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Geometría analítica
Problema
2022 · Extraordinaria · Suplente
7
Examen

Sea el plano π2x+y2z2=0\pi \equiv 2x + y - 2z - 2 = 0.

a) Halla las ecuaciones de los planos paralelos a π\pi que distan 22 unidades de dicho plano.b) Calcula el volumen del tetraedro cuyos vértices son el origen de coordenadas y los puntos de corte del plano π\pi con los ejes coordenados.
Planos paralelosDistanciaVolumen tetraedro
a) Halla las ecuaciones de los planos paralelos a π\pi que distan 22 unidades de dicho plano.

El plano dado es π2x+y2z2=0\pi \equiv 2x + y - 2z - 2 = 0. Cualquier plano paralelo a π\pi tendrá una ecuación de la forma 2x+y2z+D=02x + y - 2z + D = 0. La distancia entre dos planos paralelos Ax+By+Cz+D1=0Ax + By + Cz + D_1 = 0 y Ax+By+Cz+D2=0Ax + By + Cz + D_2 = 0 se calcula mediante la fórmula:

d=D1D2A2+B2+C2d = \frac{|D_1 - D_2|}{\sqrt{A^2 + B^2 + C^2}}

En nuestro caso, tenemos el plano π12x+y2z2=0\pi_1 \equiv 2x + y - 2z - 2 = 0, donde A=2A=2, B=1B=1, C=2C=-2 y D1=2D_1=-2. El plano paralelo buscado es π22x+y2z+D=0\pi_2 \equiv 2x + y - 2z + D = 0, con D2=DD_2=D. La distancia dd es 22 unidades.

2=2D22+12+(2)22 = \frac{|-2 - D|}{\sqrt{2^2 + 1^2 + (-2)^2}}
2=2D4+1+42 = \frac{|-2 - D|}{\sqrt{4 + 1 + 4}}
2=2D92 = \frac{|-2 - D|}{\sqrt{9}}
2=2D32 = \frac{|-2 - D|}{3}
6=2D6 = |-2 - D|

Esto nos lleva a dos posibles ecuaciones:Caso 1: 2D=6    D=26    D=8-2 - D = 6 \implies D = -2 - 6 \implies D = -8 El primer plano paralelo es πA2x+y2z8=0\pi_A \equiv 2x + y - 2z - 8 = 0.Caso 2: 2D=6    D=2+6    D=4-2 - D = -6 \implies D = -2 + 6 \implies D = 4 El segundo plano paralelo es πB2x+y2z+4=0\pi_B \equiv 2x + y - 2z + 4 = 0.

b) Calcula el volumen del tetraedro cuyos vértices son el origen de coordenadas y los puntos de corte del plano π\pi con los ejes coordenados.

Los vértices del tetraedro son el origen O=(0,0,0)O=(0, 0, 0) y los puntos de corte del plano π2x+y2z2=0\pi \equiv 2x + y - 2z - 2 = 0 con los ejes coordenados.Corte con el eje X (cuando y=0y=0, z=0z=0):

2x+002=0    2x=2    x=12x + 0 - 0 - 2 = 0 \implies 2x = 2 \implies x = 1

Punto A=(1,0,0)A = (1, 0, 0).Corte con el eje Y (cuando x=0x=0, z=0z=0):

0+y02=0    y=20 + y - 0 - 2 = 0 \implies y = 2

Punto B=(0,2,0)B = (0, 2, 0).Corte con el eje Z (cuando x=0x=0, y=0y=0):

0+02z2=0    2z=2    z=10 + 0 - 2z - 2 = 0 \implies -2z = 2 \implies z = -1

Punto C=(0,0,1)C = (0, 0, -1).Los vértices del tetraedro son O(0,0,0)O(0,0,0), A(1,0,0)A(1,0,0), B(0,2,0)B(0,2,0) y C(0,0,1)C(0,0,-1). El volumen de un tetraedro con un vértice en el origen y los otros tres vértices dados por los vectores OA\vec{OA}, OB\vec{OB} y OC\vec{OC} se calcula mediante la fórmula:

V=16det(OA,OB,OC)V = \frac{1}{6} |\det(\vec{OA}, \vec{OB}, \vec{OC})|

Los vectores son OA=(1,0,0)\vec{OA} = (1,0,0), OB=(0,2,0)\vec{OB} = (0,2,0) y OC=(0,0,1)\vec{OC} = (0,0,-1). Calculamos el determinante formado por estos vectores:

det(OA,OB,OC)=100020001\det(\vec{OA}, \vec{OB}, \vec{OC}) = \begin{vmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & -1 \end{vmatrix}
=1(2(1)00)0+0=1(2)=2= 1 \cdot (2 \cdot (-1) - 0 \cdot 0) - 0 + 0 = 1 \cdot (-2) = -2

Ahora, calculamos el volumen:

V=162=162=26=13V = \frac{1}{6} |-2| = \frac{1}{6} \cdot 2 = \frac{2}{6} = \frac{1}{3}

El volumen del tetraedro es 1/31/3 unidades cúbicas.