que forman ambos.

\[\vec u \cdot \vec v = \left| {\vec u} \right|\,\,\left| {\vec v} \right|\cos \alpha  \Rightarrow \cos \alpha  = \frac{{\vec u \cdot \vec v}}{{\left| {\vec u} \right|\,\,\left| {\vec v} \right|}} \Rightarrow \cos \alpha  = \frac{{{u_1}{v_1} + {u_2}{v_2} + {u_3}{v_3}}}{{\sqrt {u_1^2 + u_2^2 + u_3^2} \sqrt {v_1^2 + v_2^2 + v_3^2} }}\]

Si se trata de dos rectas, el ángulo formado entre ellas será el mismo que el que formen sus vectores directores.

Es posible que al hacer los cálculos el valor de   salga positivo o bien su valor sea negativo. En el primer caso el ángulo obtenido es agudo, y en el segundo es obtuso. Por convenio tomaremos como ángulo entre dos vectores o entre dos rectas el ángulo agudo. Para ello reescribiremos nuestra fórmula así:

\[\cos \alpha  = \frac{{\left| {{u_1}{v_1} + {u_2}{v_2} + {u_3}{v_3}} \right|}}{{\sqrt {u_1^2 + u_2^2 + u_3^2} \sqrt {v_1^2 + v_2^2 + v_3^2} }}\]

Al tomar el valor absoluto en el numerador, el valor de \(\cos\alpha\) siempre será positivo y, por tanto, \(\alpha\) será un ángulo agudo.

Observemos también que dos vectores serán perpendiculares (o dos rectas serán perpendiculares) cuando \(\cos\alpha=0\), es decir, cuando \({u_1}{v_1} + {u_2}{v_2} + {u_3}{v_3} = 0\). Simbólicamente:

\[r \bot s \Leftrightarrow \vec u \bot \vec v \Leftrightarrow \vec u \cdot \vec v = 0 \Leftrightarrow {u_1}{v_1} + {u_2}{v_2} + {u_3}{v_3} = 0\]

Vector perpendicular a un plano

Un vector \(\vec u\) es perpendicular a un plano \(\pi\) cuando \(\vec u\) es perpendicular a cualquier vector contenido en \(\pi\).

producto escalar 06

Dado el plano \(\pi\) de ecuación \(Ax + By + Cz + D = 0\) se tiene que \(\vec u = \left( {A,B,C} \right)\) son las coordenadas del un vector perpendicular al plano. Es decir: \(\vec u = \left( {A,B,C} \right) \bot \pi\).

Para demostrar que lo anterior es cierto se toman dos puntos cualesquiera \(M\left( {{m_1},{m_2},{m_3}} \right)\) y \(P\left( {{p_1},{p_2},{p_3}} \right)\) del plano \(\pi\), y efectuamos el producto escalar del vector \(\vec u = \left( {A,B,C} \right)\) con el vector \(\overrightarrow {MP}\). Si el resultado es cero, entonces \(\vec u \bot \overrightarrow {MP}\), con lo que \(\vec u \bot \pi\).

\[\vec u \cdot \overrightarrow {MP}  = \left( {A,B,C} \right) \cdot \left( {{p_1} - {m_1},{p_2} - {m_2},{p_3} - {m_3}} \right) = A\left( {{p_1} - {m_1}} \right) + B\left( {{p_2} - {m_2}} \right) + C\left( {{p_3} - {m_3}} \right) =\]

\[= \left( {A{p_1} + B{p_2} + C{p_3}} \right) - \left( {A{m_1} + B{m_2} + C{m_3}} \right) =  - D - \left( { - D} \right) = 0\]

La última igualdad es cierta porque tanto \(M\left( {{m_1},{m_2},{m_3}} \right)\) como \(P\left( {{p_1},{p_2},{p_3}} \right)\) son puntos del plano \(\pi\).

Ángulo de dos planos

Dados dos planos \(\pi\) y \(\pi'\), el ángulo formado por ambos es el que forman dos vectores contenidos en cada uno de los planos respectivos que sean perpendiculares a la recta intersección de los dos planos, es decir, el ángulo de los dos planos es el formado por los vectores \(\vec v\) y \(\vec v'\) de la figura.

Si \(\vec u\) y \(\vec u'\) son dos vectores perpendiculares a cada uno de los planos respectivos, podemos observar que el ángulo que forman  \(\vec u\) y \(\vec u'\) es el mismo que el de \(\vec v\) y \(\vec v'\).

producto escalar 07

Por lo tanto, si las ecuaciones de ambos planos son \(\pi  \equiv Ax + By + Cz + D = 0\) y \(\pi ' \equiv A'x + B'y + C'z + D' = 0\), entonces los vectores \(\vec u = \left( {A,B,C} \right)\) y \(\vec u' = \left( {A',B',C'} \right)\) son perpendiculares a los planos respectivos, luego:

\[\cos \alpha  = \frac{{\left| {AA' + BB' + CC'} \right|}}{{\sqrt {{A^2} + {B^2} + {C^2}} \sqrt {A'{\,^2} + B'{\,^2} + C'{\,^2}} }}\]

Hemos tomado valor absoluto para obtener el ángulo agudo.

En particular dos planos serán perpendiculares cuando \(\cos\alpha=0\), es decir, cuando \(AA' + BB' + CC' = 0\):

\[\pi  \bot \pi ' \Leftrightarrow \vec u \bot \vec u' \Leftrightarrow \vec u \cdot \vec u' = 0 \Leftrightarrow AA' + BB' + CC' = 0\]

Ángulo entre recta y plano

Dada una recta \(r\) y un plano \(\pi\), el ángulo formado por ambos es aquel que forman \(r\) y \(r'\), donde \(r'\) es la proyección ortogonal de \(r\) sobre \(\pi\). La recta \(r'\) se obtiene como intersección de \(\pi\) con el plano que contiene a la recta \(r\) y es perpendicular a \(\pi\).

producto escalar 08

Si \(\vec v\) y \(\vec v'\) son dos vectores de \(r\) y \(r'\), el ángulo formado por \(r\) y \(\pi\) es el que forman \(\vec v\) y \(\vec v'\). Si \(\vec u\) es un vector perpendicular a \(\pi\), ese ángulo es complementario del formado por \(\vec u\) y \(\vec v\). Por lo tanto, si las ecuaciones de la recta son \(r \equiv \frac{{x - {a_1}}}{{{v_1}}} = \frac{{y - {a_2}}}{{{v_2}}} = \frac{{z - {a_3}}}{{{v_3}}}\), y la ecuación general o implícita del plano es \(\pi  \equiv Ax + By + Cz + D = 0\), tenemos que \(\text{sen}\,\alpha  = \cos \left( {\frac{\pi }{2} - \alpha } \right)\), luego

\[\text{sen}\,\alpha  = \frac{{\left| {A{v_1} + B{v_2} + C{v_3}} \right|}}{{\sqrt {{A^2} + {B^2} + {C^2}} \sqrt {{v_1}^2 + {v_2}^2 + {v_3}^2} }}\]

Distancia de un punto a un plano, distancia entre dos planos paralelos y distancia entre una recta y un plano paralelos

Dados un punto \(P\) y un plano \(\pi\), se llama distancia de \(P\) a \(\pi\), \(d(P,\pi)\), a la distancia de \(P\) a \(M\), donde \(M\) es el punto de intersección de \(\pi\) con la recta que pasa por \(P\) y es perpendicular a \(\pi\).

producto escalar 09

Supongamos que el punto \(P\) tiene coordenadas \(P\left( {{p_1},\,\,{p_2},\,\,{p_3}} \right)\) y que el plano \(\pi\) tiene ecuación implícita \(\pi  \equiv Ax + By + Cz + D = 0\). Entonces la distancia de \(P\) a \(\pi\) viene dada por:

\[d\left( {P,\pi } \right) = \frac{{\left| {A{p_1} + B{p_2} + C{p_3} + D} \right|}}{{\sqrt {{A^2} + {B^2} + {C^2}} }}\]

Para demostrarlo supongamos que \(M\left( {{m_1},\,\,{m_2},\,\,{m_3}} \right)\), \(\overrightarrow {MP}  = \left( {{p_1} - {m_1},\,\,{p_2} - {m_2},\,\,{p_3} - {m_3}} \right)\) y que \(\vec u = \left( {A,B,C} \right)\) es el vector perpendicular al plano. Obviamente \(d\left( {P,\,\,\pi } \right) = \left| {\overrightarrow {MP} } \right|\).

