Espacios vectoriales
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1
Espacios Vectoriales, Rectas y Planos
M.Sc. Alcides Astorga M.
Instituto Tecnologico de Costa Rica
Escuela de Matematica
· · ·Revista digital Matematica, educacion e internet (www.cidse.itcr.ac.cr)
2
El singular incidente de la Tribu Vectorial
Se cuenta que una vez existio una tribu de indios que
creıan firmemente que las flechas eran vectores. Si
querıan matar a un ciervo que se encontraba directa-
mente al Noroeste, no disparaban una flecha al Nooeste,
sino que disparaban dos flechas simultaneamente, una
directamente hacia el Oeste, confiados en que la
poderosa resultante de las dos flechas matarıan al ciervo.
Los cientıficos escepticos han dudado de la veracidad de
este rumor, basandose en que no se ha encontrado las
mas ligera huella de la existencia de tal tribu. Ahora
bien, la absoluta desaparicion de la tribu, a consecuen-
cia de la inanicion, es precisamente lo que cualquiera
hubiera esperado, dudas las condiciones. Y, puesto que
la teorıa afirma que la tribu existio confirma dos cosas
tan diversas como “el comportamiento no vertical de las
flechas” y el “principio darwinista de la seleccion natu-
ral”, no es, seguramente, una teorıa que pueda rechaz-
arse a la ligera.
(Tomado de la revista “Cuadernos de Educacion Matematica”, Vol.1, Departamento de Matematicas,
UNAM, Mexico.)
Creditos
Edicion y composicion Word: Alcides Astorga M.
Edicion y composicion LaTeX: Lisseth Angulo, Walter Mora F.
Graficos (version LaTeX): Walter Mora F.
Comentarios y correcciones: escribir a [email protected]
Contenido
1.1 Espacios vectoriales reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Ejemplos de espacios vectoriales reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.3 Combinacion lineal de vectores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.4 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.5 Dependencia lineal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.6 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.7 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.8 Vectores paralelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.9 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.10 Independencia lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.11 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.12 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.13 Base de unn espacio vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.14 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2 Los espacios vectoriales R3 y R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1 Representacion de vectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2 Regla del paralelogramo para sumar vectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.3 Longitud de un vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.4 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.5 Vectores unitarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.6 Producto escalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.7 Vectores perpendiculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.8 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.9 Angulo entre vectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.10 Proyeccion vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.11 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.12 Producto vectorial en R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3
4
1.3 Rectas en R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.1 Diferentes formas de expresar la ecuacion de una recta en R3 . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.2 Ecuacion de una recta en R3 cuando se conocen dos puntos . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.3.3 Rectas paralelas y rectas perpendiculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.3.4 Angulos entre rectas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.4 Planos en R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.4.1 Ecuacion cartesiana del plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.4.2 Ecuacion del plano cuando se conocen tres puntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4.3 Planos paralelos, planos perpendiculares y angulos entre planos . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.4.4 Rectas y planos paralelos. Rectas y planos perpendiculares . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.5 Algunos ejemplos resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Espacios vectoriales reales Prof. Alcides Astorga Morales 5
1.1 Espacios vectoriales reales
Sea V un conjunto sobre el cual se definen dos operaciones, a saber:
1.) La suma
Si u ∈ V y v ∈ V, entonces (u + v) ∈ V
2.) La multiplicacion escalar
Si α ∈ R y u ∈ V, entonces α · u ∈ V.
V se dice que es un espacio vectorial real para las operaciones definidas anteriormente, si estas cumplen las
siguientes propiedades:
a.) u + v = v + u, para todo u, v en V.
b.) (u + v) + w = v + (u + w), para todo u, v, w en V.
c.) Existe un elemento en V, denotado 0 y llamado vector cero, tal que para todo u en V cumple que
u + 0 = 0 + u = u.
d.) Para todo u en V, existe un elemento en V, denotado −u, tal que u + (−u) = −u + u = 0.
e.) (α + β) · u = α · u + β · u, para todo α, β en R, y para todo u en V.
f.) α · (u + v) = α · v + α · u, para todo α en R, y para todo u, v en V.
g.) (αβ) · u = α · (β · u) , para todo α, β en R, y para todo u en V.
h.) 1 · u = u, para todo u en R.
Los elementos de un espacio vectorial reciben el nombre de vectores.
1.1.1 Ejemplos de espacios vectoriales reales
1. Sea V el conjunto de las matrices cuadradas de orden 2, con entradas en el conjunto de los numeros reales,
esto es:
V =
a b
c d
/a, b, c, d son numeros reales
entonces V con las operaciones siguientes es un espacio vectorial.
i.) Suma
Si u =
a b
c d
y v =
e f
g h
entonces u+v =
a b
c d
+
e f
g h
=
a + e b + f
c + g d + h
6
ii.) Multiplicacion escalar
Si u =
a b
c d
entonces α · u = α ·
a b
c d
=
αa αb
αc αd
2. Sea Pn el conjunto formado por todos los polinomios de grado menor o igual que n, esto es
Pn ={anxn + an−1x
n−1 + · · ·+ a1x + a0 / an, an−1, · · · , a1, a0 son numeros reales}
.
