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Posición relativa
Problema
2022 · Ordinaria · Titular
8
Examen
EJERCICIO 8

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.
RectasPlano paraleloPosición relativa
a) Estudia la posición relativa de rr y ss.

Primero, expresamos las rectas en sus formas vectoriales o paramétricas.

Recta $r$

De la ecuación r≡x=1−y=zr \equiv x = 1 - y = z, podemos igualar cada parte a un parámetro λ\lambda:

{x=λ1−y=λ⇒y=1−λz=λ\begin{cases} x = \lambda \\ 1 - y = \lambda \Rightarrow y = 1 - \lambda \\ z = \lambda \end{cases}

Un punto de la recta rr es Pr(0,1,0)P_r(0, 1, 0) (tomando λ=0\lambda=0). Su vector director es vr⃗=(1,−1,1)\vec{v_r} = (1, -1, 1).

Recta $s$

La recta ss viene dada por la intersección de dos planos. Su vector director vs⃗\vec{v_s} se obtiene calculando el producto vectorial de los vectores normales de los planos:

{x+y−3z=4(n1⃗=(1,1,−3))3x−y+z=−2(n2⃗=(3,−1,1))\begin{cases} x + y - 3z = 4 \quad (\vec{n_1} = (1, 1, -3)) \\ 3x - y + z = -2 \quad (\vec{n_2} = (3, -1, 1)) \end{cases}
vs⃗=n1⃗×n2⃗=∣ijk11−33−11∣=(1−3)i−(1−(−9))j+(−1−3)k=(−2,−10,−4)\vec{v_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, -10, -4)

Podemos simplificar el vector director a vs⃗=(1,5,2)\vec{v_s} = (1, 5, 2) (dividiendo por −2-2). Para encontrar un punto de la recta ss, PsP_s, hacemos z=0z=0 en el sistema de ecuaciones:

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

Sumando ambas ecuaciones, obtenemos 4x=2⇒x=1/24x = 2 \Rightarrow x = 1/2. Sustituyendo en la primera ecuación: 1/2+y=4⇒y=7/21/2 + y = 4 \Rightarrow y = 7/2. Así, un punto de la recta ss es Ps(1/2,7/2,0)P_s(1/2, 7/2, 0).

Estudio de la posición relativa

Tenemos: rr: Pr(0,1,0)P_r(0, 1, 0), vr⃗=(1,−1,1)\vec{v_r} = (1, -1, 1) ss: Ps(1/2,7/2,0)P_s(1/2, 7/2, 0), vs⃗=(1,5,2)\vec{v_s} = (1, 5, 2) 1. Comparamos los vectores directores vr⃗\vec{v_r} y vs⃗\vec{v_s}:

11≠−15≠12\frac{1}{1} \neq \frac{-1}{5} \neq \frac{1}{2}

Como los vectores directores no son proporcionales, las rectas no son paralelas ni coincidentes. Por tanto, se cortan o se cruzan.2. Formamos el vector 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)

3. Calculamos el producto mixto de (vr⃗,vs⃗,PrPs⃗)(\vec{v_r}, \vec{v_s}, \vec{P_r P_s}) para determinar si son coplanarios:

∣1−111521/25/20∣=1(0−5)−(−1)(0−1)+1(5/2−5/2)=−5−1+0=−6\begin{vmatrix} 1 & -1 & 1 \\ 1 & 5 & 2 \\ 1/2 & 5/2 & 0 \end{vmatrix} = 1(0 - 5) - (-1)(0 - 1) + 1(5/2 - 5/2) = -5 - 1 + 0 = -6

Dado que el producto mixto es −6≠0-6 \neq 0, los tres vectores no son coplanarios. Por lo tanto, las rectas rr y ss se cruzan.

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 y es paralelo a la recta rr tendrá como punto de paso un punto de ss (por ejemplo, PsP_s) y como vectores directores los vectores directores de ambas rectas, vs⃗\vec{v_s} y vr⃗\vec{v_r}.Punto del plano: Ps(1/2,7/2,0)P_s(1/2, 7/2, 0) Vectores directores del plano: vs⃗=(1,5,2)\vec{v_s} = (1, 5, 2) y vr⃗=(1,−1,1)\vec{v_r} = (1, -1, 1) La ecuación general del plano se puede obtener a partir del determinante:

∣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)∣52−11∣−(y−7/2)∣1211∣+z∣151−1∣=0(x - 1/2) \begin{vmatrix} 5 & 2 \\ -1 & 1 \end{vmatrix} - (y - 7/2) \begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 1 & 1 \end{vmatrix} + z \begin{vmatrix} 1 & 5 \\ 1 & -1 \end{vmatrix} = 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
(x−1/2)(7)−(y−7/2)(−1)+z(−6)=0(x - 1/2)(7) - (y - 7/2)(-1) + z(-6) = 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.