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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(a2,7,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(a2,7,b)C(a - 2, 7, b) estén alineados, los vectores AB\vec{AB} y AC\vec{AC} deben ser paralelos (proporcionales).Primero, calculamos los vectores AB\vec{AB} y AC\vec{AC}:

AB=BA=(2(1),13,12)=(3,4,3)\vec{AB} = B - A = (2 - (-1), -1 - 3, -1 - 2) = (3, -4, -3)
AC=CA=(a2(1),73,b2)=(a1,4,b2)\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 AC=kAB\vec{AC} = k \cdot \vec{AB}:

(a1,4,b2)=k(3,4,3)(a - 1, 4, b - 2) = k \cdot (3, -4, -3)

Comparando las componentes, obtenemos un sistema de ecuaciones:

{a1=3k(1)4=4k(2)b2=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):

a1=3(1)    a1=3    a=2a - 1 = 3(-1) \implies a - 1 = -3 \implies a = -2
b2=3(1)    b2=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(12,7,1)=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 AB\vec{AB} y AC\vec{AC}.

AB=(3,4,3)\vec{AB} = (3, -4, -3)
AC=CA=(1(1),73,12)=(0,4,1)\vec{AC} = C - A = (-1 - (-1), 7 - 3, 1 - 2) = (0, 4, -1)

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

n=AB×AC=ijk343041\vec{n} = \vec{AB} \times \vec{AC} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ 3 & -4 & -3 \\ 0 & 4 & -1 \end{vmatrix}
n=((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}
n=(4+12)i(30)j+(120)k\vec{n} = (4 + 12)\mathbf{i} - (-3 - 0)\mathbf{j} + (12 - 0)\mathbf{k}
n=(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+12z17=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, vr=n=(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}