Se puede verificar que Pn con las operaciones suma y multiplicacion escalar que se definen a continuacion
constituye un espacio vectorial.
i.) Suma
Sean p(x) y q(x) dos polinomios en Pn tales que:
p(x) = anxn + an−1xn−1 + · · ·+ a1x + a0 , q(x) = bnxn + bn−1x
n−1 + · · ·+ b1x + b0
Entonces se define:
p(x) + q(x) = (anxn + an−1xn−1 + · · ·+ a1x + a0) + (bnxn + bn−1x
n−1 + · · ·+ b1x + b0)
= (an + bn)xn + (an−1 + bn−1)xn−1 + · · ·+ (a1 + b1)x + (a0 + b0)
ii.) Multiplicacion escalar
Sea p(x) = anxn + an−1xn−1 + · · ·+ a1x + a0 y α ∈ R, entonces se define
αp(x) = α(anxn + an−1xn−1 + · · ·+ a1x + a0) = (αan)xn + (αan−1)xn−1 + · · ·+ (αa1)x + (αa0)
3. Se define el conjunto Rn de la siguiente manera:
Rn = {(x1, x2, x3, · · · , xn) / xi ∈ R para i = 1, 2, 3, · · · , n}
En Rn se define la suma y la multiplicacion escalar de la siguiente forma:
i.) Suma
Sean x, y en Rn tales que x = (x1, x2, x3, ..., xn), y = (y1, y2, y3, ..., yn), entonces
x + y = (x1 + y1, x2 + y2, x3 + y3, ..., xn + yn)
Espacios vectoriales reales Prof. Alcides Astorga Morales 7
ii.) La multiplicacion escalar
Sea x = (x1, x2, x3, ..., xn) y α ∈ R, se define:
αx = α(x1, x2, x3, ..., xn) = (αx1, αx2, αx3, ..., αxn)
Se puede verificar que Rn es un espacio vectorial con las dos operaciones definidas anteriormente.
Dos casos especiales, que se analizaran posteriormente, lo constituyen:
a. R2 = { (x, y) / x ∈ R, y ∈ R}b. R3 = { (x, y, z) / x ∈ R, y ∈ R, z ∈ R}
1.1.2 Ejercicios
1. Sean a y b dos numeros reales, tales que a < b. Sea C[a, b] el conjunto de las funciones continuas de valor
real definidas en [a, b].
En C[a, b] se define la suma de funciones y la multiplicacion escalar de la siguiente forma:
i.) Suma
(f + g)(x) = f(x) + g(x)
ii.) Multiplicacion escalar
(α · f)(x) = α · f(x)
Verifique que C[a, b], con las operaciones definidas anteriormente es un espacio vectorial.
2. Sea N [a, b] el subconjunto de C[a, b], definido de la siguiente forma:
N [a, b] =
{f ∈ C[a, b]/
∫ b
a
f(x) dx = 0
}
Verifique que N [a, b] con las operaciones definidas en el punto 1 de este ejercicio es un espacio vectorial.
3. Verifique que si se define Pn como
Pn ={anxn + an−1x
n−1 + · · ·+ a1x + a0 / an, an−1, · · · , a1, a0 son numeros enteros}
entonces Pn con las operaciones definidas en el punto 2 del ejemplo anterior, no es un espacio vectorial real.
1.1.3 Combinacion lineal de vectores.
Sean v1, v2, v3, ..., vn vectores de un espacio vectorial real V. Sea v otro vector en V. Se dice que v se puede
escribir como combinacion lineal de los vectores v1, v2, v3, ..., vn si existen numeros reales α1, α2, α3, ..., αn tales
que
v = α1v1 + α2v2 + α3v3 + ... + αnvn
8
Ejemplo 1
Sean u = (−1, 2), v = (1, 2) y w = (2, 3) vectores en R2.
Exprese, si es posible, u como combinacion lineal de v y w.
Solucion
Se tiene que determinar dos numeros reales, los cuales denotamos α y β, tales que
(−1, 2) = α(1, 2) + β(2, 3)
De la igualdad anterior se tiene que
(−1, 2) = (α + 2β, 2α + 3β)
De donde se obtiene que{−1 = α + 2β
2 = 2α + 3β
Resolviendo el sistema de ecuaciones anterior se concluye que α = 7 y β = −4, y por lo tanto:
(−1, 2) = 7(1, 2)− 4(2, 3)
1.1.4 Ejercicios
Sean u = (−1, 2, 1), v = (0, 1, 1), w = (1,−1, 0) y r = (−1, 0, 1) vectores en R3.
Exprese u como combinacion lineal de v, w y r.
1.1.5 Dependencia lineal.
Sean v1, v2, v3, ..., vn vectores de un espacio vectorial real V. Se dice que v1, v2, v3, ..., vn son linealmente depen-
dientes si para cualesquiera numeros reales α1, α2, α3, ..., αn tales que cumplan
α1v1 + α1v2 + α1v3 + ... + α1vn = 0 (0 denota el vector cero de V)
entonces existe algun i en {1, 2, 3, ..., n} tal que αi 6= 0.
Ejemplo 2
Sean u = (1, 2), v = (3, 5) y w = (7, 11) vectores en R2.
Determine si u, v y w son linealmente dependientes.
