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Intersecciones y distancias en el espacio
Problema
2020 · Extraordinaria · Reserva
8
Examen

Considera el plano π2xy+z3=0\pi \equiv 2x - y + z - 3 = 0, la recta r{x=3+λy=12λz=2λr \equiv \begin{cases} x = 3 + \lambda \\ y = 1 - 2\lambda \\ z = -2 - \lambda \end{cases} y el punto P(1,1,2)P(1, 1, 2).

a) Determina la ecuación general del plano perpendicular a π\pi, paralelo a rr y que pasa por el punto PP.b) Calcula el punto simétrico de PP respecto de la recta rr.
PlanoRectaPunto simétrico+1
a) Determina la ecuación general del plano perpendicular a π\pi, paralelo a rr y que pasa por el punto PP.

Sea πAx+By+Cz+D=0\pi' \equiv Ax + By + Cz + D = 0 el plano buscado.Del plano π2xy+z3=0\pi \equiv 2x - y + z - 3 = 0, obtenemos su vector normal nπ=(2,1,1)\vec{n_\pi} = (2, -1, 1).De la recta r{x=3+λy=12λz=2λr \equiv \begin{cases} x = 3 + \lambda \\ y = 1 - 2\lambda \\ z = -2 - \lambda \end{cases}, obtenemos su vector director vr=(1,2,1)\vec{v_r} = (1, -2, -1).Como π\pi' es perpendicular a π\pi, su vector normal nπ\vec{n_{\pi'}} debe ser ortogonal a nπ\vec{n_\pi}. Es decir, nπnπ=0\vec{n_{\pi'}} \cdot \vec{n_\pi} = 0.Como π\pi' es paralelo a rr, su vector normal nπ\vec{n_{\pi'}} debe ser ortogonal a vr\vec{v_r}. Es decir, nπvr=0\vec{n_{\pi'}} \cdot \vec{v_r} = 0.Por lo tanto, nπ\vec{n_{\pi'}} se puede obtener como el producto vectorial de nπ\vec{n_\pi} y vr\vec{v_r}.

nπ=nπ×vr=ijk211121\vec{n_{\pi'}} = \vec{n_\pi} \times \vec{v_r} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ 2 & -1 & 1 \\ 1 & -2 & -1 \end{vmatrix}
nπ=i((1)(1)(1)(2))j((2)(1)(1)(1))+k((2)(2)(1)(1))\vec{n_{\pi'}} = \mathbf{i}(( -1)(-1) - (1)(-2)) - \mathbf{j}((2)(-1) - (1)(1)) + \mathbf{k}((2)(-2) - (-1)(1))
nπ=i(1+2)j(21)+k(4+1)\vec{n_{\pi'}} = \mathbf{i}(1 + 2) - \mathbf{j}(-2 - 1) + \mathbf{k}(-4 + 1)
nπ=3i+3j3k=(3,3,3)\vec{n_{\pi'}} = 3\mathbf{i} + 3\mathbf{j} - 3\mathbf{k} = (3, 3, -3)

Podemos usar un vector normal simplificado (1,1,1)(1, 1, -1). Así, la ecuación del plano π\pi' es x+yz+D=0x + y - z + D = 0.El plano π\pi' pasa por el punto P(1,1,2)P(1, 1, 2). Sustituimos las coordenadas de PP en la ecuación del plano:

1+12+D=0    0+D=0    D=01 + 1 - 2 + D = 0 \implies 0 + D = 0 \implies D = 0

La ecuación general del plano π\pi' es:

x+yz=0x + y - z = 0
b) Calcula el punto simétrico de PP respecto de la recta rr.

Sea P(1,1,2)P(1, 1, 2). Un punto genérico de la recta rr es Q(3+λ,12λ,2λ)Q(3 + \lambda, 1 - 2\lambda, -2 - \lambda).El vector PQ\vec{PQ} es (3+λ1,12λ1,2λ2)=(2+λ,2λ,4λ)(3 + \lambda - 1, 1 - 2\lambda - 1, -2 - \lambda - 2) = (2 + \lambda, -2\lambda, -4 - \lambda).El vector director de la recta rr es vr=(1,2,1)\vec{v_r} = (1, -2, -1).Para que QQ sea la proyección de PP sobre rr (llamémosle PP'), el vector PP\vec{PP'} debe ser ortogonal a vr\vec{v_r}.

PPvr=0\vec{PP'} \cdot \vec{v_r} = 0
(2 + \lambda)(1) + (-2\lambda)(-2) + (-4 - \lambda)(-1) = 0
2+λ+4λ+4+λ=02 + \lambda + 4\lambda + 4 + \lambda = 0
6+6λ=0    6λ=6    λ=16 + 6\lambda = 0 \implies 6\lambda = -6 \implies \lambda = -1

Sustituimos λ=1\lambda = -1 en las ecuaciones de la recta para obtener las coordenadas del punto proyección PP':

xP=3+(1)=2x_{P'} = 3 + (-1) = 2
yP=12(1)=1+2=3y_{P'} = 1 - 2(-1) = 1 + 2 = 3
zP=2(1)=2+1=1z_{P'} = -2 - (-1) = -2 + 1 = -1

Por lo tanto, el punto proyección es P(2,3,1)P'(2, 3, -1).Sea P(x,y,z)P''(x'', y'', z'') el punto simétrico de PP respecto de la recta rr. PP' es el punto medio del segmento PPPP''.

P=(xP+x2,yP+y2,zP+z2)P' = \left( \frac{x_P + x''}{2}, \frac{y_P + y''}{2}, \frac{z_P + z''}{2} \right)
(2,3,1)=(1+x2,1+y2,2+z2)(2, 3, -1) = \left( \frac{1 + x''}{2}, \frac{1 + y''}{2}, \frac{2 + z''}{2} \right)

Igualando las coordenadas:

2=1+x2    4=1+x    x=32 = \frac{1 + x''}{2} \implies 4 = 1 + x'' \implies x'' = 3
3=1+y2    6=1+y    y=53 = \frac{1 + y''}{2} \implies 6 = 1 + y'' \implies y'' = 5
1=2+z2    2=2+z    z=4-1 = \frac{2 + z''}{2} \implies -2 = 2 + z'' \implies z'' = -4

El punto simétrico de PP respecto de la recta rr es P(3,5,4)P''(3, 5, -4).