Pero, por un lado

\[\vec u \cdot \overrightarrow {MP}  = A\left( {{p_1} - {m_1}} \right) + B\left( {{p_2} - {m_2}} \right) + C\left( {{p_3} - {m_3}} \right)\]

y, por otro,

\[\vec u \cdot \overrightarrow {MP}  = \left| {\vec u} \right|\left| {\overrightarrow {MP} } \right|\cos \alpha  = \sqrt {{A^2} + {B^2} + {C^2}} \left| {\overrightarrow {MP} } \right|\left( { \pm 1} \right)\]

(el ángulo \(\alpha\) que forman \(\vec u\) y \(\overrightarrow {MP}\) es \(0\) o \(180\)).

Entonces, igualando ambas expresiones:

\[\pm \sqrt {{A^2} + {B^2} + {C^2}} \left| {\overrightarrow {MP} } \right| = A\left( {{p_1} - {m_1}} \right) + B\left( {{p_2} - {m_2}} \right) + C\left( {{p_3} - {m_3}} \right) \Rightarrow\]

\[\Rightarrow \left| {\overrightarrow {MP} } \right| =  \pm \frac{{A\left( {{p_1} - {m_1}} \right) + B\left( {{p_2} - {m_2}} \right) + C\left( {{p_3} - {m_3}} \right)}}{{\sqrt {{A^2} + {B^2} + {C^2}} }} =  \pm \frac{{A{p_1} + B{p_2} + C{p_3} - \left( {A{m_1} + B{m_2} + C{m_3}} \right)}}{{\sqrt {{A^2} + {B^2} + {C^2}} }}\]

Pero \(M \in \pi\), por lo que

\[A{m_1} + B{m_2} + C{m_3} + D = 0 \Rightarrow A{m_1} + B{m_2} + C{m_3} =  - D \Rightarrow \left| {\overrightarrow {MP} } \right| =  \pm \frac{{A{p_1} + B{p_2} + C{p_3} + D}}{{\sqrt {{A^2} + {B^2} + {C^2}} }}\]

y como la distancia es siempre un número no negativo, entonces

\[\left| {\overrightarrow {MP} } \right| = d(P,\pi ) = \frac{{\left| {A{p_1} + B{p_2} + C{p_3} + D} \right|}}{{\sqrt {{A^2} + {B^2} + {C^2}} }}\]

Si dos planos son paralelos la distancia entre ambos será la distancia de un punto cualquiera de uno de ellos al otro. Del mismo modo, si una recta un plano son paralelos, la distancia de la recta al plano será la distancia de un punto cualquiera de la recta al plano.


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Sistemas de dos ecuaciones lineales de primer grado con tres incógnitas

Un sistema de dos ecuaciones lineales de primer grado con tres incógnitas tiene la siguiente forma

\[\left\{ \begin{array}{l}
Ax + By + Cz + D = 0\\
A'x + B'y + C'z + D = 0
\end{array} \right.\qquad(1)\]

Ya sabemos que una ecuación lineal de primer grado con tres incógnitas es, desde el punto de vista geométrico, un plano en el espacio. En este caso tenemos dos en su forma general:

\[\pi  \equiv Ax + By + Cz + D = 0\quad \text{;}\quad \pi ' \equiv A'x + B'y + C'z + D' = 0\]

Las posibles posiciones relativas de dos planos en el espacio son tres: coincidentes, paralelos y secantes. Utilizaremos el teorema de Rouché para interpretar las soluciones del sistema e identificarlas con la posición relativa correspondiente.

Sean pues, respectivamente,

\[\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
A&B&C\\
{A'}&{B'}&{C'}
\end{array}} \right)\quad\text{;}\quad\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
A&B&C&{ - D}\\
{A'}&{B'}&{C'}&{ - D'}
\end{array}} \right)\]

la matriz de los coeficientes y la matriz ampliada del sistema (1). Como hay tres incógnitas escribiremos \(n=3\). Veamos ahora los casos que se pueden presentar.

Caso 1

\[{\rm{rango}}\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
A&B&C\\
{A'}&{B'}&{C'}
\end{array}} \right) = {\rm{rango}}\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
A&B&C&{ - D}\\
{A'}&{B'}&{C'}&{ - D'}
\end{array}} \right) = 1 < 3 = n\]

El sistema es compatible indeterminado. Es decir, existen infinitas soluciones. En este caso las filas son proporcionales, con lo que los dos planos serán coincidentes. La condición pues para que esto ocurra es

\[\pi  \equiv \pi ' \Leftrightarrow \frac{A}{{A'}} = \frac{B}{{B'}} = \frac{C}{{C'}} = \frac{D}{{D'}}\]

Caso 2

\[{\rm{rango}}\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
A&B&C\\
{A'}&{B'}&{C'}
\end{array}} \right) = 1 \ne {\rm{rango}}\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
A&B&C&{ - D}\\
{A'}&{B'}&{C'}&{ - D'}
\end{array}} \right) = 2\]

El sistema no tiene solución, con lo que los planos serán paralelos. En este caso las filas de la matriz de los coeficientes son proporcionales, pero no lo son las de la matriz ampliada. Por tanto es fácil deducir que la condición para que los dos planos sean paralelos es la siguiente:

\[\pi\, |\,|\,\pi ' \Leftrightarrow \frac{A}{{A'}} = \frac{B}{{B'}} = \frac{C}{{C'}} \ne \frac{D}{{D'}}\]

Caso 3

\[{\rm{rango}}\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
A&B&C\\
{A'}&{B'}&{C'}
\end{array}} \right) = {\rm{rango}}\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
A&B&C&{ - D}\\
{A'}&{B'}&{C'}&{ - D'}
\end{array}} \right) = 2 < 3 = n\]

El sistema vuelve a ser compatible indeterminado. Es decir, hay infinitas soluciones. La única posibilidad es que estas soluciones, al ser el rango dos y no ser las filas proporcionales, estén sobre la recta donde se cortan ambos planos. En este caso los planos son secantes según una recta: \(\pi  \cap \pi ' = r\). Las soluciones, o lo que es lo mismo, la recta de corte de ambos planos, se puede obtener hallando las soluciones del sistema (que dependerán de un parámetro). De este modo obtendríamos las ecuaciones paramétricas de la recta. De hecho, si los planos son secantes según una recta \(r\), al conjunto de las dos ecuaciones del sistema se les llama ecuaciones implícitas de la recta:

\[r \equiv \left\{ \begin{array}{l}
Ax + By + Cz + D = 0\\
A'x + B'y + C'z + D = 0
\end{array} \right.\]

Veamos un ejemplo de este último caso.

Sean los planos \(\pi  \equiv 2x - 3y + z - 1 = 0\) y \(\pi ' \equiv  - x + y - 4z + 1 = 0\). El sistema formado por ambos es:

\[\left\{ \begin{array}{l}
2x - 3y + z - 1 = 0\\
 - x + y - 4z + 1 = 0
\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}
2x - 3y + z = 1\\
 - x + y - 4z =  - 1
\end{array} \right.\]

Es muy fácil darse cuenta de que

\[{\rm{rango}}\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
2&{ - 3}&1\\
{ - 1}&1&{ - 4}
\end{array}} \right) = {\rm{rango}}\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
2&{ - 3}&1&1\\
{ - 1}&1&{ - 4}&{ - 1}
\end{array}} \right) = 2\]

pues hay un menor de orden dos distinto de cero:

\[\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
2&{ - 3}\\
{ - 1}&1
\end{array}} \right| = 2 - 3 =  - 1 \ne 0\]

Si llamamos \(z=\lambda\), el sistema lo podemos escribir así:

\[\left\{ \begin{array}{l}
2x - 3y = 1 - \lambda \\
 - x + y =  - 1 + 4\lambda
\end{array} \right.\]

cuyas soluciones son, aplicando la regla de Cramer:

\[x = \frac{{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
{1 - \lambda }&{ - 3}\\
{ - 1 + 4\lambda }&1
\end{array}} \right|}}{{ - 1}} = \frac{{1 - \lambda  - \left( {3 - 12\lambda } \right)}}{{ - 1}} = \frac{{ - 2 + 11\lambda }}{{ - 1}} = 2 - 11\lambda\]

\[y = \frac{{\left| {\begin{array}{*{20}{c}}
2&{1 - \lambda }\\
{ - 1}&{ - 1 + 4\lambda }
\end{array}} \right|}}{{ - 1}} = \frac{{ - 2 + 8\lambda  - \left( { - 1 + \lambda } \right)}}{{ - 1}} = \frac{{ - 1 + 7\lambda }}{{ - 1}} = 1 - 7\lambda\]

Estas soluciones las podemos escribir así:

\[\left( {x,y,z} \right) = \left( {2 - 11\lambda ,1 - 7\lambda ,\lambda } \right) = \left( {2,1,0} \right) + \lambda \left( { - 11,7,1} \right)\]

que no es otra cosa que la ecuación vectorial de la recta que pasa por el punto \(P\left( {2,1,0} \right)\) y tiene vector director \(\vec u = \left( { - 11,-7,1} \right)\).