Solucion
Supongase que existen α, β y δ tales que α(1, 2) + β(3, 5) + δ(7, 11) = (0, 0)
Espacios vectoriales reales Prof. Alcides Astorga Morales 9
α(1, 2) + β(3, 5) + δ(7, 11) = (0, 0)
=⇒ (α + 3β + 7δ, 2α + 5β + 11δ) = (0, 0)
=⇒{
α + 3β + 7δ = 02α + 5β + 11δ = 0
(I)
Multiplicando la primera ecuacion por -2, la segunda por 1 y luego sumandolas, se tiene
{−2α− 6β − 14δ = 02α + 5β + 11δ = 0
−β − 3δ = 0 Por lo que β = −3δ
Sustituyendo el valor de β en la ecuacion α + 3β + 7δ = 0
α + 3(−3δ) + 7δ = 0 =⇒ α = 2δ
Como el sistema de ecuaciones (I) tiene infinitas soluciones, entonces u, v y w son linealmente dependientes,
pues, por ejemplo, se puede tomar δ = 1, de donde α = 2 y β = −3.
1.1.6 Ejercicios
Sean u = (1, 0,−1), v = (−1, 2, 3) y w = (−1, 6, 7) vectores en R3. Determine si u, v, w son vectores linealmente
dependientes.
Teorema 1
Sean v1, v2, v3, ..., vn vectores de un espacio vectorial real V. Diremos que v1, v2, v3, ..., vn son linealmente de-
pendientes si uno cualquiera de estos vectores se puede representar como combinacion lineal de los otros n− 1
vectores, esto es, si es posible determinar β1, β2, ..., βi−1, βi+1, ..., βn tales que
vi = β1v1 + β2v2 + ... + βi−1vi−1 + βi+1vi+1 + ... + βnvn
1.1.7 Ejercicios
Sean u = (1, 1, 1), v = (0,−2, 3) y w = (−2, 0, 5) vectores en R3. Utilizando el criterio anterior, determine si
u, v, w son linealmente dependientes.
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1.1.8 Vectores paralelos
Sean u y v dos vectores de un espacio vectorial V. Se dice que u y v son paralelos, si u y v son linealmente dependi-
entes, y por el teorema anterior, se puede decir que u y v son paralelos si existe un numero real β tal que u = βv.
1.1.9 Ejercicios
En cada uno de los casos siguientes, determine si cada par de vectores dados son paralelos.
a.) u = (−1, 3), v = (0, 1) b.) u = (−1, 1, 0), v = (4,−4, 0)
1.1.10 Independencia lineal
Sean v1, v2, v3, ..., vn vectores de un espacio vectorial real V. Se dice que v1, v2, v3, ..., vn son linealmente inde-
pendientes si para cualesquiera numeros reales α1, α2, α3, ..., αn tales que cumplan
α1v1 + α2v2 + α3v3 + ... + αnvn = 0 (0 denota el vector cero de V)
entonces, para todo i, con i = 1, 2, 3, 4, ..., n se cumple que αi = 0.
Ejemplo 3
Sean u = (−1, 2, 0), v = (−3, 0, 2) y w = (0, 1, 1) vectores en R3. Determine si u, v y w son linealmente inde-
pendientes.
Solucion
Sopongase que existen α, β y δ tales que α(−1, 2, 0) + β(−3, 0, 2) + δ(0, 1, 1) = (0, 0, 0)
α(−1, 2, 0) + β(−3, 0, 2) + δ(0, 1, 1) = (0, 0, 0)
=⇒ (−α− 3β, 2α + δ, 2β + δ) = (0, 0, 0)
=⇒
−α− 3β = 0
2α + δ = 0
2β + δ = 0
Espacios vectoriales reales Prof. Alcides Astorga Morales 11
Multiplicando la ecuacion uno por 2, la ecuacion dos por 1, y luego sumando estas ecuaciones se obtiene que
{−2α− 6β = 02α + δ = 0
−6β + δ = 0 o sea que δ = 6β
Sustituyendo este valor de δ en la ecuacion tres se tiene que
2β + δ = 2β + 6β = 8β = 0 =⇒ β = 0
Por lo que, δ = 0, pues δ = 6β, y sustituyendo en cualquiera de las ecuaciones anteriores los valores de β y δ
obtenidos, se tiene que tambien α = 0.
Como α = β = δ = 0 entonces se concluye que u, v, w son linealmente independientes.
1.1.11 Ejercicios
Sean u = (−1, 2, 4), v = (0, 2,−2) y w = (3,−1, 2). Verifique que u, v y w son linealmente independientes.
Teorema 2
Sean u, v dos vectores en R2 tales que u = (x1, x2), v = (y1, y2), y sea
D =x1 x2
y1 y2
Si D = 0 , entonces u, v son vectores linealmente dependientes, en caso contrario, u, v son linealmente indepen-
dientes.
Teorema 3
Sean u, v, w vectores en R2 tales que u = (x1, x2, x3), v = (y1, y2, y3), w = (z1, z2, z3), y sea
D =
x1 x2 x3
y1 y2 y3
z1 z2 z3
Si D = 0 , entonces u, v, w son vectores linealmente dependientes, en caso contrario, son linealmente indepen-
dientes.
12
1.1.12 Ejercicios
Determine si los siguientes vectores son dependientes o linealmente independientes.
