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Problema
2021 · Ordinaria · Suplente
7
Examen

Considera las rectas

r{x=2+3λy=1+2λz=3+λys{2xy2=0y+2z4=0r \equiv \begin{cases} x = 2 + 3\lambda \\ y = -1 + 2\lambda \\ z = 3 + \lambda \end{cases} \quad \text{y} \quad s \equiv \begin{cases} 2x - y - 2 = 0 \\ y + 2z - 4 = 0 \end{cases}
a) Halla el plano que contiene a rr y es paralelo a ss.b) Deduce razonadamente que ningún plano perpendicular a ss contiene a rr.
Rectas en el espacioPlanosParalelismo
Resolución del ejercicio

Primero, identificamos los elementos de las rectas dadas.Para la recta rr:

r{x=2+3λy=1+2λz=3+λr \equiv \begin{cases} x = 2 + 3\lambda \\ y = -1 + 2\lambda \\ z = 3 + \lambda \end{cases}

Un punto de la recta rr es Pr(2,1,3)P_r(2, -1, 3).Un vector director de la recta rr es vr=(3,2,1)\vec{v_r} = (3, 2, 1).Para la recta ss:

s{2xy2=0y+2z4=0s \equiv \begin{cases} 2x - y - 2 = 0 \\ y + 2z - 4 = 0 \end{cases}

Para encontrar un vector director de la recta ss, calculamos el producto vectorial de los vectores normales de los planos que la definen:

n1=(2,1,0)yn2=(0,1,2)\vec{n_1} = (2, -1, 0) \quad \text{y} \quad \vec{n_2} = (0, 1, 2)
vs=n1×n2=ijk210012=(2,4,2)\vec{v_s} = \vec{n_1} \times \vec{n_2} = \begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ 2 & -1 & 0 \\ 0 & 1 & 2 \end{vmatrix} = (-2, -4, 2)

Podemos simplificar el vector director de ss dividiéndolo por 2-2: vs=(1,2,1)\vec{v_s} = (1, 2, -1).

a) Halla el plano que contiene a rr y es paralelo a ss.

Sea π\pi el plano que buscamos. Si el plano π\pi contiene a la recta rr, entonces:1. El punto Pr(2,1,3)P_r(2, -1, 3) pertenece al plano π\pi.2. El vector director de rr, vr=(3,2,1)\vec{v_r} = (3, 2, 1), es un vector director del plano π\pi.Si el plano π\pi es paralelo a la recta ss, entonces el vector director de ss, vs=(1,2,1)\vec{v_s} = (1, 2, -1), es otro vector director del plano π\pi.El vector normal del plano π\pi, nπ\vec{n_\pi}, se obtiene calculando el producto vectorial de los dos vectores directores del plano:

nπ=vr×vs=ijk321121=i(22)j(31)+k(62)=(4,4,4)\vec{n_\pi} = \vec{v_r} \times \vec{v_s} = \begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ 3 & 2 & 1 \\ 1 & 2 & -1 \end{vmatrix} = \vec{i}(-2-2) - \vec{j}(-3-1) + \vec{k}(6-2) = (-4, 4, 4)

Podemos usar un vector normal simplificado nπ=(1,1,1)\vec{n_\pi} = (1, -1, -1) (dividiendo por 4-4).La ecuación general del plano es de la forma Ax+By+Cz+D=0Ax + By + Cz + D = 0. Con nπ=(1,1,1)\vec{n_\pi} = (1, -1, -1), tenemos:

xyz+D=0x - y - z + D = 0

Para encontrar DD, sustituimos las coordenadas del punto Pr(2,1,3)P_r(2, -1, 3) en la ecuación del plano:

2(1)3+D=02+13+D=00+D=0    D=02 - (-1) - 3 + D = 0 \\ 2 + 1 - 3 + D = 0 \\ 0 + D = 0 \implies D = 0

Por lo tanto, la ecuación del plano que contiene a rr y es paralelo a ss es:

xyz=0x - y - z = 0
b) Deduce razonadamente que ningún plano perpendicular a ss contiene a rr.

Para que un plano sea perpendicular a la recta ss, su vector normal debe ser paralelo al vector director de ss.

nπ=kvs\vec{n_{\pi'}} = k \vec{v_s}

Podemos tomar como vector normal de un plano perpendicular a ss el propio vector vs=(1,2,1)\vec{v_s} = (1, 2, -1). Así, la ecuación de cualquier plano perpendicular a ss es de la forma:

x+2yz+D=0x + 2y - z + D' = 0

Para que este plano contenga a la recta rr, deben cumplirse dos condiciones:1. El punto Pr(2,1,3)P_r(2, -1, 3) de la recta rr debe pertenecer al plano.2. El vector director vr(3,2,1)\vec{v_r}(3, 2, 1) de la recta rr debe ser ortogonal al vector normal del plano, nπ=(1,2,1)\vec{n_{\pi'}} = (1, 2, -1).Vamos a verificar la segunda condición, es decir, si vrnπ=0\vec{v_r} \cdot \vec{n_{\pi'}} = 0:

vrnπ=(3,2,1)(1,2,1)=3(1)+2(2)+1(1)=3+41=6\vec{v_r} \cdot \vec{n_{\pi'}} = (3, 2, 1) \cdot (1, 2, -1) = 3(1) + 2(2) + 1(-1) = 3 + 4 - 1 = 6

Dado que el producto escalar es 606 \neq 0, el vector director de rr no es ortogonal al vector normal de un plano perpendicular a ss. Esto significa que la recta rr no es paralela a ningún plano perpendicular a ss.Por lo tanto, ningún plano perpendicular a ss puede contener a rr, ya que la recta rr no sería paralela a dicho plano, lo cual es una condición necesaria para que una recta esté contenida en un plano (salvo que la recta sea parte de la normal, lo cual implicaría que vr\vec{v_r} sería paralelo a nπ\vec{n_{\pi'}}, y por tanto a vs\vec{v_s}, pero no es el caso ya que vr\vec{v_r} y vs\vec{v_s} no son paralelos).