En la siguiente figura se pueden apreciar los dos planos y la recta donde se cortan ambos.

sistemas03


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La ecuación lineal de primer grado con tres incógnitas. El plano en el espacio afín

En un artículo anterior habíamos hablado sobre la ecuación lineal de primer grado con dos incógnitas y sobre la recta en el plano afín.

Esas ideas se pueden extender al espacio en tres dimensiones. Así que vamos allá.

Ya sabemos que una ecuación lineal es una ecuación polinómica de grado uno con una o varias incógnitas.

Si la ecuación tiene tres incógnitas la ecuación adopta la forma

\[ax + by + cz + d = 0\]

donde \(a\), \(b\), \(c\) y \(d\) son número reales, y las incógnitas son \(x\), \(y\), \(z\). Llamando, por ejemplo, \(x=\lambda\), \(y=\mu\), podemos despejar la incógnita \(z\):

\[ax + by + cz + d = 0 \Rightarrow cz =  - a\lambda  - b\mu  - d \Rightarrow z =  - \frac{a}{c}\lambda  - \frac{b}{c}\mu  - \frac{d}{c}\]

El hecho de llamar \(\lambda\) a la incógnita \(x\) y \(\mu\) a la incógnita \(y\), viene a decir que las incógnitas \(x\) e \(y\) pueden tomar cualquier valor real, a los que llamaremos parámetros. Por tanto, la incógnita \(z\) depende del valor que le demos a los parámetros \(\lambda\) y \(\mu\).

Podemos escribir las soluciones en forma de terna ordenada, de la siguiente manera:

\[\left( {x,y,z} \right) = \left( {\lambda ,\mu , - \frac{a}{c}\lambda  - \frac{b}{c}\mu  - \frac{d}{c}} \right)\]

Por ejemplo, sea la ecuación lineal de primer grado con tres incógnitas \(x - 2y + 3z - 5 = 0\). En este caso \(a=1\), \(b=-2\), \(c=3\) y \(d=-5\). Por tanto, las soluciones son de la forma

\[\left( {x,y,z} \right) = \left( {\lambda ,\mu , - \frac{1}{3}\lambda  - \frac{{ - 2}}{3}\mu  - \frac{{ - 5}}{3}} \right) = \left( {\lambda ,\mu , - \frac{1}{3}\lambda  + \frac{2}{3}\mu  + \frac{5}{3}} \right)\]

Ahora, si damos valores a \(\lambda\) y a \(\mu\) podemos ir obteniendo los valores de \(z\). Por ejemplo, si \(\lambda=5\) y \(\mu=0\), entonces

\[z =  - \frac{1}{3}\lambda  + \frac{2}{3}\mu  + \frac{5}{3} =  - \frac{1}{3} \cdot 5 + \frac{2}{3} \cdot 0 + \frac{5}{3} =  - \frac{5}{3} + \frac{5}{3} = 0\]

con lo que una solución es \(\left( {x,y,z} \right) = \left( {5,0,0} \right)\).

Procediendo de manera similar podemos obtener las ternas de soluciones siguientes:

\[\lambda=0\ ,\ \mu=0\Rightarrow \left( {x,y,z} \right) = \left( {0,0,\frac{5}{3}} \right)\]

\[\lambda=0\ ,\ \mu=-\frac{5}{2}\Rightarrow \left( {x,y,z} \right) = \left( {0,-\frac{5}{2},0} \right)\]

\[\lambda=2\ ,\ \mu=2\Rightarrow \left( {x,y,z} \right) = \left( {2,2,\frac{7}{3}} \right)\]

\[\lambda=-3\ ,\ \mu=-1\Rightarrow \left( {x,y,z} \right) = \left( {-3,-1,-2} \right)\]

Podemos representar incluso los valores anteriores usando unos ejes de coordenadas, es decir, fijando un sistema de referencia afín tridimensional (el espacio afín). Este sistema es el habitual, es decir, \(R = \left\{ {O,\,\,\left\{ {{\rm{i}},{\rm{j}},{\rm{k}}} \right\}} \right\}\), donde \({\rm{i}} = \left( {1,0,0} \right)\), \({\rm{j}} = \left( {0,1,0} \right)\), \({\rm{k}} = \left( {0,0,1} \right)\) (ya se habló sobre este sistema de referencia en un artículo anterior, dedicado a los sistemas de dos ecuaciones lineales de primer grado con dos incógnitas). Pues bien, todas las ternas que son soluciones de la ecuación \(x - 2y + 3z - 5 = 0\) están situadas en un mismo plano \(\pi\), con lo que llamaremos

\[\pi\equiv x-2y+3z-5=0\]

Lo podemos apreciar en la figura siguiente, en la que incluso se observa el punto del plano \(\left( { - 3, - 1,2} \right)\), que también representa al vector de las mismas coordenadas.

plano01

 Las soluciones de una ecuación lineal de primer grado con tres incógnitas, \(ax + by + cz + d = 0\), también las podemos escribir así:

\[\left( {x,y,z} \right) = \left( {\lambda ,\mu , - \frac{a}{c}\lambda  - \frac{b}{c}\mu  - \frac{d}{c}} \right) = \left( {\lambda ,0, - \frac{a}{c}\lambda } \right) + \left( {0,\mu , - \frac{b}{c}\mu } \right) + \left( {0,0, - \frac{d}{c}} \right) \Rightarrow\]

\[\Rightarrow \left( {x,y,z} \right) = \lambda \left( {1,0, - \frac{a}{c}} \right) + \mu \left( {0,1, - \frac{b}{c}} \right) + \left( {0,0, - \frac{d}{c}} \right)\]

Siguiendo con el ejemplo anterior podemos escribir las soluciones de la ecuación \(x - 2y + 3z - 5 = 0\) del siguiente modo:

\[\left( {x,y,z} \right) = \lambda \left( {1,0, - \frac{1}{3}} \right) + \mu \left( {0,1,\frac{2}{3}} \right) + \left( {0,0,\frac{5}{3}} \right)\]

Geométricamente, la expresión anterior indica que el plano \(\pi\equiv x-2y+3z-5=0\) es el plano paralelo al plano que contiene a los vectores \(\left( {1,0, - \dfrac{1}{3}} \right)\), \(\left( {0,1,\dfrac{2}{3}} \right)\) y que pasa por el punto \(\left( {0,0,\dfrac{5}{3}} \right)\). Dicho de otro modo: todos los puntos de este plano son los extremos de los vectores que se obtienen al sumar cualquier vector proporcional al vector \(\left( {1,0, - \dfrac{1}{3}} \right)\) con cualquier vector proporcional al vector \(\left( {0,1,\dfrac{2}{3}} \right)\), y con el vector \(\left( {0,0,\dfrac{5}{3}} \right)\).

De hecho, si tomamos \(\lambda=1\) y \(\mu=1\), tenemos que un punto del plano es

\[\left( {x,y,z} \right) = 1\left( {1,0, - \frac{1}{3}} \right) + 1\left( {0,1,\frac{2}{3}} \right) + \left( {0,0,\frac{5}{3}} \right) = \left( {1,1,2} \right)\]

No es fácil imaginar esta situación en el espacio, pero con ayuda de alguna aplicación que represente figuras en tres dimensiones podemos hacernos una idea. En este caso, como en la imagen anterior, hemos utilizado Geogebra. En la siguiente figura se observa como nuestro plano \(\pi  \equiv x - 2y + 3z - 5 = 0\), es paralelo al plano que contiene a \(\left( {1,0, - \dfrac{1}{3}} \right)\) y a \(\left( {0,1,\dfrac{2}{3}} \right)\) y además pasa por el punto \(\left( {0,0,\dfrac{5}{3}} \right)\). De hecho también se aprecia con claridad que el punto \(\left( {1,1,2} \right)\), generado por las soluciones correspondientes a \(\lambda=1\) y \(\mu=1\), pertenece al plano \(\pi\).

plano02

Analizando lo anterior llegamos a una conclusión: un plano viene completamente determinado por dos vectores con distinta dirección (linealmente independientes) y un punto. O lo que es lo mismo, existe un único plano que pasa por un punto dado y en dos direcciones determinadas. A los vectores que determinan el plano se le llaman vectores de dirección o vectores directores del plano.

