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Rectas y planos
Problema
2022 · Extraordinaria · Suplente
8
Examen

Considera las rectas r≡x=1−y=zr \equiv x = 1 - y = z y s≡{x+y−3z=43x−y+z=−2s \equiv \begin{cases} x + y - 3z = 4 \\ 3x - y + z = -2 \end{cases}

a) Estudia la posición relativa de rr y ss.b) Calcula la ecuación del plano que contiene a ss y es paralelo a rr.
Posición relativaEcuación del planoRectas

Primero, expresamos las rectas rr y ss en su forma paramétrica o vectorial para obtener un punto y un vector director de cada una.

Recta r

La recta r≡x=1−y=zr \equiv x = 1 - y = z se puede escribir como:

x=z1−y=z  ⟹  y=1−zx = z \\ 1 - y = z \implies y = 1 - z

Si tomamos z=λz = \lambda, las ecuaciones paramétricas son:

{x=λy=1−λz=λ\begin{cases} x = \lambda \\ y = 1 - \lambda \\ z = \lambda \end{cases}

Un punto de la recta rr es Pr=(0,1,0)P_r = (0, 1, 0) (para λ=0\lambda = 0).Un vector director de la recta rr es dr⃗=(1,−1,1)\vec{d_r} = (1, -1, 1).

Recta s

La recta ss viene dada por la intersección de dos planos:

{x+y−3z=43x−y+z=−2\begin{cases} x + y - 3z = 4 \\ 3x - y + z = -2 \end{cases}

El vector director de ss, ds⃗\vec{d_s}, es perpendicular a los vectores normales de ambos planos. Por tanto, se obtiene mediante el producto vectorial de los vectores normales:

n1⃗=(1,1,−3)n2⃗=(3,−1,1)ds⃗=n1⃗×n2⃗=∣ijk11−33−11∣=(1−3)i−(1−(−9))j+(−1−3)k=−2i−10j−4k\vec{n_1} = (1, 1, -3) \\ \vec{n_2} = (3, -1, 1) \\ \vec{d_s} = \vec{n_1} \times \vec{n_2} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ 1 & 1 & -3 \\ 3 & -1 & 1 \end{vmatrix} = (1 - 3)\mathbf{i} - (1 - (-9))\mathbf{j} + (-1 - 3)\mathbf{k} = -2\mathbf{i} - 10\mathbf{j} - 4\mathbf{k}

Un vector director para ss es ds⃗=(−2,−10,−4)\vec{d_s} = (-2, -10, -4), que podemos simplificar a ds⃗=(1,5,2)\vec{d_s} = (1, 5, 2).Para hallar un punto de la recta ss, fijamos una de las coordenadas, por ejemplo z=0z=0:

{x+y=43x−y=−2\begin{cases} x + y = 4 \\ 3x - y = -2 \end{cases}

Sumando ambas ecuaciones: 4x=2  ⟹  x=1/24x = 2 \implies x = 1/2.Sustituyendo xx en la primera ecuación: 1/2+y=4  ⟹  y=4−1/2=7/21/2 + y = 4 \implies y = 4 - 1/2 = 7/2.Un punto de la recta ss es Ps=(1/2,7/2,0)P_s = (1/2, 7/2, 0).

a) Estudia la posición relativa de rr y ss.

Tenemos los puntos Pr=(0,1,0)P_r = (0, 1, 0) y Ps=(1/2,7/2,0)P_s = (1/2, 7/2, 0), y los vectores directores dr⃗=(1,−1,1)\vec{d_r} = (1, -1, 1) y ds⃗=(1,5,2)\vec{d_s} = (1, 5, 2).Primero, comprobamos si los vectores directores son paralelos. Es decir, si existe un escalar kk tal que dr⃗=kds⃗\vec{d_r} = k \vec{d_s}:

(1,−1,1)=k(1,5,2)  ⟹  {1=k−1=5k1=2k(1, -1, 1) = k(1, 5, 2) \implies \begin{cases} 1 = k \\ -1 = 5k \\ 1 = 2k \end{cases}

Estas igualdades no se cumplen para un mismo valor de kk (de la primera k=1k=1, de la segunda k=−1/5k=-1/5). Por lo tanto, los vectores dr⃗\vec{d_r} y ds⃗\vec{d_s} no son paralelos, lo que significa que las rectas rr y ss no son paralelas ni coincidentes.Para determinar si se cruzan o se cortan, calculamos el vector PrPs⃗\vec{P_r P_s} y el determinante de la matriz formada por los tres vectores dr⃗\vec{d_r}, ds⃗\vec{d_s} y PrPs⃗\vec{P_r P_s}.

