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Geometría métrica en el espacio
Problema
2022 · Extraordinaria · Titular
7B
Examen

Considera las rectas r≡x+1=y−a=−zr \equiv x + 1 = y - a = -z y s≡{x=5+2λy=−3z=2−λs \equiv \begin{cases} x = 5 + 2\lambda \\ y = -3 \\ z = 2 - \lambda \end{cases}

a) Calcula aa para que rr y ss se corten. Determina dicho punto de corte.b) Halla la ecuación del plano que pasa por P(8,−7,2)P(8, -7, 2) y que contiene a la recta ss.
RectasPlanosPunto de corte
a) Calcula aa para que rr y ss se corten. Determina dicho punto de corte.

Primero, expresamos ambas rectas en su forma paramétrica.Recta r≡x+1=y−a=−zr \equiv x + 1 = y - a = -z:

x+11=y−a1=z−1=μ\frac{x+1}{1} = \frac{y-a}{1} = \frac{z}{-1} = \mu

De donde obtenemos la ecuación paramétrica de rr:

r≡{x=−1+μy=a+μz=−μr \equiv \begin{cases} x = -1 + \mu \\ y = a + \mu \\ z = -\mu \end{cases}

Un punto de la recta rr es R0(−1,a,0)R_0(-1, a, 0) y su vector director es vr⃗=(1,1,−1)\vec{v_r} = (1, 1, -1).Recta s≡{x=5+2λy=−3z=2−λs \equiv \begin{cases} x = 5 + 2\lambda \\ y = -3 \\ z = 2 - \lambda \end{cases} Un punto de la recta ss es S0(5,−3,2)S_0(5, -3, 2) y su vector director es vs⃗=(2,0,−1)\vec{v_s} = (2, 0, -1).Para que las rectas rr y ss se corten, debe existir un punto en común, es decir, deben coincidir sus coordenadas para ciertos valores de μ\mu y λ\lambda:

{−1+μ=5+2λ(1)a+μ=−3(2)−μ=2−λ(3)\begin{cases} -1 + \mu = 5 + 2\lambda \quad (1) \\ a + \mu = -3 \quad \quad \quad (2) \\ -\mu = 2 - \lambda \quad \quad \quad (3) \end{cases}

De la ecuación (3) despejamos λ\lambda en función de μ\mu:

λ=2+μ\lambda = 2 + \mu

Sustituimos esta expresión de λ\lambda en la ecuación (1):

−1+μ=5+2(2+μ)-1 + \mu = 5 + 2(2 + \mu)
−1+μ=5+4+2μ-1 + \mu = 5 + 4 + 2\mu
−1+μ=9+2μ-1 + \mu = 9 + 2\mu
−10=μ-10 = \mu

Ahora, sustituimos el valor de μ\mu en la expresión de λ\lambda:

λ=2+(−10)=−8\lambda = 2 + (-10) = -8

Finalmente, sustituimos el valor de μ\mu en la ecuación (2) para encontrar aa:

a+(−10)=−3a + (-10) = -3
a−10=−3a - 10 = -3
a=7a = 7

Para que las rectas se corten, el valor de aa debe ser 77.Para encontrar el punto de corte, sustituimos λ=−8\lambda = -8 en las ecuaciones paramétricas de la recta ss (también se podría usar μ=−10\mu = -10 y a=7a=7 en rr):

{x=5+2(−8)=5−16=−11y=−3z=2−(−8)=2+8=10\begin{cases} x = 5 + 2(-8) = 5 - 16 = -11 \\ y = -3 \\ z = 2 - (-8) = 2 + 8 = 10 \end{cases}

El punto de corte es Q(−11,−3,10)Q(-11, -3, 10).

b) Halla la ecuación del plano que pasa por P(8,−7,2)P(8, -7, 2) y que contiene a la recta ss.

El plano que contiene a la recta ss debe contener un punto de ss (por ejemplo, S0(5,−3,2)S_0(5, -3, 2)) y su vector director vs⃗=(2,0,−1)\vec{v_s} = (2, 0, -1). Además, el plano debe pasar por el punto P(8,−7,2)P(8, -7, 2).Podemos formar un segundo vector director del plano uniendo el punto S0S_0 con el punto PP:

S0P⃗=P−S0=(8−5,−7−(−3),2−2)=(3,−4,0)\vec{S_0P} = P - S_0 = (8-5, -7-(-3), 2-2) = (3, -4, 0)

Así, el plano queda definido por el punto S0(5,−3,2)S_0(5, -3, 2) y los vectores directores vs⃗=(2,0,−1)\vec{v_s} = (2, 0, -1) y S0P⃗=(3,−4,0)\vec{S_0P} = (3, -4, 0). La ecuación general del plano se obtiene igualando a cero el determinante formado por un vector genérico (x−x0,y−y0,z−z0)(x - x_0, y - y_0, z - z_0) y los dos vectores directores.

∣x−5y−(−3)z−220−13−40∣=0\begin{vmatrix} x - 5 & y - (-3) & z - 2 \\ 2 & 0 & -1 \\ 3 & -4 & 0 \end{vmatrix} = 0
∣x−5y+3z−220−13−40∣=0\begin{vmatrix} x - 5 & y + 3 & z - 2 \\ 2 & 0 & -1 \\ 3 & -4 & 0 \end{vmatrix} = 0
(x−5)(0⋅0−(−1)⋅(−4))−(y+3)(2⋅0−(−1)⋅3)+(z−2)(2⋅(−4)−0⋅3)=0(x - 5)(0 \cdot 0 - (-1) \cdot (-4)) - (y + 3)(2 \cdot 0 - (-1) \cdot 3) + (z - 2)(2 \cdot (-4) - 0 \cdot 3) = 0
(x−5)(−4)−(y+3)(3)+(z−2)(−8)=0(x - 5)(-4) - (y + 3)(3) + (z - 2)(-8) = 0
−4(x−5)−3(y+3)−8(z−2)=0-4(x - 5) - 3(y + 3) - 8(z - 2) = 0
−4x+20−3y−9−8z+16=0-4x + 20 - 3y - 9 - 8z + 16 = 0
−4x−3y−8z+27=0-4x - 3y - 8z + 27 = 0

Multiplicando por −1-1 para obtener coeficientes positivos:

4x+3y+8z−27=04x + 3y + 8z - 27 = 0

La ecuación del plano es 4x+3y+8z−27=04x + 3y + 8z - 27 = 0.