Generalicemos esta situación desde el punto de vista vectorial. Para ello llamaremos \(O\) al origen de coordenadas \(A\) a un punto cualquiera del espacio, \(\overrightarrow {OA} \) al vector de posición con origen en \(O\) y extremo en \(A\), y \(\vec u\) y \(\vec v\) a dos vectores con distinta dirección. La ecuación del plano que pasa por el punto \(A\) con la dirección de los vectores \(\vec u\) y \(\vec v\) viene dada por

\[\overrightarrow {OX}  = \overrightarrow {OA} \, + \lambda \vec u + \mu \vec v\,,\,\,\lambda ,\mu  \in \mathbb{R}\]

donde \(\overrightarrow {OX} \) es el vector de posición con origen en \(O\) generado al dar valores a los parámetros \(\lambda\) y \(\mu\).

Hemos de insistir en que las coordenadas de los vectores están escritas en base al sistema de referencia \(R = \left\{ {O,\,\,\left\{ {{\rm{i}},{\rm{j}},{\rm{k}}} \right\}} \right\}\) del que hemos hablado anteriormente. Es decir, hemos instalado en el espacio unos ejes de coordenadas: el eje \(X\) para la anchura, el eje \(Y\) para la profundidad, y el eje \(Z\) para la altura. Así, cuando hablamos de tomar el vector \(\vec e = \left( {1,1,2} \right)\) , y lo visualizamos en el espacio como un segmento orientado desde el origen de coordenadas \(O = \left( {0,0,0} \right)\) hasta el extremo en el punto de coordenadas \(\left( {1,1,2} \right)\), lo que estamos haciendo realmente es la siguiente operación:

\[\left( {1,1,2} \right) = 1\left( {1,0,0} \right) + 1\left( {0,1,0} \right) + 2\left( {0,0,1} \right) = 1 \cdot {\rm{i}} + 1 \cdot {\rm{j}} + 2 \cdot {\rm{k}}\]

O lo que es lo mismo, el vector \(\vec e = \left( {1,1,2} \right)\) es aquel que tiene una unidad de anchura, otra de profundad y dos unidades de altura.

Los vectores \({\rm{i}} = \left( {1,0,0} \right)\), \({\rm{j}} = \left( {0,1,0} \right)\), \({\rm{k}} = \left( {0,0,1} \right)\) situados respectivamente sobre el eje \(X\), sobre el eje \(Y\) y sobre el eje \(Z\), tienen módulo \(1\) y son perpendiculares. Se dice que los tres vectores son ortonormales o que forman una base ortonormal del espacio. Además cualquier vector \(\left( {a,b,c} \right)\) lo podemos escribir así:

\[\left( {a,b,c} \right) = a\left( {1,0,0} \right) + b\left( {0,1,0} \right) + c\left( {0,0,1} \right) = a \cdot {\rm{i}} + b \cdot {\rm{j}} + c \cdot {\rm{k}}\]

La igualdad anterior expresa que todo vector del espacio, o lo que es lo mismo, todo el espacio, se puede generar a partir de los vectores \({\rm{i}} = \left( {1,0,0} \right)\), \({\rm{j}} = \left( {0,1,0} \right)\), \({\rm{k}} = \left( {0,0,1} \right)\). Se dice que todo vector del espacio es una combinación lineal de \({\rm{i}} = \left( {1,0,0} \right)\), \({\rm{j}} = \left( {0,1,0} \right)\), \({\rm{k}} = \left( {0,0,1} \right)\). Estos vectores, junto con el origen de coordenadas \(O\) forman el sistema de referencia ortonormal \(R = \left\{ {O,\,\,\left\{ {{\rm{i}},{\rm{j}},{\rm{k}}} \right\}} \right\}\).

La geometría en el espacio afín empieza de este modo. Se considera un sistema de referencia afín ortonormal \(R = \left\{ {O,\,\,\left\{ {{\rm{i}},{\rm{j}},{\rm{k}}} \right\}} \right\}\). Se sabe que todo vector que se apoye en \(O\) se puede poner como combinación lineal de \({\rm{i}}\), de \({\rm{j}}\) y de \({\rm{k}}\):

\[X = \overrightarrow {OX}  = {x_1}{\rm{i}} + {x_2}{\rm{j}} + {x_3}{\rm{k}} = \left( {{x_1},{x_2},{x_3}} \right)\]

Por tanto un vector cualquiera del espacio lo podemos "atrapar" en nuestro sistema de referencia. Todo vector \(\vec e\) del espacio tiene un origen \(A\left( {{a_1},{a_2},{a_3}} \right)\) y un extremo \(B\left( {{b_1},{b_2},{b_3}} \right)\), y por tanto \(\vec e = \overrightarrow {AB}\). Además:

\[\overrightarrow {OB}  = \overrightarrow {OA}  + \overrightarrow {AB}  \Rightarrow \overrightarrow {AB}  = \overrightarrow {OB}  - \overrightarrow {OA}  \Rightarrow\]

\[\Rightarrow \overrightarrow {AB}  = \left( {{b_1},{b_2},{b_3}} \right) - \left( {{a_1},{a_2},{a_3}} \right) \Rightarrow \overrightarrow {AB}  = \left( {{b_1} - {a_1},{b_2} - {a_2},{b_3} - {a_3}} \right)\]

plano03

Por ejemplo, el vector \(\vec e\) que une el punto \(P\left( {3\,, - \,1,2} \right)\) con el punto \(Q\left( {2\,, - \,3, - 1} \right)\) es

\[\vec e = \overrightarrow {PQ}  = \left( {2 - 3, - 3 - \left( { - 1} \right), - 1 - 2} \right) = \left( { - 1, - 2, - 3} \right)\]

Nuestro vector \(\vec e\) acaba de ser escrito en base a nuestro sistema de referencia. Hay infinitos vectores en el espacio con el mismo módulo, dirección y sentido, pero sólo uno que se apoya en el origen \(O\) de nuestro sistema de referencia. Al conjunto de todos los vectores con el mismo módulo, dirección y sentido se le llama vector libre del espacio.

Con las consideraciones anteriores la ecuación vectorial del plano que pasa por el punto \(A\) con la dirección de los vectores \(\vec u\) y \(\vec v\), \(\overrightarrow {OX}  = \overrightarrow {OA} \, + \lambda \vec u + \mu \vec v\,,\,\,\lambda ,\,\,\mu  \in \mathbb{R}\), adquiere todo su sentido.

Si la ecuación vectorial la expresamos en coordenadas tenemos:

\[\left( {x,y,z} \right) = \left( {{a_1},{a_2},{a_3}} \right) + \lambda \left( {{u_1},{u_2},{u_3}} \right) + \mu \left( {{v_1},{v_2},{v_3}} \right) \Rightarrow\]

\[\Rightarrow \left( {x,y,z} \right) = \left( {{a_1} + \lambda {u_1} + \mu {v_1},{a_2} + \lambda {u_2} + \mu {v_2},{a_3} + \lambda {u_3} + \mu {v_3}} \right)\]

Igualando coordenadas:

\[\left\{ \begin{array}{l}
x = {a_1} + \lambda {u_1} + \mu {v_1}\\
y = {a_2} + \lambda {u_2} + \mu {v_2}\\
z = {a_3} + \lambda {u_3} + \mu {v_3}
\end{array} \right.\]

Las ecuaciones anteriores reciben el nombre de ecuaciones paramétricas del plano. Estas ecuaciones las podemos ver como un sistema de tres ecuaciones con dos incógnitas: \(\lambda\) y \(\mu\).

\[\left\{ \begin{array}{l}
\lambda {u_1} + \mu {v_1} = x - {a_1}\\
\lambda {u_2} + \mu {v_2} = y - {a_2}\\
\lambda {u_3} + \mu {v_3} = z - {a_3}
\end{array} \right.\]

Si de este sistema eliminamos los parámetros \(\lambda\) y \(\mu\) obtenemos la ecuación general o implícita del plano, que será una ecuación lineal de primer grado con tres incógnitas:

\[Ax + By + Cz + D = 0\]

Veamos con un ejemplo cómo eliminar los parámetros.

Supongamos que queremos hallar la ecuación general del plano que pasa por el punto \(A\left( {2,3,5} \right)\) y es paralelo a los vectores \(\vec u = \left( { - 1, - 2, - 3} \right)\), \(\vec v = \left( {1,3,5} \right)\).

