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Volúmenes
Problema
2023 · Extraordinaria · Titular
8
Examen

Calcula el volumen del tetraedro que limita el plano determinado por los puntos A(0,2,2)A(0, 2, -2), B(3,2,1)B(3, 2, 1) y C(2,3,2)C(2, 3, 2) con los planos cartesianos.

VolumenTetraedroPlanos cartesianos
Determinación de la ecuación del plano

Para hallar el plano π\pi determinado por los puntos A(0,2,2)A(0, 2, -2), B(3,2,1)B(3, 2, 1) y C(2,3,2)C(2, 3, 2), primero calculamos dos vectores directores del mismo:

AB=BA=(30,22,1(2))=(3,0,3)\vec{AB} = B - A = (3 - 0, 2 - 2, 1 - (-2)) = (3, 0, 3)
AC=CA=(20,32,2(2))=(2,1,4)\vec{AC} = C - A = (2 - 0, 3 - 2, 2 - (-2)) = (2, 1, 4)

A continuación, obtenemos el vector normal del plano mediante el producto vectorial de ambos vectores:

n=AB×AC=ijk303214=(3,6,3)\vec{n} = \vec{AB} \times \vec{AC} = \begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ 3 & 0 & 3 \\ 2 & 1 & 4 \end{vmatrix} = (-3, -6, 3)

Podemos simplificar el vector normal dividiendo por 3-3 para facilitar los cálculos, resultando n=(1,2,1)\vec{n'} = (1, 2, -1). La ecuación del plano será de la forma x+2yz+D=0x + 2y - z + D = 0. Sustituimos el punto A(0,2,2)A(0, 2, -2) para hallar DD:

0+2(2)(2)+D=04+2+D=0D=60 + 2(2) - (-2) + D = 0 \Rightarrow 4 + 2 + D = 0 \Rightarrow D = -6

La ecuación del plano π\pi es:

x+2yz6=0x + 2y - z - 6 = 0
Intersección con los ejes coordenados

El tetraedro está formado por el origen de coordenadas O(0,0,0)O(0, 0, 0) y los puntos de intersección del plano con los ejes XX, YY y ZZ. Calculamos dichos puntos:Corte con el eje XX (y=0,z=0y=0, z=0): x6=0x=6x - 6 = 0 \Rightarrow x = 6. Punto P(6,0,0)P(6, 0, 0).Corte con el eje YY (x=0,z=0x=0, z=0): 2y6=0y=32y - 6 = 0 \Rightarrow y = 3. Punto Q(0,3,0)Q(0, 3, 0).Corte con el eje ZZ (x=0,y=0x=0, y=0): z6=0z=6-z - 6 = 0 \Rightarrow z = -6. Punto R(0,0,6)R(0, 0, -6).

Cálculo del volumen del tetraedro

El volumen de un tetraedro definido por tres vectores u,v,w\vec{u}, \vec{v}, \vec{w} desde un vértice común (en este caso el origen) se calcula como un sexto del valor absoluto de su producto mixto:

V=16det(OP,OQ,OR)V = \frac{1}{6} | \det(\vec{OP}, \vec{OQ}, \vec{OR}) |

Sustituyendo las coordenadas de los puntos de corte:

V=16600030006=16108=18V = \frac{1}{6} \left| \begin{vmatrix} 6 & 0 & 0 \\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & -6 \end{vmatrix} \right| = \frac{1}{6} | -108 | = 18

El volumen del tetraedro es de 18 unidades cuˊbicas18 \text{ unidades c\text{ú}bicas}.