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Posiciones relativas y distancias
Problema
2023 · Ordinaria · Reserva
8
Examen

Considera el plano π≡x+y+z=0\pi \equiv x + y + z = 0 y la recta r≡x−1=y2=z+12r \equiv x - 1 = \frac{y}{2} = \frac{z + 1}{2}.Halla la ecuación de un plano π′\pi', paralelo a π\pi, tal que si QQ y Q′Q' son respectivamente los puntos de corte de la recta rr con los planos π\pi y π′\pi', entonces la distancia entre QQ y Q′Q' sea de 22 unidades.

Distancia entre puntosPlanos paralelosIntersección recta-plano

Consideramos el plano π≡x+y+z=0\pi \equiv x + y + z = 0 y la recta r≡x−1=racy2=racz+12r \equiv x - 1 = rac{y}{2} = rac{z + 1}{2}.

a) Determinar la ecuación general del plano π′\pi' paralelo a π\pi.

Dado que el plano π′\pi' es paralelo al plano π≡x+y+z=0\pi \equiv x + y + z = 0, ambos planos tendrán el mismo vector normal n⃗=(1,1,1)\vec{n} = (1, 1, 1). Por lo tanto, la ecuación general de π′\pi' será de la forma:

π′≡x+y+z+D=0\pi' \equiv x + y + z + D = 0
b) Hallar el punto de corte QQ de la recta rr con el plano π\pi.

Primero, expresamos la recta rr en su forma paramétrica. A partir de x−1=racy2=racz+12x - 1 = rac{y}{2} = rac{z + 1}{2}, igualamos cada expresión a un parámetro λ\lambda:

x−1=λ  ⟹  x=1+λracy2=λ  ⟹  y=2λracz+12=λ  ⟹  z=−1+2λ\begin{gathered} x - 1 = \lambda \implies x = 1 + \lambda \\ rac{y}{2} = \lambda \implies y = 2\lambda \\ rac{z + 1}{2} = \lambda \implies z = -1 + 2\lambda \end{gathered}

Ahora, sustituimos estas expresiones paramétricas en la ecuación del plano π≡x+y+z=0\pi \equiv x + y + z = 0 para encontrar el valor de λ\lambda para el punto QQ:

(1 + \lambda) + (2\lambda) + (-1 + 2\lambda) = 0 \ 1 + \lambda + 2\lambda - 1 + 2\lambda = 0 \ 5\lambda = 0 \ \lambda_Q = 0

Sustituimos λQ=0\lambda_Q = 0 en las ecuaciones paramétricas de rr para obtener las coordenadas de QQ:

Q=(1+0,2⋅0,−1+2⋅0)=(1,0,−1)Q = (1 + 0, 2 \cdot 0, -1 + 2 \cdot 0) = (1, 0, -1)
c) Hallar el punto de corte Q′Q' de la recta rr con el plano π′\pi' en función de DD.

Sustituimos las expresiones paramétricas de rr en la ecuación del plano π′≡x+y+z+D=0\pi' \equiv x + y + z + D = 0:

(1 + \lambda) + (2\lambda) + (-1 + 2\lambda) + D = 0 \ 1 + \lambda + 2\lambda - 1 + 2\lambda + D = 0 \ 5\lambda + D = 0 \ \lambda_{Q'} = -rac{D}{5}

Sustituimos λQ′=−racD5\lambda_{Q'} = -rac{D}{5} en las ecuaciones paramétricas de rr para obtener las coordenadas de Q′Q':

Q′=(1−racD5,2(−racD5),−1+2(−racD5))=(1−racD5,−rac2D5,−1−rac2D5)Q' = \left(1 - rac{D}{5}, 2\left(-rac{D}{5}\right), -1 + 2\left(-rac{D}{5}\right)\right) = \left(1 - rac{D}{5}, -rac{2D}{5}, -1 - rac{2D}{5}\right)
d) Calcular el valor de DD tal que la distancia entre QQ y Q′Q' sea de 22 unidades y escribir la ecuación de π′\pi'.

Calculamos el vector QQ′⃗\vec{QQ'}:

QQ′⃗=Q′−Q=(1−racD5−1,−rac2D5−0,−1−rac2D5−(−1))=(−racD5,−rac2D5,−rac2D5)\vec{QQ'} = Q' - Q = \left(1 - rac{D}{5} - 1, -rac{2D}{5} - 0, -1 - rac{2D}{5} - (-1)\right) = \left(-rac{D}{5}, -rac{2D}{5}, -rac{2D}{5}\right)

La distancia entre QQ y Q′Q' es el módulo de este vector:

d(Q,Q′)=∣∣QQ′⃗∣∣=(−racD5)2+(−rac2D5)2+(−rac2D5)2d(Q,Q′)=racD225+rac4D225+rac4D225=rac9D225=rac9D225=rac3∣D∣5\begin{gathered} d(Q, Q') = ||\vec{QQ'}|| = \sqrt{\left(-rac{D}{5}\right)^2 + \left(-rac{2D}{5}\right)^2 + \left(-rac{2D}{5}\right)^2} \\ d(Q, Q') = \sqrt{rac{D^2}{25} + rac{4D^2}{25} + rac{4D^2}{25}} = \sqrt{rac{9D^2}{25}} = rac{\sqrt{9D^2}}{\sqrt{25}} = rac{3|D|}{5} \end{gathered}

Según el enunciado, la distancia debe ser de 22 unidades:

rac3∣D∣5=23∣D∣=10∣D∣=rac103\begin{gathered} rac{3|D|}{5} = 2 \\ 3|D| = 10 \\ |D| = rac{10}{3} \end{gathered}

Esto nos da dos posibles valores para DD: D=rac103D = rac{10}{3} o D=−rac103D = -rac{10}{3}.Por lo tanto, existen dos planos π′\pi' que cumplen la condición:

extSiD=rac103  ⟹  π1′≡x+y+z+rac103=0  ⟹  3x+3y+3z+10=0Si D=−rac103  ⟹  π2′≡x+y+z−rac103=0  ⟹  3x+3y+3z−10=0\begin{gathered} ext{Si } D = rac{10}{3} \implies \pi'_1 \equiv x + y + z + rac{10}{3} = 0 \implies 3x + 3y + 3z + 10 = 0 \\ \text{Si } D = -rac{10}{3} \implies \pi'_2 \equiv x + y + z - rac{10}{3} = 0 \implies 3x + 3y + 3z - 10 = 0 \end{gathered}