Sus ecuaciones paramétricas serán:

\[\left\{ \begin{array}{l}
x = 2 - \lambda  + \mu \\
y = 3 - 2\lambda  + 3\mu \\
z = 5 - 3\lambda  + 5\mu
\end{array} \right.\]

Y de aquí:

\[\left\{ \begin{array}{l}
 - \lambda  + \mu  = x - 2\\
 - 2\lambda  + 3\mu  = y - 3\\
 - 3\lambda  + 5\mu  = z - 5
\end{array} \right.\]

Consideremos que las incógnitas son \(\lambda\) y \(\mu\) y apliquemos el método de Gauss para resolver el sistema:

\[\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
{ - 1}&1&{x - 2}\\
{ - 2}&3&{y - 3}\\
{ - 3}&5&{z - 5}
\end{array}} \right)\longrightarrow\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
{ - 1}&1&{x - 2}\\
0&1&{y - 2x + 1}\\
0&2&{z - 3x + 1}
\end{array}} \right)\longrightarrow\left( {\begin{array}{*{20}{c}}
{ - 1}&1&{x - 2}\\
0&1&{y - 2x + 1}\\
0&0&{x - 2y + z - 1}
\end{array}} \right)\]

De lo anterior se deduce, para que el sistema tenga soluciones (precisamente las soluciones son todos los puntos del plano), que \(x - 2y + z - 1 = 0\), justamente la ecuación general o implícita del plano.

Sin hacer el último paso en el método de Gauss también se obtiene lo mismo. Las dos últimas ecuaciones asociadas son

\[\left\{ \begin{array}{l}
\mu  = y - 2x + 1\\
2\mu  = z - 3x + 1
\end{array} \right.\]

y de aquí se obtiene, por igualación, que

\[y - 2x + 1 = \frac{{z - 3x + 1}}{2} \Rightarrow 2y - 4x + 2 = z - 3x + 1 \Rightarrow x - 2y + z - 1 = 0\]


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Sistemas de dos ecuaciones lineales de primer grado con dos incógnitas

Un sistema de dos ecuaciones lineales de primer grado con dos incógnitas tiene la siguiente forma

\[\left\{ \begin{array}{l}
Ax + By + C = 0\\
A'x + B\,'y + C' = 0
\end{array} \right.\quad(1)\]

Ya sabemos que una ecuación lineal de primer grado con dos incógnitas es, desde el punto de vista geométrico, una recta en el plano. En este caso tenemos dos en su forma general:

\[r \equiv Ax + By + C = 0\quad\text{;}\quad  s \equiv A'x + B\,'y + C' = 0\]

Las posibles posiciones relativas de dos rectas en el plano son tres: coincidentes, paralelas y secantes.

Si son coincidentes es porque una recta es la misma que la otra salvo un factor numérico, es decir,

\[Ax + By + C = k\left( {A'x + B\,'y + C'} \right) = 0 \Rightarrow Ax + By + C = kA'x + kB\,'y + kC' = 0\,\,,\,\,k \in \mathbb{R}\]

De aquí se deduce que \(A = kA'\,\,,\,\,B = kB\,'\,\,,\,\,C = kC'\) y despejando \(k\) obtenemos una condición para que las dos rectas coincidan:

\[r \equiv s \Leftrightarrow \frac{A}{{A'}} = \frac{B}{{B\,'}} = \frac{C}{{C'}}\]

Si las dos rectas son paralelas tienen la misma dirección, con lo que los vectores directores de \(r\) y \(s\) son iguales o proporcionales. Es decir, llamando \(\vec u\) al vector director de \(r\), y \(\vec v\) al vector director de \(s\), tenemos que \(\vec u = k\vec v\), donde \(k\) es un número real. Pero recordemos que los vectores directores se podían obtener fácilmente de la ecuación general de la recta: \(\vec u = \left( { - B,A} \right)\) y \(\vec v = \left( { - B\,',A'} \right)\), con lo que:

\[\vec u = k\vec v \Leftrightarrow \left( { - B,A} \right) = k\left( { - B\,',A'} \right) \Leftrightarrow \left( { - B,A} \right) = \left( { - kB\,',kA'} \right) \Leftrightarrow\]

\[\Leftrightarrow \left\{ \begin{array}{l}
- B = - kB\,'\\
A = kA'
\end{array} \right. \Leftrightarrow \left\{ \begin{array}{l}
k = \frac{B}{{B\,'}}\\
k = \frac{A}{{A'}}
\end{array} \right. \Leftrightarrow \frac{A}{{A'}} = \frac{B}{{B\,'}}\]

Así pues para que dos rectas sean paralelas tenemos la siguiente condición:

\[r\,|\,|\,s \Leftrightarrow \frac{A}{{A'}} = \frac{B}{{B\,'}} \ne \frac{C}{{C'}}\]

En este caso el sistema \((1)\) no tienen ninguna solución (claro: dos rectas paralelas no tienen ningún punto en común, no se cortan en ningún punto).

Por último, si las dos rectas son secantes, han de tener distinta dirección, con lo que sus vectores directores no serán proporcionales. Esto nos lleva a la siguiente condición:

\[r \cap s = \left\{ P \right\} \Leftrightarrow \frac{A}{{A'}} \ne \frac{B}{{B\,'}}\]

En este caso el sistema \((1)\) tienen una única solución. Esta solución es el punto de corte de las rectas \(r\) y \(s\): \(P\left( {a,b} \right)\).

Veamos un ejemplo.

Consideremos el sistema de ecuaciones \(\displaystyle\left\{ \begin{array}{l}
2x - 3y - 7 = 0\\
- 5x - y + 3 = 0
\end{array} \right.\). Este sistema está formado por las rectas \(r \equiv 2x - 3y - 7 = 0\) y \(s \equiv - 5x - y + 3 = 0\). Como tenemos que \(\dfrac{2}{{ - 5}} \ne \dfrac{{ - 3}}{{ - 1}}\), entonces las rectas son secantes. Si queremos saber el punto de corte basta resolver el sistema. Por reducción es muy sencillo. Multiplicando la segunda ecuación por \(-3\) tenemos: \(\displaystyle\left\{ \begin{array}{l}
2x - 3y - 8 = 0\\
15x + 3y - 9 = 0
\end{array} \right.\) y sumando ambas ecuaciones obtenemos \(17x - 17 = 0 \Rightarrow x = 1\). Sustituyendo en la primera ecuación podemos despejar \(y\): \(2 - 3y - 8 = 0 \Rightarrow - 3y - 6 = 0 \Rightarrow y = - 2\). Entonces el punto de corte de las rectas es \(P\left( {1, - 2} \right)\).

sistemas01

Puede que ahora sea un buen momento de hablar de independencia lineal. Es un concepto muy sencillo. Para ello vamos a pensar en dimensión tres, en un espacio tridimensional como en el que vivimos. Es decir, vamos a fijar un sistema de referencia afín donde cada punto y cada vector tiene tres coordenadas. Este sistema de referencia afín lo podemos escribir así: \(R = \left\{ {O\,,\,\left\{ {{\rm{i}},{\rm{j}},{\rm{k}}} \right\}} \right\}\) donde \({\rm{i}} = \left( {1,0,0} \right)\), \({\rm{j}} = \left( {0,1,0} \right)\) y \({\rm{k}} = \left( {0,0,1} \right)\). Algo así como decir que \(\text{i}\) mide la anchura, \(\text{j}\) la profundidad y \(\text{k}\) la altura. De modo que, por ejemplo, el vector \(\vec u\left( {3,4,2} \right)\) tiene tres unidades de anchura, cuatro de profundidad y dos de altura.

Pues bien, un vector es siempre linealmente independiente y genera una recta (la recta que lo contiene, que es un espacio de dimensión uno). Dos vectores son linealmente independientes si tienen distinta dirección, en cuyo caso generan todo un plano (el plano que los contiene, que es de dimensión dos). Si dos vectores no tienen distinta dirección serán proporcionales (uno se puede poner como el otro multiplicado por un número) y no son linealmente independientes. Tres vectores son linealmente independientes si no están situados en un mismo plano (no coplanarios) y generan todo el espacio, que es de dimensión tres.

¿Qué queremos decir cuando hablamos de que dos vectores linealmente independientes generan el plano que los contiene? Pues que, combinando adecuadamente los dos vectores, podemos llegar a cualquier otro vector del plano.