1.) u = (−4, 5), v = (2, 7)
2.) u = (3, 5,−2), v = (−3, 0, 4), w = (3, 1, 2)
1.1.13 Base de unn espacio vectorial
Sean v1, v2, v3, ..., vn vectores, diferentes del vector cero, de un espacio vectorial V. Se dice que el conjunto
{v1, v2, v3, ..., vn} constituye una base de V, y a su vez se dice que V tiene dimencion n, si cumple las siguientes
condiciones:
i.) Los vectores v1, v2, v3, ..., vn son linealmente independientes
ii.) Todos los elementos de V se pueden expresar como combinacion lineal de v1, v2, v3, ..., vn. Cuando se
cumple esta condicion se dice que {v1, v2, v3, ..., vn} genera a V.
Ejemplo 4
Sean u = (−1, 2) y v = (3, 5). Demuestre que {u, v} constituye una base de R2.
Solucion
i.) u y v son linealmente independientes
Supongase que existen α y β tales que: α(−1, 2) + β(3, 5) = (0, 0)
α(−1, 2) + β(3, 5) = (0, 0)
=⇒ (−α + 3β, 2α + 5β) = (0, 0))
=⇒{−α + 3β = 0
2α + 5β = 0=⇒ multiplicando por 2
=⇒{−α + 3β = 0
2α + 5β = 0
11β = 0 =⇒ β = 0
Sustituyendo el valor de β en α + 3β = 0, se tiene que α = 0.
Espacios vectoriales reales Prof. Alcides Astorga Morales 13
Como α = β = 0, entonces u y v son linealmente independientes.
ii. {u, v} generan a R2.
En este caso se debe demostrar que para cualquier vector w en R2, existen α y β tales que:
w = αu + βv
Sea que w = (x, y), entonces
w = αu + βv
=⇒ (x, y) = α(−1, 2) + β(3, 5)
=⇒ (x, y) = (−α + 3β, 2α + 5β)
=⇒{
x = −α + 3β
y = 2α + 5β
Del sistema de ecuaciones anterior se debe despejar tanto α como β en terminos de x y y.
{x = −α + 3β
y = 2α + 5β=⇒
{2x = −2α + 6β
y = 2α + 5β
2x + y = 11β =⇒ β =2x + y
11(∗)
Sustituyendo el valor de β en la ecuacion x = −α + 3β, se tiene que
x = −α + 3(2x + y
11)
=⇒ x =−11α + 6x + 3y
11
=⇒ 11x = −11α + 6x + 3y
=⇒ 11α = −11x + 6x + 3y
=⇒ 11α = −5x + 3y
=⇒ α =−11x + 6x + 3y
11(∗∗)
14
Por lo anterior, dado cualquier vector w = (x, y) en R2 siempre es posible expresarlo como combinacion
lineal de u y v, utilizando (∗) y (∗∗), de la siguiente forma:
(x, y) =−5x + 3y
11(−1, 2) +
2x + y
11(3, 5)
Por (i) y (ii) se concluye que {(−1, 2), (3, 5)} es una base de R2 y por tanto tiene dimencion 2.
1.1.14 Ejercicios
1.) Sean u = (−2, 5) y v = (3, 1) vectores en R2. Determine si {u, v} es una base de R2.
2.) Sean u = (−2, 1, 1) , v = (1, 3, 1) y w = (0, 2, 4) vectores en R3. Determine si {u, v, w} es una base de R3.
3.) Sean u = (1, 1, 1) , v = (1, 0, 1) y w = (−1,−2,−1) vectores en R3. Determine si {u, v, w} es una base de
R3.
Teorema 4
Sea V un espacio vectorial real de dimension n.
a.) La base de V no es unica.
b.) Todas las bases de V tienen exactamente n elementos.
c.) Cualquier subconjunto de V que contenga n+ 1 vector es linealmente dependiente.
d.) Si un subconjunto de V tiene n vectores linealmente independientes, entonces es una base de V.
Ejemplo 5
Sean u = (−1, 5,−2), v = (0,−2, 3) y w = (1, 1, 1) vectores en R3.
Sabiendo que R3 es un espacio vectorial real de dimencion 3, verique que {u, v, w} es una base de R3.
Solucion
Como R3 es un espacio vectorial de dimencion 3, y se tienen tres vectores de R3, basta demostrar que u, v y w
son linealmente independientes. Para hacer esto calculemos D, donde
D =
−1 5 −2
0 −2 3
1 1 1
= 5− 0 + 11 = 16
Los espacios vectoriales R3 y R3 Prof. Alcides Astorga Morales 15
Como D 6= 0, entonces los vectores u, v, w son linealmente independientes y por lo tanto {u, v, w} es una base
de R3.
1.2 Los espacios vectoriales R3 y R3
1.2.1 Representacion de vectores
El espacio vectorial R2 corresponde a lo que se denomina el plano real y tiene dimencion 2. Tradicionalmente
se toma para este espacio como base el conjunto de vectores {i, j} tal que:
i = (1, 0) y j = (0, 1)
El conjunto {i, j} recibe el nombre de base canonica.
En la representacion geometrica de elementos de este espacio, el vector i corresponde en el sistema de coorde-
nadas al eje x, y el vector j corresponde al eje y.
Ası cualquier vector u = (x, y) en el plano se acostumbra escribir como
u = (x, y) = xi + yj
Los numeros reales x, y reciben el nombre de componentes del vector u en la base {i, j}.
