AndalucíaAndalucía
MadridMadrid
CataluñaCataluña
GaliciaGalicia
MurciaMurcia
ValenciaValencia
En construcciónAñadimos comunidades, materias, años y soluciones de forma progresiva y constante.
Rectas y planos
Problema
2021 · Ordinaria · Titular
7
Examen

Considera las rectas

r{2x3y+z2=03x+2y+2z+1=0ys{x=32λy=1+λz=2+2λr \equiv \begin{cases} 2x - 3y + z - 2 = 0 \\ -3x + 2y + 2z + 1 = 0 \end{cases} \quad \text{y} \quad s \equiv \begin{cases} x = 3 - 2\lambda \\ y = -1 + \lambda \\ z = -2 + 2\lambda \end{cases}
a) Calcula el plano perpendicular a la recta ss que pasa por el punto P(1,0,5)P(1, 0, -5).b) Calcula el seno del ángulo que forma la recta rr con el plano π2x+y+2z=0\pi \equiv -2x + y + 2z = 0.
Plano perpendicularÁngulo entre recta y planoGeometría analítica
a) Calcula el plano perpendicular a la recta ss que pasa por el punto P(1,0,5)P(1, 0, -5).

La recta ss viene dada en su forma paramétrica:

s{x=32λy=1+λz=2+2λs \equiv \begin{cases} x = 3 - 2\lambda \\ y = -1 + \lambda \\ z = -2 + 2\lambda \end{cases}

De esta ecuación, podemos obtener un vector director de la recta ss, que es vs=(2,1,2)\vec{v}_s = (-2, 1, 2). Si un plano π1\pi_1 es perpendicular a la recta ss, entonces el vector director de la recta es el vector normal del plano, es decir, nπ1=vs=(2,1,2)\vec{n}_{\pi_1} = \vec{v}_s = (-2, 1, 2). La ecuación general de un plano es Ax+By+Cz+D=0Ax + By + Cz + D = 0. Utilizando el vector normal, la ecuación del plano π1\pi_1 será:

π12x+y+2z+D=0\pi_1 \equiv -2x + y + 2z + D = 0

Dado que el plano pasa por el punto P(1,0,5)P(1, 0, -5), podemos sustituir las coordenadas de este punto en la ecuación del plano para hallar el valor de DD:

2(1)+(0)+2(5)+D=02+010+D=012+D=0D=12-2(1) + (0) + 2(-5) + D = 0 \\ -2 + 0 - 10 + D = 0 \\ -12 + D = 0 \\ D = 12

Por lo tanto, la ecuación del plano perpendicular a ss que pasa por PP es:

π12x+y+2z+12=0\pi_1 \equiv -2x + y + 2z + 12 = 0
b) Calcula el seno del ángulo que forma la recta rr con el plano π2x+y+2z=0\pi \equiv -2x + y + 2z = 0.

Primero, necesitamos encontrar un vector director de la recta rr. La recta rr viene dada como la intersección de dos planos:

r{2x3y+z2=03x+2y+2z+1=0r \equiv \begin{cases} 2x - 3y + z - 2 = 0 \\ -3x + 2y + 2z + 1 = 0 \end{cases}

Los vectores normales de estos dos planos son n1=(2,3,1)\vec{n}_1 = (2, -3, 1) y n2=(3,2,2)\vec{n}_2 = (-3, 2, 2). El vector director de la recta rr es el producto vectorial de estos dos vectores normales:

vr=n1×n2=ijk231322\vec{v}_r = \vec{n}_1 \times \vec{n}_2 = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ 2 & -3 & 1 \\ -3 & 2 & 2 \end{vmatrix}
vr=((3)(2)(1)(2))i((2)(2)(1)(3))j+((2)(2)(3)(3))k\vec{v}_r = ((-3)(2) - (1)(2))\mathbf{i} - ((2)(2) - (1)(-3))\mathbf{j} + ((2)(2) - (-3)(-3))\mathbf{k}
vr=(62)i(4+3)j+(49)k\vec{v}_r = (-6 - 2)\mathbf{i} - (4 + 3)\mathbf{j} + (4 - 9)\mathbf{k}
vr=8i7j5k=(8,7,5)\vec{v}_r = -8\mathbf{i} - 7\mathbf{j} - 5\mathbf{k} = (-8, -7, -5)

El plano dado es π2x+y+2z=0\pi \equiv -2x + y + 2z = 0. Su vector normal es nπ=(2,1,2)\vec{n}_\pi = (-2, 1, 2). El seno del ángulo α\alpha que forma una recta con vector director v\vec{v} y un plano con vector normal n\vec{n} se calcula mediante la fórmula:

sinα=vnvn\sin \alpha = \frac{|\vec{v} \cdot \vec{n}|}{|\vec{v}| \cdot |\vec{n}|}

Calculamos el producto escalar vrnπ\vec{v}_r \cdot \vec{n}_\pi:

vrnπ=(8)(2)+(7)(1)+(5)(2)=16710=1\vec{v}_r \cdot \vec{n}_\pi = (-8)(-2) + (-7)(1) + (-5)(2) = 16 - 7 - 10 = -1

Calculamos las magnitudes de los vectores vr\vec{v}_r y nπ\vec{n}_\pi:

vr=(8)2+(7)2+(5)2=64+49+25=138|\vec{v}_r| = \sqrt{(-8)^2 + (-7)^2 + (-5)^2} = \sqrt{64 + 49 + 25} = \sqrt{138}
nπ=(2)2+(1)2+(2)2=4+1+4=9=3|\vec{n}_\pi| = \sqrt{(-2)^2 + (1)^2 + (2)^2} = \sqrt{4 + 1 + 4} = \sqrt{9} = 3

Finalmente, sustituimos estos valores en la fórmula del seno del ángulo:

sinα=11383=13138\sin \alpha = \frac{|-1|}{\sqrt{138} \cdot 3} = \frac{1}{3\sqrt{138}}

Para racionalizar el resultado, multiplicamos el numerador y el denominador por 138\sqrt{138}:

sinα=1383138=138414\sin \alpha = \frac{\sqrt{138}}{3 \cdot 138} = \frac{\sqrt{138}}{414}