Veamos un ejemplo. Para ello volvamos a la dimensión dos. Consideremos los vectores \(\left( {1,3} \right)\) y \(\left( {-2,1} \right)\), que tienen distinta dirección. Por tanto, según hemos definido anteriormente, son linealmente independientes, y generan todo el plano de dimensión dos. Esto quiere decir que cualquier otro vector se puede poner como combinación de ellos. Pensemos, por ejemplo en el vector \(\left( {3,-5} \right)\). ¿Podremos llegar a él usando los vectores \(\left( {1,3} \right)\) y \(\left( {-2,1} \right)\)? Es decir, ¿existirán números reales \(x\), \(y\) tales que \(x\left( {1,3} \right) + y\left( { - 2,1} \right) = \left( {3, - 5} \right)\)? Seguro que sí. Veamos:

\[x\left( {1,3} \right) + y\left( { - 2,1} \right) = \left( {3, - 5} \right) \Leftrightarrow \left( {x,3x} \right) + \left( { - 2y,y} \right) = \left( {3, - 5} \right) \Leftrightarrow\]

\[\Leftrightarrow\left( {x - 2y,3x + y} \right) = \left( {3, - 5} \right) \Leftrightarrow \left\{ \begin{array}{l}
x - 2y = 3\\
3x + y = - 5
\end{array} \right.\]

Resolviendo el sistema anterior se obtiene \(x =  - 1\), \(y=-2\). Esto quiere decir que si el vector \(\left( {1,3} \right)\) lo multiplicamos por \(-1\) (o sea, le cambiamos el sentido), el vector \(\left( {-2,1} \right)\) lo multiplicamos por \(-2\) (o sea, lo duplicamos en longitud y le cambiamos el sentido) y, finalmente, sumamos ambos resultados, obtenemos como resultado el vector \(\left( {3,-5} \right)\). Esto, en matemáticas, se resume diciendo que el vector \(\left( {3,-5} \right)\) se puede poner como combinación lineal de los vectores \(\left( {1,3} \right)\) y \(\left( {-2,1} \right)\):

\[\left( {3, - 5} \right) =  - 1\left( {1,3} \right) + \left( { - 2} \right)\left( { - 2,1} \right)\]

Podemos ver el resultado en la figura siguiente:

sistemas02

Si en el sistema \(\left\{ \begin{array}{l}
Ax + By + C = 0\\
A'x + B\,'y + C' = 0
\end{array} \right.\) escribimos los términos independientes en el segundo miembro, lo podemos reescribir así:

\[\left\{ \begin{array}{l}
{a_{11}}x + {a_{12}}y = {b_1}\\
{a_{21}}x + {a_{22}}y = {b_2}
\end{array} \right.\]

Una vez escrito así vamos incluso a disponer de una forma más cómoda el sistema. Llamaremos \(A = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}
{{a_{11}}}&{{a_{12}}}\\
{{a_{21}}}&{{a_{22}}}
\end{array}} \right)\) matriz de los coeficientes del sistema y \(A|b = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}
{{a_{11}}}&{{a_{12}}}&{{b_1}}\\
{{a_{21}}}&{{a_{22}}}&{{b_2}}
\end{array}} \right)\) a la matriz ampliada del sistema. No descubrimos nada nuevo si pensamos en una matriz como una disposición de elementos en filas y en columnas. Obsérvese que al escribir la matriz ampliada \(A|b\) tenemos completamente definido el sistema sin necesidad de escribir las incógnitas.
Ahora, la posición relativa de las dos rectas depende del carácter de la matriz de los coeficientes \(A\) y del de la matriz ampliada \(A|b\), en el siguiente sentido:

  • Si las rectas son coincidentes, las filas de la matriz \(A\) son proporcionales y las de la matriz \(A|b\) también.
  • Si las rectas son paralelas, las filas de la matriz \(A\) son proporcionales, pero no los son las de la matriz \(A|b\).
  • Si las rectas son secantes, las filas de la matriz \(A\) no son proporcionales y, por tanto, tampoco lo son los de la matriz \(A|b\).

Este carácter de las matrices en matemáticas se conoce con el nombre de rango de una matriz. Hemos de observar que las filas de las matrices las podemos ver como vectores (con dos, tres, cuatro,\(\ldots\,\) coordenadas). Se define el rango de una matriz como el número de filas (vectores) linealmente independientes. Esto nos lleva a reescribir la posición relativa de dos rectas, en función de los rangos de la matriz de los coeficientes \(A\) y de la matriz ampliada \(A|b\), del siguiente modo:

  • Si las rectas son coincidentes, entonces \(\text{rango}A=\text{rango}A|b=1\).
  • Si las rectas son paralelas, entonces \(\text{rango}A=1\neq\text{rango}A|b=2\).
  • Si las rectas son secantes, entonces \(\text{rango}A=\text{rango}A|b=2\).

Estas ideas se pueden generalizar a un sistema de \(m\) ecuaciones y \(n\) incógnitas. Según el teorema de Rouché-Frobenius, para que un sistema del tipo anterior tenga solución se ha de cumplir que el rango de la matriz de los coeficientes ha de ser igual al rango de la matriz ampliada: \(\text{rango}A=\text{rango}A|b\). Además, si este número es igual al número de incógnitas \(n\), el sistema tiene solución única (sistema compatible determinado). Sin embargo, si este número es menor que el número de incógnitas, el sistema tiene infinitas soluciones (sistema compatible indeterminado). Por último, si \(\text{rango}A\neq\text{rango}A|b\). el sistema no tiene solución (sistema incompatible).

Seguiremos dándole vueltas a todo esto en un artículo que dedicaremos a los sistemas de ecuaciones lineales de primer grado con tres incógnitas.


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La ecuación lineal de primer grado con dos incógnitas. La recta en el plano afín

Una ecuación lineal es una ecuación polinómica de grado uno con una o varias incógnitas.

Si la ecuación solamente tiene una incógnita la ecuación es de la forma

\[ax+b=0\]

donde \(a\) y \(b\) son números reales con \(a\neq0\) , y \(x\) es la incógnita.

Como \(a\neq0\) , \(a\) tiene inverso, con lo que podemos despejar la incógnita con facilidad.

\[ax + b = 0\, \Rightarrow {a^{ - 1}} \cdot \left( {ax + b} \right) = {a^{ - 1}} \cdot 0 \Rightarrow {a^{ - 1}}ax + {a^{ - 1}}b = 0 \Rightarrow x + {a^{ - 1}}b = 0 \Rightarrow x =  - {a^{ - 1}}b\]

Así por ejemplo, la solución de \(3x+4=0\) es \(x =  - {3^{ - 1}} \cdot 4 =  - \dfrac{1}{3} \cdot 4 =  - \dfrac{4}{3}\).

Si la ecuación tiene dos incógnitas la ecuación adopta la forma

\[ax+by+c=0\]

donde \(a\), \(b\) y \(c\) son números reales con \(a\neq0\) y \(b\neq0\), y las incógnitas son \(x\) e \(y\). Llamando por ejemplo \(x=\lambda\), podemos despejar la incógnita \(y\).

\[ax + by + c = 0 \Rightarrow by =  - a\lambda  - c \Rightarrow y =  - \frac{a}{b}\lambda  - \frac{c}{b}\]

El hecho de llamar \(\lambda\) a la incógnita \(x\) viene a decir que la incógnita \(x\) puede tomar cualquier valor real, al que llamaremos parámetro. Por tanto, la incógnita \(y\) depende del valor que le demos al parámetro \(\lambda\).

Podemos escribir las soluciones para \(x\) y para \(y\) en forma de par ordenado, de la siguiente manera:

\[\left( {x,y} \right) = \left( {\lambda , - \frac{a}{b}\lambda  - \frac{c}{b}} \right)\]

Veamos un ejemplo. Sea la ecuación lineal de primer grado con dos incógnitas dada por \(2x-y+3=0\). En este caso \(a=2\), \(b=-1\) y \(c=3\). Por tanto las soluciones son de la forma:

\[\left( {x,y} \right) = \left( {\lambda , - \frac{2}{{ - 1}}\lambda  - \frac{3}{{ - 1}}} \right) = \left( {\lambda ,2\lambda  + 3} \right)\]

Ahora, si damos valores a \(\lambda\) podemos hacer una tabla de valores:

\[\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
  \hline
  x & \lambda & -5 & -4 & -3 & -2 & -1 & 0 & 1 & 2 \\
  \hline
  y & 2\lambda+3 & -7 & -5 & -3 & -1 & 1 & 3 & 5 & 7\\
  \hline
\end{array}\]

Incluso podemos representar los valores anteriores usando unos ejes de coordenadas.

recta01

No es difícil darse cuenta de que podemos colocar infinitos puntos y que todos ellos formarán una recta. Por eso, a la expresión de una ecuación lineal de primer grado con dos incógnitas, también se la conoce como ecuación general de una recta.