Similarmente, el espacio vectorial R3 corresponde al espacio real y su dimencion es 3. La base con que se trabaja
generalmente es {i, j,k} donde
i = (1, 0, 0), j = (0, 1, 0), k = (0, 0, 1)
Usando esta base, se tiene que si u = (x, y, z) entonces
u = (x, y, z) = xi + yj + zk
Los numeros reales x, y, z reciben el nombre de componentes del vector (x, y, z) en la base {i, j,k} y esta recibe
el nombre de base canonica.
En la representacion geometrica de elementos de este espacio el vector i corresponde al eje x, el j corresponde
al eje y, y el vector k al eje z.
16
Nota
Mientras no se mencione lo contrario, se supondra que todos los vectores en R2 y R3, estan dados en la base
canonica.
• Segmento de recta dirigido
Sean P y Q dos puntos en R2 o R3, entonces el segmento de recta dirigido de P a Q (en este orden), y
denotado −−→PQ, se define como el segmento de recta que se extiende de P a Q, a P se le llama punto inicial
y a Q punto terminal.
Si dos segmentos de recta −−→PQ y −→RS tienen la misma longitud y direccion se dice que son equivalentes.
• Representacion geometrica de un vector
La representacion geometrica de un vector u, cuyas componentes vienen dadas con respecto a la base
canonica, consiste de todos los segmentos de recta dirigidos equivalentes a u.
Y
X
Figura 1.1:
Asimismo:
• Los vectores cuyo punto inicial es el origen O, y punto terminal es P, se acostumbran a denotar como −−→OP .
Si u es un vector tal que u = −−→OP , entonces las componentes de u seran las coordenadas del punto P, e
inversamente, diremos que si P es un punto, entonces −−→OP es el vector cuyo punto inicial es el origen y
Los espacios vectoriales R3 y R3 Prof. Alcides Astorga Morales 17
cuyo punto terminal es P.
j
y
x iO
P= (x , y) = xi + yi
Figura 1.2:
K
j
o
P = ( x, y, z) = xi + yj + zk
z
y
x
Figura 1.3:
• Si u es un vector tal que u = −−→PQ, donde P y Q son dos puntos, entonces diremos que u tiene como
punto inicial P y como punto terminal Q. Ademas, se puede verificar que este vector corresponde al vector−−→OQ−−−→OP , cuyas componentes estan dadas en la base canonica, y el cual es un vector cuyo punto inicial
es el origen y las coordenadas del punto terminal son las mismas que las de Q - P. Por lo anterior, se
acostumbra escribir:−−→PQ = −−→
OQ−−−→OP
18
1.2.2 Regla del paralelogramo para sumar vectores
La suma de vectores de R2 y R3 tiene una representacion grafica muy interesante. Para ilustrarla, supongase
que se tienen dos vectores u y v cuyas componenetes estan dadas en la base canonica. El resultado de sumar u
con v se puede representar como el vector u+v, el cual coincide con el vector situado a lo largo de la diagonal del
paralelogramo de lados u y v. Dicho paralelogramo, como se nota en la siguiente figura, se obtiene trasladando
los vectores u y v hasta que el punto inicial de cada vector coincida con el punto terminal del otro vector.
u + v
u
v
v
u
Figura 1.4:
1.2.3 Longitud de un vector
Sea u un vector, la longitud (magnitud, norma) de u se denota como ‖u‖, se tienen los siguientes casos:
i. Si u = (x, y) entonces ‖u‖ =√
x2 + y2.
ii. Si u = (x, y, z) entonces ‖u‖ =√
x2 + y2 + z2.
iii. Si u = −−→AB donde A = (x1, y1) y B = (x2, y2) entonces
u = −−→AB = −−→
OB −−→OA = (x2 − x1, y2 − y1)
Por lo que ‖u‖ = ‖−−→AB‖ =√
(x2 − x1)2 + (y2 − y1)2.
Los espacios vectoriales R3 y R3 Prof. Alcides Astorga Morales 19
iv. Si u = −−→AB donde A = (x1, y1, z1) y B = (x2, y2, z2) entonces
u = −−→AB = −−→
OB −−→OA = (x2 − x1, y2 − y1, z2 − z1).
Por lo que: ‖u‖ = ‖−−→AB‖ =√
(x2 − x1)2 + (y2 − y1)2 + (z2 − z1)2.
1.2.4 Ejercicios
Calcular la magnitud de los vectores siguientes
1.) −−→AB si A =(−2, 3, 0) y B =(−3, 4,−5)
2.) u = (−2, 1)
3.) u = (−1, 2,−6)
Teorema 5
Sean u y v dos vectores y α un numero real, entonces se cumple que:
a.) ‖u‖ ≥ 0
b.) ‖αu‖ = |α| · ‖u‖
c.) ‖u + v‖ ≤ ‖u‖+ ‖v‖
1.2.5 Vectores unitarios
Sea v un vector. Se dice que v es unitario si cumple que ‖v‖ = 1.
Teorema 6
Sea v un vector diferente del vector cero, entonces se cumple que u = v‖v‖ es un vector unitario.
