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Puntos, rectas y planos
Problema
2020 · Ordinaria · Reserva
8
Examen

Considera los puntos A(−1,3,2),B(2,−1,−1)A(-1, 3, 2), B(2, -1, -1) y C(a−2,7,b)C(a - 2, 7, b).

a) Determina aa y bb para que los puntos A,BA, B y CC estén alineados.b) En el caso a=b=1a = b = 1, halla la recta que pasa por el origen de coordenadas y es perpendicular al plano que contiene a los puntos A,BA, B y CC.
AlineaciónRectasPlanos+1
Resolución del ejercicio
a) Determina aa y bb para que los puntos A,BA, B y CC estén alineados.

Para que los puntos A(−1,3,2)A(-1, 3, 2), B(2,−1,−1)B(2, -1, -1) y C(a−2,7,b)C(a - 2, 7, b) estén alineados, los vectores AB⃗\vec{AB} y AC⃗\vec{AC} deben ser paralelos (proporcionales).Primero, calculamos los vectores AB⃗\vec{AB} y AC⃗\vec{AC}:

AB⃗=B−A=(2−(−1),−1−3,−1−2)=(3,−4,−3)\vec{AB} = B - A = (2 - (-1), -1 - 3, -1 - 2) = (3, -4, -3)
AC⃗=C−A=(a−2−(−1),7−3,b−2)=(a−1,4,b−2)\vec{AC} = C - A = (a - 2 - (-1), 7 - 3, b - 2) = (a - 1, 4, b - 2)

Para que sean paralelos, sus componentes deben ser proporcionales. Es decir, debe existir un escalar kk tal que AC⃗=k⋅AB⃗\vec{AC} = k \cdot \vec{AB}:

(a−1,4,b−2)=k⋅(3,−4,−3)(a - 1, 4, b - 2) = k \cdot (3, -4, -3)

Comparando las componentes, obtenemos un sistema de ecuaciones:

{a−1=3k(1)4=−4k(2)b−2=−3k(3)\begin{cases} a - 1 = 3k \quad (1) \\ 4 = -4k \quad (2) \\ b - 2 = -3k \quad (3) \end{cases}

De la ecuación (2), podemos hallar el valor de kk:

4=−4k  ⟹  k=−14 = -4k \implies k = -1

Ahora, sustituimos k=−1k = -1 en las ecuaciones (1) y (3):

a−1=3(−1)  ⟹  a−1=−3  ⟹  a=−2a - 1 = 3(-1) \implies a - 1 = -3 \implies a = -2
b−2=−3(−1)  ⟹  b−2=3  ⟹  b=5b - 2 = -3(-1) \implies b - 2 = 3 \implies b = 5

Por lo tanto, los valores de aa y bb para que los puntos estén alineados son a=−2a = -2 y b=5b = 5.

b) En el caso a=b=1a = b = 1, halla la recta que pasa por el origen de coordenadas y es perpendicular al plano que contiene a los puntos A,BA, B y CC.

Para a=b=1a = b = 1, los puntos son:

A(−1,3,2)A(-1, 3, 2)
B(2,−1,−1)B(2, -1, -1)
C(1−2,7,1)=C(−1,7,1)C(1 - 2, 7, 1) = C(-1, 7, 1)

Para encontrar la ecuación del plano que contiene a estos tres puntos, necesitamos un punto del plano (por ejemplo, AA) y un vector normal al plano. El vector normal se obtiene calculando el producto vectorial de dos vectores no paralelos que estén en el plano, como AB⃗\vec{AB} y AC⃗\vec{AC}.

AB⃗=(3,−4,−3)\vec{AB} = (3, -4, -3)
AC⃗=C−A=(−1−(−1),7−3,1−2)=(0,4,−1)\vec{AC} = C - A = (-1 - (-1), 7 - 3, 1 - 2) = (0, 4, -1)

Calculamos el vector normal n⃗\vec{n} como el producto vectorial AB⃗×AC⃗\vec{AB} \times \vec{AC}:

n⃗=AB⃗×AC⃗=∣ijk3−4−304−1∣\vec{n} = \vec{AB} \times \vec{AC} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ 3 & -4 & -3 \\ 0 & 4 & -1 \end{vmatrix}
n⃗=((−4)(−1)−(−3)(4))i−((3)(−1)−(−3)(0))j+((3)(4)−(−4)(0))k\vec{n} = ((-4)(-1) - (-3)(4))\mathbf{i} - ((3)(-1) - (-3)(0))\mathbf{j} + ((3)(4) - (-4)(0))\mathbf{k}
n⃗=(4+12)i−(−3−0)j+(12−0)k\vec{n} = (4 + 12)\mathbf{i} - (-3 - 0)\mathbf{j} + (12 - 0)\mathbf{k}
n⃗=(16,3,12)\vec{n} = (16, 3, 12)

La ecuación general del plano es de la forma Ax+By+Cz+D=0Ax + By + Cz + D = 0, donde (A,B,C)(A, B, C) son las componentes del vector normal. Así, la ecuación del plano es 16x+3y+12z+D=016x + 3y + 12z + D = 0. Para encontrar DD, sustituimos las coordenadas de un punto del plano, por ejemplo, A(−1,3,2)A(-1, 3, 2):

16(−1)+3(3)+12(2)+D=016(-1) + 3(3) + 12(2) + D = 0
−16+9+24+D=0-16 + 9 + 24 + D = 0
17+D=0  ⟹  D=−1717 + D = 0 \implies D = -17

La ecuación del plano que contiene a los puntos A,BA, B y CC es:

16x+3y+12z−17=016x + 3y + 12z - 17 = 0

La recta que buscamos pasa por el origen de coordenadas O(0,0,0)O(0, 0, 0) y es perpendicular a este plano. Por lo tanto, el vector director de la recta es el vector normal del plano, vr⃗=n⃗=(16,3,12)\vec{v_r} = \vec{n} = (16, 3, 12).La ecuación de la recta en forma paramétrica es:

{x=0+16λy=0+3λz=0+12λ\begin{cases} x = 0 + 16\lambda \\ y = 0 + 3\lambda \\ z = 0 + 12\lambda \end{cases}

Simplificando, la ecuación de la recta es:

{x=16λy=3λz=12λ\begin{cases} x = 16\lambda \\ y = 3\lambda \\ z = 12\lambda \end{cases}