Además ya sabíamos que, si de la ecuación \(ax+by+c=0\), despejamos la incógnita \(y\) tenemos otra ecuación con la forma \(y=mx+n\), llamada ecuación afín de la recta. En nuestro ejemplo la ecuación afín de la recta es \(y=2x+3\). Y en esta ecuación es donde podemos con facilidad realizar también la tabla de valores anterior con el objetivo de representar gráficamente la recta dada.

Con algo de conocimiento de geometría en el plano afín podemos hacer más cosas con la ecuación lineal de primer grado con dos incógnitas. Ya hemos visto que las soluciones las podemos escribir en forma de par ordenado:

\[\left( {x,y} \right) = \left( {\lambda , - \frac{a}{b}\lambda  - \frac{c}{b}} \right)\]

Recordemos que, dados dos pares ordenados \(\left( {a,b} \right)\), \(\left( {c,d} \right)\), y un número real \(\lambda\), la suma de pares ordenados y el producto de un número real por un par ordenado, vienen dadas por las fórmulas:

\[\left( {a,b} \right) + \left( {c,d} \right) = \left( {a + c,b + d} \right)\quad\text{;}\quad\lambda \left( {a,b} \right) = \left( {\lambda a,\lambda b} \right)\]

Si se establecen unos ejes cartesianos sobre un plano, un par ordenado \(\left( {a,b} \right)\) tiene una visualización gráfica: un punto en el plano. O también: el par ordenado lo podemos ver como un vector con origen en el punto \(\left( {0,0} \right)\) (origen de coordenadas) y extremo el punto \(\left( {a,b} \right)\).

Con las ideas anteriores, las soluciones de una ecuación lineal de primer grado con dos incógnitas, \(ax+by+c=0\), las podemos escribir así:

\[\left( {x,y} \right) = \left( {\lambda , - \frac{a}{b}\lambda  - \frac{c}{b}} \right) = \left( {\lambda , - \frac{a}{b}\lambda } \right) + \left( {0, - \frac{c}{b}} \right) = \lambda \left( {1, - \frac{a}{b}} \right) + \left( {0, - \frac{c}{b}} \right)\]

Siguiendo con el ejemplo visto anteriormente podemos escribir las soluciones de la ecuación \(2x-y+3=0\) del siguiente modo:

\[\left( {x,y} \right) = \lambda \left( {1,2} \right) + \left( {0,3} \right)\]

La interpretación geométrica de la expresión anterior es la siguiente: la recta \(2x-y+3=0\) es la recta paralela al vector \(\left( {1,2} \right)\) que pasa por el punto \(\left( {0,3} \right)\). Dicho de otro modo: todos los puntos de esta recta son los extremos de los vectores que se obtienen al sumar cualquier vector proporcional al vector \(\left( {1,2} \right)\) con el vector \(\left( {0,3} \right)\).

Por ejemplo, si \(\lambda=1\), entonces \(\left( {x,y} \right) =  - 1\left( {1,2} \right) + \left( {0,3} \right) = \left( { - 1, - 2} \right) + \left( {0,3} \right) = \left( { - 1,1} \right)\). Véase la figura siguiente:

recta02

Analizando todo lo anterior llegamos a una conclusión: una recta viene completamente determinada por un vector y un punto. O lo que es lo mismo, existe una única recta que pasa por un punto dado y en una dirección determinada. Al vector que determina la recta se le llama vector de dirección o vector director de la recta.

Generalicemos esta situación desde el punto de vista vectorial. Para ello llamaremos \(O\), al origen de coordenadas, \(A\) a un punto cualquiera del plano, \(\overrightarrow {OA}\) al vector de posición con origen en \(O\) y extremo en \(A\) y \(\vec e\) a un vector. La ecuación de la recta que pasa por el punto \(A\) con la dirección del vector \(\vec e\) viene dada por

\[\overrightarrow {OX}  = \overrightarrow {OA} \, + \lambda \vec e\,,\,\,\lambda  \in \mathbb{R}\]

donde \(\overrightarrow {OX}\) es el vector de posición con origen en \(O\) generado al dar un determinado valor al parámetro \(\lambda\).

Naturalmente, las coordenadas de los vectores están escritas en base a un sistema de referencia pues, en caso contrario, no podríamos trabajar con éstas. Habitualmente, y tal y como hemos hecho en el ejemplo anterior, esto es algo a lo que estamos acostumbrados cuando instalamos en el plano unos ejes cartesianos (el eje de abscisas y el eje de ordenadas). Pero es conveniente poner énfasis en esto. Cuando hablamos de tomar, por ejemplo, el vector \(\vec e = \left( { - 2,3} \right)\), y lo visualizamos en el plano como un segmento orientado desde el origen de coordenadas \(O = \left( {0,0} \right)\) hasta el extremo en el punto de coordenadas \(\left( { - 2,3} \right)\), lo que estamos haciendo realmente es la siguiente operación:

\[\left( { - 2,3} \right) =  - 2\left( {1,0} \right) + 3\left( {0,1} \right)\]

Si ahora visualizamos los vectores \(\left( {1,0} \right)\) y \(\left( {0,1} \right)\) nos daremos cuenta rápidamente de que el primero está sobre el eje \(X\), el segundo sobre el eje \(Y\) y ambos tienen longitud o módulo \(1\). Además son claramente perpendiculares. En este caso se dice que la pareja de vectores son ortonormales o que forman una base ortonormal del plano.

Pero es que cualquier vector \(\left( {a,b} \right)\) lo podemos escribir así:

\[\left( {a,b} \right) = a\left( {1,0} \right) + b\left( {0,1} \right)\]

La igualdad anterior expresa que todo vector del plano, o lo que es lo mismo, todo el plano, se puede generar a partir de los vectores \(\left( {1,0} \right)\) y \(\left( {0,1} \right)\). A veces se dice que todo vector del plano es una combinación lineal de \(\left( {1,0} \right)\) y \(\left( {0,1} \right)\). Estos dos vectores, junto con el origen de coordenadas \(O\), forman lo que se conoce como sistema de referencia afín. Además, si los dos vectores del sistema son ortonormales hablaremos de un sistema de referencia ortonormal. Suele nombrarse a los dos vectores del sistema así: \(\textbf{i} = \left( {1\,,\,0} \right)\), \(\textbf{j} = \left( {0\,,\,1} \right)\).

En realidad, la geometría en el plano afín empieza por aquí. Se considera un sistema de referencia afín ortonormal \(R = \left\{ {O\,,\,\left\{ {\textbf{i}\,,\,\textbf{j}} \right\}} \right\}\). Se sabe que todo vector que se apoye en \(O\) se puede poner como combinación lineal de \(\textbf{i}\) y de \(\textbf{j}\): \(X = \overrightarrow {OX}  = {x_1}{\textbf{i}} + {x_2}{\textbf{j}} = \left( {{x_1},{x_2}} \right)\). Por tanto un vector cualquiera del plano lo podemos "atrapar" en nuestro sistema de referencia. ¿Cómo? Es sencillo. Todo vector \(\vec e\) del plano tiene un origen \(A\left( {{a_1},{a_2}} \right)\) y un extremo \(B\left( {{b_1},{b_2}} \right)\) y por tanto \(\vec e = \overrightarrow {AB} \). Pero además es que (ver figura de más abajo):

\[\overrightarrow {OB}  = \overrightarrow {OA}  + \overrightarrow {AB}  \Rightarrow \overrightarrow {AB}  = \overrightarrow {OB}  - \overrightarrow {OA}  \Rightarrow \]

\[\Rightarrow \overrightarrow {AB}  = \left( {{b_1},{b_2}} \right) - \left( {{a_1},{a_2}} \right) \Rightarrow \overrightarrow {AB}  = \left( {{b_1} - {a_1},{b_2} - {a_2}} \right)\]

recta03

Por ejemplo, el vector \(\vec e\) que une el punto \(P\left( { - 2\,,\,1} \right)\) con el punto \(Q\left( { 1\,,\,3} \right)\) es

\[\vec e = \overrightarrow {PQ}  = \left( {1 - \left( { - 2} \right),3 - 1} \right) = \left( {3,2} \right)\]

Nuestro vector \(\vec e\) acaba de ser escrito en base a nuestro sistema de referencia. Hay infinitos vectores en el plano con el mismo módulo, dirección y sentido, pero sólo uno que se apoya en el origen \(O\) de nuestro sistema de referencia. Al conjunto de todos los vectores con el mismo módulo, dirección y sentido se le llama vector libre.