Por ejemplo, si v = (−2, 2, 1) entonces se tiene que ‖v‖ =√
(−2)2 + 22 + 12 = 3
20
Sea u = v‖v‖ = 1
3 (−2, 2, 1) = (−23
,23,13), entonces ‖u‖ =
√49
+49
+19
= 1
1.2.6 Producto escalar
a.) Sean u = (x1, y2) y v = (x2, y2). El producto escalar o producto punto de u y v, denotado u · v, se define
como el munero real que viene dado por
u · v = x1x2 + y1y2
b.) Sean u = (x1, y2.z1) y v = (x2, y2, z2). El producto escalar o producto punto de u y v, denotado u · v, se
define como el munero real que viene dado por
u · v = x1x2 + y1y2 + z1z2
Nota
Recuerde que el producto escalar se dos vectores siempre es un numero real.
Ejemplo 6
Calcular el producto escalar de los siguientes vectores
1.) u = (−2, 5), v = (3, 1)
2.) u = (−3, 1, 4), v = (−1,−7, 1)
Solucion
1.) u · v = (−2, 5)(3, 1) = (−2)(3) + (5)(1) = −6 + 5 = −1
2.) u · v = (−3, 1, 4)(−1,−7, 1) = (−3)(−1) + (1)(−7) + (4)(1) = 3− 7 + 4 = 0
1.2.7 Vectores perpendiculares
Sean u y v dos vectores diferentes de cero. Se dice que u y v son perpendiculares (ortogonales) si se cumple que
u · v = 0.
Los espacios vectoriales R3 y R3 Prof. Alcides Astorga Morales 21
1.2.8 Ejercicios
De entre los siguientes vectores determine cuales son perpendiculares entre sı:
1.) u = (−2, 4), v = (1, 0.5), w = (1, 0)
2.) u = (−1, 2, 2), v = (1, 5, 2), w = (2, 0,−1)
Teorema 7
Sean u, v vectores y α un numero real, entonces
a.) u · v = v · u
b.) (α · u) · v = α(v · u)
c.) ‖u‖2 = u · u
Ejemplo 7
Sean u = (1, 0, 3) y v = (−2, 1, 4) vectores en R3.
Determine los vectores w en R3 que satisfagan simultaneamente las siguientes condiciones:
a.) w se puede expresar como combinacion lineal de u y v.
b.) w es perpendicular a u.
c.) ‖w‖ =√
44
Solucion
Sea w = (x, y, z) el vector buscado.
Por (a), existen α y β tales que (x, y, z) = α(1, 0, 3) + β(−2, 1, 4)
De donde se concluye que
22
x = α− 2β (i)
y = β (ii)
z = 3α + 4β (iii)
Por (b), como w es perpendicular a u, entonces se concluye que:
(x, y, z)(1, 0, 3) = 0, o sea que
x + 3z = 0, de donde
x = −3z
Por (i) y (iii) se tiene que x = α− 2β, z = 3α + 4β, por lo que:
x = −3z
=⇒ α− 2β = −3(3α + 4β)
=⇒ α− 2β = −9α− 12β)
=⇒ α + 9α = −12β + 2β, obteniendose que
α = −β
Como α = −β, entonces sustituyendo en (i) y (iii) se tiene que
x = α− 2β = −β − 2β = −3β, por lo tanto, x = −3β (iv)
z = 3α + 4β = −3β + 4β = β, por lo tanto, z = β (v)
Por (c), se tiene que ‖w‖ =√
44, de donde se tiene que
√x2 + y2 + z2 =
√44, o sea, que x2 + y2 + z2 = 44, usando (ii), (iv) y (v) se tiene que
x2 + y2 + z2 = 44
Los espacios vectoriales R3 y R3 Prof. Alcides Astorga Morales 23
=⇒ (−3β)2 + β2 + β2 = 44
=⇒ 9β2 + 2β2 = 44
=⇒ 11β2 = 44
=⇒ β2 = 4
=⇒ β = 2, β = −2
Si β = 2, entonces x = −6, y = 2, z = 2.
Si β = −2, entonces x = 6, y = −2, z = −2.
Rspuesta: Los vectores que cumplen las condiciones dadas son (−6, 2, 2) y (6,−2,−2).
1.2.9 Angulo entre vectores
i. Sean u y v dos vectores diferentes de cero no paralelos, cuyos puntos iniciales coinciden con el origen.
Entonces se define el angulo ϕ entre los vectores u y v como el angulo no negativo mas pequeno formado
por estos vectores. Por lo anterior ϕ ∈ [0, π].
ii. Si u y v son vectores paralelos diferentes de cero, o sea existe α ∈ R tal que u = αv, entonces se define el
angulo “entre” u y v de la siguiente forma:
a.) si α > 0, entonces ϕ = 0.
b.) si α < 0, entonces ϕ = π.
Teorema 8
Sean u y v vectores diferentes de cero y no paralelos. Si ϕ es el angulo entre u y v, entonces
cosϕ =u · v
‖u‖ · ‖v‖Ejemplo 8
Sean u y v dos vectores tales que u = (−2, 1) y v = (1, 3), calcule la medida del angulo entre u y v.
24
Solucion
Sea ϕ el angulo buscado
u · v = (−2, 1)(1, 3) = −2 + 3 = 1
‖u‖ =√
(−2)2 + 12 ‖v‖ =√
12 + 32
Por lo que cos ϕ =1
(5)(10), y entonces se tiene que ϕ = arccos (
150
) ≈ 1.5507 (en radianes).
