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Simetría y distancias
Problema
2022 · Extraordinaria · Reserva
8
Examen

Considera el punto P(2,0,4)P(2, 0, -4) y el plano π{x=9α+3βy=1+2αz=3+4α+β\pi \equiv \begin{cases} x = 9\alpha + 3\beta \\ y = -1 + 2\alpha \\ z = 3 + 4\alpha + \beta \end{cases}

a) Halla el punto simétrico del punto PP respecto del plano π\pi.b) Calcula la distancia del punto PP al plano π\pi.
Punto simétricoDistancia punto-planoPlano paramétrico
Determinación de la ecuación general del plano $\pi$

El plano π\pi viene dado por sus ecuaciones paramétricas:

π{x=9α+3βy=1+2αz=3+4α+β\pi \equiv \begin{cases} x = 9\alpha + 3\beta \\ y = -1 + 2\alpha \\ z = 3 + 4\alpha + \beta \end{cases}

De estas ecuaciones, podemos extraer un punto del plano Q0Q_0 y sus vectores directores u\vec{u} y v\vec{v}.Un punto del plano es Q0=(0,1,3)Q_0 = (0, -1, 3) (tomando α=0\alpha=0 y β=0\beta=0). Los vectores directores son u=(9,2,4)\vec{u} = (9, 2, 4) y v=(3,0,1)\vec{v} = (3, 0, 1). El vector normal al plano, n\vec{n}, se obtiene calculando el producto vectorial de los vectores directores:

n=u×v=ijk924301=(2140)i(9143)j+(9023)k\vec{n} = \vec{u} \times \vec{v} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ 9 & 2 & 4 \\ 3 & 0 & 1 \end{vmatrix} = (2 \cdot 1 - 4 \cdot 0)\mathbf{i} - (9 \cdot 1 - 4 \cdot 3)\mathbf{j} + (9 \cdot 0 - 2 \cdot 3)\mathbf{k}
n=(20)i(912)j+(06)k=2i+3j6k\vec{n} = (2 - 0)\mathbf{i} - (9 - 12)\mathbf{j} + (0 - 6)\mathbf{k} = 2\mathbf{i} + 3\mathbf{j} - 6\mathbf{k}

Así, el vector normal es n=(2,3,6)\vec{n} = (2, 3, -6). La ecuación general del plano es de la forma Ax+By+Cz+D=0Ax + By + Cz + D = 0. Sustituyendo las componentes del vector normal, tenemos 2x+3y6z+D=02x + 3y - 6z + D = 0. Para hallar DD, sustituimos las coordenadas del punto Q0(0,1,3)Q_0(0, -1, 3) en la ecuación:

2(0)+3(1)6(3)+D=02(0) + 3(-1) - 6(3) + D = 0
318+D=0    21+D=0    D=21-3 - 18 + D = 0 \implies -21 + D = 0 \implies D = 21

Por lo tanto, la ecuación general del plano π\pi es:

π2x+3y6z+21=0\pi \equiv 2x + 3y - 6z + 21 = 0
a) Halla el punto simétrico del punto PP respecto del plano π\pi.

Sea P(x,y,z)P'(x', y', z') el punto simétrico de P(2,0,4)P(2, 0, -4) respecto al plano π\pi. Para encontrar PP', seguimos estos pasos:1. Hallar la recta rr que pasa por PP y es perpendicular al plano π\pi. El vector director de esta recta será el vector normal del plano, n=(2,3,6)\vec{n} = (2, 3, -6). La ecuación paramétrica de la recta rr es:

r{x=2+2ty=0+3tz=46tr \equiv \begin{cases} x = 2 + 2t \\ y = 0 + 3t \\ z = -4 - 6t \end{cases}

2. Hallar el punto de intersección MM de la recta rr con el plano π\pi. Este punto MM es la proyección ortogonal de PP sobre el plano. Sustituimos las ecuaciones de la recta en la ecuación del plano:

2(2+2t)+3(3t)6(46t)+21=02(2 + 2t) + 3(3t) - 6(-4 - 6t) + 21 = 0
4+4t+9t+24+36t+21=04 + 4t + 9t + 24 + 36t + 21 = 0
49t+49=0    49t=49    t=149t + 49 = 0 \implies 49t = -49 \implies t = -1

Ahora, sustituimos t=1t = -1 en las ecuaciones de la recta rr para obtener las coordenadas de MM:

{xM=2+2(1)=0yM=3(1)=3zM=46(1)=2\begin{cases} x_M = 2 + 2(-1) = 0 \\ y_M = 3(-1) = -3 \\ z_M = -4 - 6(-1) = 2 \end{cases}

Así, el punto de intersección es M(0,3,2)M(0, -3, 2).3. El punto MM es el punto medio del segmento PPPP'. Usamos la fórmula del punto medio para encontrar las coordenadas de P(x,y,z)P'(x', y', z'):

{2+x2=0    2+x=0    x=20+y2=3    y=64+z2=2    4+z=4    z=8\begin{cases} \frac{2 + x'}{2} = 0 \implies 2 + x' = 0 \implies x' = -2 \\ \frac{0 + y'}{2} = -3 \implies y' = -6 \\ \frac{-4 + z'}{2} = 2 \implies -4 + z' = 4 \implies z' = 8 \end{cases}

El punto simétrico de PP respecto al plano π\pi es P(2,6,8)P'(-2, -6, 8).

b) Calcula la distancia del punto PP al plano π\pi.

La distancia de un punto P(x0,y0,z0)P(x_0, y_0, z_0) a un plano Ax+By+Cz+D=0Ax + By + Cz + D = 0 se calcula con la fórmula:

d(P,π)=Ax0+By0+Cz0+DA2+B2+C2d(P, \pi) = \frac{|Ax_0 + By_0 + Cz_0 + D|}{\sqrt{A^2 + B^2 + C^2}}

Para nuestro caso, el punto es P(2,0,4)P(2, 0, -4) y el plano es π2x+3y6z+21=0\pi \equiv 2x + 3y - 6z + 21 = 0. Sustituimos los valores:

d(P,π)=2(2)+3(0)6(4)+2122+32+(6)2d(P, \pi) = \frac{|2(2) + 3(0) - 6(-4) + 21|}{\sqrt{2^2 + 3^2 + (-6)^2}}
d(P,π)=4+0+24+214+9+36d(P, \pi) = \frac{|4 + 0 + 24 + 21|}{\sqrt{4 + 9 + 36}}
d(P,π)=4949=497d(P, \pi) = \frac{|49|}{\sqrt{49}} = \frac{49}{7}

La distancia del punto PP al plano π\pi es 77 unidades.