Con las consideraciones anteriores la ecuación vectorial de la recta que pasa por el punto \(A\) con la dirección de un vector \(\vec e\), \(\overrightarrow {OX}  = \overrightarrow {OA} \, + \lambda \vec e\,,\,\,\lambda  \in\mathbb{R} \), adquiere todo su sentido.

recta04

Si la ecuación vectorial la expresamos en coordenadas tenemos:

\[\left( {x,y} \right) = \left( {a,b} \right) + \lambda \left( {{e_1},{e_2}} \right) \Rightarrow \left( {x,y} \right) = \left( {a,b} \right) + \left( {\lambda {e_1},\lambda {e_2}} \right) \Rightarrow \left( {x,y} \right) = \left( {a + \lambda {e_1},b + \lambda {e_2}} \right)\]

Igualando coordenadas:

\[\left\{ \begin{array}{l}
x = a + \lambda {e_1}\\
y = b + \lambda {e_2}
\end{array} \right.\]

Las ecuaciones anteriores reciben el nombre de ecuaciones paramétricas de la recta. De éstas, si despejamos el parámetro \(\lambda\) en ambas e igualamos, obtenemos la ecuación continua de la recta:

\[\left\{ \begin{array}{l}
\lambda  = \dfrac{{x - a}}{{{e_1}}}\\
\lambda  = \dfrac{{y - b}}{{{e_2}}}
\end{array} \right. \Rightarrow \frac{{x - a}}{{{e_1}}} = \frac{{y - b}}{{{e_2}}}\]

Si ahora eliminamos denominadores y pasamos todo al primer miembro tenemos:

\[{e_2}x - {e_2}a = {e_1}y - {e_1}b \Rightarrow {e_2}x - {e_1}y + {e_1}b - {e_2}a = 0\]

Si llamamos \(A = {e_2}\), \(B =  - {e_1}\) y \(C = {e_1}b - {e_2}a\) tenemos la ecuación general o implícita de la recta:

\[Ax + By + C = 0\]

Obsérvese que un vector director de la recta es \(\left( {{e_1},{e_2}} \right) = \left( { - B,A} \right)\) y que haciendo \(x=0\) se obtiene \(y=-\dfrac{C}{B}\) (conocida como ordenada en el origen), con lo que un punto de la recta (el que corta al eje \(Y\)) es \(\left( {0, - \dfrac{C}{B}} \right)\).

Volviendo a nuestro primer ejemplo, en el que considerábamos la recta \(2x-y+3=0\), tenemos que un vector director suyo es \(\left( { - B,A} \right) = \left( {1,2} \right)\) y que un punto suyo es \(\left( {0, - \dfrac{C}{B}} \right) = \left( {0,3} \right)\). Así obtenemos la ecuación vectorial \(\left( {x,y} \right) = \lambda \left( {1,2} \right) + \left( {0,3} \right)\), ecuación que ya habíamos deducido en su momento.


Para saber más puedes seguir este curso de geometría métrica plana en 10 sencillas lecciones.

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Matemáticas básicas para el acceso a la Universidad

Matemáticas básicas para el acceso a la Universidad es el título de un libro cuyos autores son Ángel Manuel Ramos del Olmo y José María Rey Cabezas, profesores titulares de universidad en el Departamento de Matemática aplicada de la Universidad Complutense de Madrid (UCM).


Becas 10 - http://www.becas10.com/


Me ha parecido un libro muy completo, en el que se exponen de manera clara y eficaz todos los contenidos matemáticos necesarios para afrontar con matematicas basicasgarantías de éxito un grado de Ciencias, Tecnología o Ingeniería. El libro es altamente recomendable, como referencia matemática básica e integral, para todos aquellos alumos que deseen realizar algunos de los estudios mencionados. Además, el formato del libro es como el de un libro de matemáticas de universidad "de verdad". Lo que quiero decir con esto es que los libros de texto de secundaria y de bachillerato no tienen el aspecto de los libros de matemáticas con los que el alumno se va a encontrar en la universidad. Estos últimos utilizan para su escritura \(\LaTeX\), que es un es un sistema de composición muy adecuado para realizar documentos científicos y matemáticos de alta calidad tipográfica. Con este sistema están escritas también las fórmulas y expresiones que aparecen en los artículos de este sitio Web dedicado a las matemáticas.

En el prefacio del libro se explican muy bien las intenciones del mismo. Por eso me ha parecido una buena idea transcribirlo tal cual.

Prefacio

Al entrar a la universidad los alumnos a menudo se encuentran con material que los profesores suponen que ya han estudiado y con la típica frase "esto ya lo habéis dado, ¿verdad?", con el correspondiente estrés que esto puede generar. Visto desde el otro lado, el profesor suele oír quejas de algunos estudiantes que afirman que no han recibido clases sobre este material en la enseñanza secundaria y/o en Bachillerato. Además, si se le ocurre formular la pregunta antes citada, en muchas ocasiones verá a los estudiantes removiéndose en sus asientos, miradas perdidas, un murmullo general... y algunas tímidas respuestas.

En este volumen estudiantes y profesores encontrarán una recopilación de material matemático de un nivel previo a la universidad que les puede servir para preparar pruebas de acceso a la universidad, como texto de base para (al menos) el primer año de carrera y como texto al que recurrir, a modo enciclopédico, cuando lo precisen, sin necesidad de buscar una colección de libros y apuntes de cursos anteriores.

El origen de esta obra es un curso de preparación para pruebas de acceso a la universidad que los autores estuvieron impartiendo durante varios años en la Universidad Complutense de Madrid. Es en ese curso y en la interacción con sus estudiantes, cuando surge la idea inicial de su redacción. Además, la experiencia de los autores como profesores en clases de Matemáticas en los primeros años de universidad y como correctores en las actuales pruebas de acceso les ha permitido observar las carencias y necesidades a nivel matemático de muchos estudiantes, lo cual ha terminado de perfilar y completar la mencionada idea inicial. En este sentido este libro puede ser de especial ayuda como texto básico de referencia en los cursos introductorios de Matemáticas Básicas que, cada vez más, se imparten en los grados de Ciencias, Tecnología e Ingeniería.

El texto está dividido en tres partes en las que se clasifican los contenidos que se abordan: I) Álgebra y Geometría, II) Análisis, III) Estadística y Probabilidad. Cada parte está dividida en varios capítulos en los que se desgranan los principales resultados y la mayoría de sus demostraciones, junto con numerosas gráficas y ejemplos ilustrativos. Se ha considerado conveniente incluir, para los lectores interesados, demostraciones de la mayoría de los resultados presentados, a pesar de que muchas de ellas no suelen aparecer en los libros de enseñanza secundaria y de Bachillerato. Cada capítulo termina con una sección de problemas y otra sección con las correspondientes soluciones, lo que permitirá al lector comprobar el grado de conocimiento que ha adquirido sobre los contenidos de cada capítulo.

La parte de Álgebra y Geometría se inicia con la introducción a los números reales y se termina con el estudio del espacio euclídeo y de las cónicas, pasando previamente por capítulos sobres sistemas de ecuaciones lineales, trigonometría...

La parte de Análisis se inicia con el estudio de las sucesiones y su convergencia y de las funciones reales de variable real. Se continúa con un capítulo sobre números complejos (que muchos estudiantes de universidad afirman desconocer, a pesar de su enorme utilidad e importancia... y de ser, supuestamente, parte de los contenidos de Bachillerato). Se termina con la parte dedicada al Cálculo (derivadas e integrales) y sus aplicaciones.

Por último, la parte de Estadística y Probabilidad está dividida en tres capítulos. En el primero se estudia el Análisis Combinatorio, y muestra técnicas para facilitar el recuento de casos o cosas, necesario en muchas situaciones científicas y técnicas para facilitar el recuento de casos o cosas, necesario en muchas situaciones científicas cotidianas. El segundo capítulo esta dedicado a la Estadítica Descriptiva (sólo en el caso unidimensional) y presenta herramientas que permitan asimilar de una forma razonable grandes cantidades de información. En el tercer y último capítulo se presentan las nociones básicas de la teoría de la Probabilidad, con el objetivo de disponer de herramientas básicas que sirvan a la hora de intentar sacar conclusiones sobre lo que puede ocurrir en fenómenos o experimentos aleatorios.

Os dejo además, aquí y aquí, dos enlaces donde podréis encontrar más información sobre el libro.

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