1.2.10 Proyeccion vectorial
Sean u y v dos vectores diferentes de cero, entonces la proyeccion de u sobre v es un vector denotado Proyv el
cual viene dado por
Proyvu = η · v donde se tiene que η =u · v‖v‖2
Note que la proyeccion de u sobre v es un vector paralelo a v.
u
v
Proy uv
Figura 1.5:
Ejemplo 9
Sea u = (2,−3) y v = (1,−4). Determine la proyeccion de u sobre v.
Los espacios vectoriales R3 y R3 Prof. Alcides Astorga Morales 25
u
v
v Proy U
Figura 1.6:
Solucion
η =(2,−3)(1,−4)12 + (−4)2
=2 + 121 + 16
=1417
Por lo que Proyvu =1417
(1,−4) = (1417
,−5617
)
1.2.11 Ejercicios
Para cada par de vectores que se dan a continuacion determine la proyeccion de u sobre v.
1.) u = (3, 2, 1), v = (1, 2,−1).
2.) u = (0.5,−3, 0.25), v = (−2, 12, 1)
1.2.12 Producto vectorial en R3
Sean u = (x1, y1, z1) y v = (x2, y2, z2) vectores en R3. Se define el producto vectorial (producto cruz, producto
exterior), denotado u× v, como el vector que viene dado por
u× v = (y1z2 − z1y2, z1x2 − x1z2, x1y2 − y1x2)
Nota
Tenga presente que el producto vectorial se define unicamente para vectores en R3
La forma de como calcular el producto vectorial de dos vectores tal y como esta enunciada en la definicion
anterior es difıcil de recordar. Es por esto que dicho resultado se puede escribir en forma indicada utilizando
26
determinantes, de la siguiente forma
u× v =
i j k
x1 y1 z1
x2 y2 z2
(∗)
Note que en realidad, (∗) no es un determinante por cuanto i, j y k no son numeros reales y por lo tanto el
resultado de (∗) no es un numero real.
Teorema 9
Sean u, v y w vectores en R3 y sea α un numero real, entonces se cumple que:
1.) u× 0 = 0× v = 0 (0 denota el vector cero)
2.) u× v = −(v × u)
3.) (α · u)× v = α(u× v)
4.) u× (v + w) = (v × u) + (v × w)
5.) (u× v) · w = u · (v × w)
6.) u · (u× v) = 0(esta propiedad lo que afirma es que (u× v) es perpendicular a u)
7.) v · (u× v) = 0(esta propiedad lo que afirma es que (u× v) es perpendicular a v)
8.) u y v son paralelos ⇔ u× v = 0
9.) Si ϕ es el angulo entre u y v ( se supone que u y v no son paralelos) entonces
‖u× v‖ = ‖u‖ · ‖v‖ sin ϕ.
10.) El area de un paralelogramo generado por los vectores u y v viene dada por ‖u× v‖.
En particular el area del triangulo de lados u y v, viene dada por‖u× v‖
2.
Ejemplo 10
Sean A, B y C dos puntos en R3 tales que A = (1, 2, 1), B = (3,−1, 7) y C = (7, 4,−2).
a.) Verifique que A, B y C son los vertices de un triangulo isosceles.
Los espacios vectoriales R3 y R3 Prof. Alcides Astorga Morales 27
b.) Calcule la medida del angulo cuyo vertices es C.
c.) Calcule el area del triangulo de vertices A, B y C.
Solucion
a.) Una forma de determinar si el triangulo de vertices A, B y C es isosceles es verificando que tiene dos lados
que miden lo mismo.
A
B
C
Figura 1.7:
i.) ‖−→CA‖ = ‖−→OA−−−→OC‖ = ‖(1, 2, 1)− (7, 4,−2)‖ = ‖(−6,−2, 3)‖
=√
(−6)2 + (−2)2 + 32 = 7
ii.) ‖−−→CB‖ = ‖−−→OB −−−→OC‖ = ‖(−4,−5, 9) =√
(−4)2 + (−5)2 + 92 =√
122
iii.) ‖−−→BA‖ = ‖−→OA−−−→OB‖ = ‖(−2, 3,−6) =√
(−2)2 + 32 + (−9)2 = 7
Como ‖−→CA‖ = ‖−−→BA‖, entonces el triangulo de vertices A, B y C es isosceles.
b.) Calculemos la medida del angulo cuyo vertice es C
Si α denota la medida del angulo cuyo vertice es C, entonces
cos α =−→CA · −−→CB
‖−→CA‖ · ‖−−→CB‖ =(−6,−2, 3) · (−4,−5, 9)
(7)(√
122)=
24 + 10 + 277√
122
28
C
alfa
A
B
Figura 1.8:
Por lo que α = arccos(61
7√
122), o sea que α ≈ 0.6616 (en radianes).