PrPs⃗=Ps−Pr=(1/2−0,7/2−1,0−0)=(1/2,5/2,0)\vec{P_r P_s} = P_s - P_r = (1/2 - 0, 7/2 - 1, 0 - 0) = (1/2, 5/2, 0)
det⁡(dr⃗,ds⃗,PrPs⃗)=∣1−111521/25/20∣\det(\vec{d_r}, \vec{d_s}, \vec{P_r P_s}) = \begin{vmatrix} 1 & -1 & 1 \\ 1 & 5 & 2 \\ 1/2 & 5/2 & 0 \end{vmatrix}
=1⋅(5⋅0−2⋅5/2)−(−1)⋅(1⋅0−2⋅1/2)+1⋅(1⋅5/2−5⋅1/2)= 1 \cdot (5 \cdot 0 - 2 \cdot 5/2) - (-1) \cdot (1 \cdot 0 - 2 \cdot 1/2) + 1 \cdot (1 \cdot 5/2 - 5 \cdot 1/2)
=1⋅(0−5)+1⋅(0−1)+1⋅(5/2−5/2)= 1 \cdot (0 - 5) + 1 \cdot (0 - 1) + 1 \cdot (5/2 - 5/2)
=−5−1+0=−6= -5 - 1 + 0 = -6

Dado que el determinante es distinto de cero (−6≠0-6 \neq 0), las rectas rr y ss se cruzan (son alabeadas).

b) Calcula la ecuación del plano que contiene a ss y es paralelo a rr.

Un plano π\pi que contiene a la recta ss tiene como vector director a ds⃗\vec{d_s} y contiene al punto PsP_s.Si el plano π\pi es paralelo a la recta rr, entonces el vector director dr⃗\vec{d_r} también es un vector director del plano.Por lo tanto, el plano π\pi está definido por el punto Ps=(1/2,7/2,0)P_s = (1/2, 7/2, 0) y los vectores directores ds⃗=(1,5,2)\vec{d_s} = (1, 5, 2) y dr⃗=(1,−1,1)\vec{d_r} = (1, -1, 1).La ecuación general del plano se obtiene igualando a cero el determinante formado por un punto genérico (x,y,z)(x, y, z), el punto PsP_s, y los dos vectores directores:

∣x−1/2y−7/2z−01521−11∣=0\begin{vmatrix} x - 1/2 & y - 7/2 & z - 0 \\ 1 & 5 & 2 \\ 1 & -1 & 1 \end{vmatrix} = 0
(x−1/2)(5⋅1−2⋅(−1))−(y−7/2)(1⋅1−2⋅1)+z(1⋅(−1)−5⋅1)=0(x - 1/2) (5 \cdot 1 - 2 \cdot (-1)) - (y - 7/2) (1 \cdot 1 - 2 \cdot 1) + z (1 \cdot (-1) - 5 \cdot 1) = 0
(x−1/2)(5+2)−(y−7/2)(1−2)+z(−1−5)=0(x - 1/2) (5 + 2) - (y - 7/2) (1 - 2) + z (-1 - 5) = 0
7(x−1/2)−(−1)(y−7/2)−6z=07(x - 1/2) - (-1)(y - 7/2) - 6z = 0
7x−7/2+y−7/2−6z=07x - 7/2 + y - 7/2 - 6z = 0
7x+y−6z−14/2=07x + y - 6z - 14/2 = 0
7x+y−6z−7=07x + y - 6z - 7 = 0

La ecuación del plano es 7x+y−6z−7=07x + y - 6z - 7 = 0.