c.) Para calcular el area del triangulo se puede usar cualquiera de las formulas
12‖−−→CB ×−→CA‖, 1
2‖−→AC ×−−→AB‖, 1
2‖−−→CB ×−−→AB‖
En este ejemplo usaremos12‖−−→CB ×−→CA‖
−−→CB ×−→CA =
i j k
−4 −5 9
−6 −2 3
= 3i− 42j− 22k
Por lo que ‖−−→CB ×−→CA‖ =√
2257
Respuesta:
El area del triangulo de vertices A, B y C viene dada por√
22572
Ejemplo 11
Determine el vector C en R3 que cumpla las siguientes condiciones
a.) Forma un angulo de π6 con el vector A, donde A = (0, 1, 0)
b.) Es ortogonal al vector B, donde B = (0,−1,√
3)
Los espacios vectoriales R3 y R3 Prof. Alcides Astorga Morales 29
c.) ‖C‖ = 2
Solucion
Sea C = (a, b, c)
Por la informacion (a) se tiene que
cosπ
6=
A · C‖A‖ · ‖C‖ =
(0, 1, 0) · (a, b, c)‖(0, 1, 0)‖ · 2 =
b
2
Por lo que √3
2=
b
2, o sea, b =
√3
Por la informacion (b) se tiene que C ·B = 0
C ·B = 0 =⇒ (a, b, c) · (0,−1,√
3) = 0
=⇒ −b + c√
3 = 0, pero como b =√
3
=⇒ √3 + c
√3 = 0
=⇒ c = 1
Por la informacion (c), se tiene que ‖C‖ = 2, por lo tanto:
‖C‖ = 2 =⇒ √a2 + b2 + c2 = 2, pero como b =
√3, c = 1
=⇒ √a2 + 3 + 1 = 2
=⇒ √a2 + 4 = 2
=⇒ a2 + 4 = 4
=⇒ a2 = 0
=⇒ a = 0.
30
Respuesta
El vector buscado es (0,√
3, 1).
Ejemplo 12
Sea u = (2,−1, 1) y v = (1,−6, 2).
Determine para que valores de k se cumple que el vector w = (4, k,−1) se puede expresar como combinacion
lineal de u y v.
Solucion
El vector w se puede expresar como combinacion lineal de u y v si existen α y β tales que:
(4, k,−1) = α(2,−1, 1) + β(1,−6, 2)
=⇒ (4, k,−1) = (2α,−α, α) + (β,−6β, 2β)
=⇒
2α + β = 4−α− 6β = k
α + 2β = −1
Para resolver este sistema se toma la primera y tercera ecuacion
{2α + β = 4
α + 2β = −1=⇒
{2α + β = 4−2α− 4β = 2
−3β = 6 =⇒ β = −2 (∗)
Sustituyendo β = −2 en la primera ecuacion se tiene que 2α + (−2) = 4, por lo que α = 3.
Sustituyendo α = 3 y β = −2 en la ecuacion −α− 6β = k se tiene que
−3− 6(−2) = k, o sea que k = 9.
Respuesta
El valor de k para que w se pueda expresar como combinacion lineal de u y v es 9.
Ejemplo 13
Los espacios vectoriales R3 y R3 Prof. Alcides Astorga Morales 31
Considere los puntos A = (2, 2, 2), B = (3, 0, 2) y C = (4, 5, 7).
Sean v = −−→OC,
−−→OC es el vector de punto inicial el origen y punto terminal de C.
w = −−→OB,
−−→OB es el vector de punto inicial el origen y punto terminal de B.
Sea u = −−→OD, la proyeccion vectorial del vector −−→OC sobre el vector −−→OB.
Calcule el area del triangulo cuyos vertices son los puntos A, B, y D (D es el punto terminal del vector −−→OD).
Solucion
Como primer paso calculemos u, donde u = Proywv = αw y ademas se tiene que
α =−−→OC · −−→OB−−→OB · −−→OB
=(4, 5, 7) · (3, 0, 2)(3, 0, 2) · (3, 0, 2)
=12 + 0 + 149 + 0 + 4
=2613
= 2
Por lo que −−→OD = α−−→OB = 2(3, 0, 2) = (6, 0, 4)
Como segundo paso calculemos el area del triangulo de vertices A, B y D.
−−→AB = −−→
OB − −→OA = (1,−2, 0)
−−→AD = −−→
OD − −→OA = (4,−2, 2)
El area buscada viene dada por‖−−→AD ×−−→AB‖
2
‖−−→AD ×−−→AB‖ =
i j k
4 −2 2
1 −2 0
= −4i + 2j− 6k
Por lo que‖−−→AD ×−−→AB‖
2=
√(−4)2 + 22 + (−6)2
2=√
562
=2√
142
=√
56
Respuesta
El area buscada es de√
56 (u.l)2.
32
1.3 Rectas en R3
Sea A un punto en R3 y sea B un vector en R3, con B diferente al vector cero.
Se define la recta L que pasa por A y tiene como vector director a B como el conjunto de puntos X que cumplen
con la condicion−−→OX − −→
OA = tB, con t ∈ R (1)
OA
A
X
AX
y
z
o
u
L
OX
Figura 1.9:
En otras palabras X esta en la recta L, si y solo si el vector −−→OX −−→OA es paralelo el vector B.
La ecuacion (1) recibe el nombre de ecuacion vectorial de la recta L que pasa por A y es paralela a B.
1.3.1 Diferentes formas de expresar la ecuacion de una recta en R3
Sea A un punto y B un vector en R3.
Sea L la recta de ecuacion −−→OX = −→OA + tB, com t ∈ R.
Sean X = (x, y, z), A = (a1, a2, a3) y B = (b1, b2, b3), entonces se tiene:
• Ecuaciones parametricas de una recta−−→OX = −→
OA + tB =⇒ (x, y, z) = (a1, a2, a3) + t(b1, b2, b3), de donde realizando las correspondientes
operaciones se tiene que
x = a1 + tb1
y = a2 + tb2
z = a3 + tb3
con t ∈ R (2)
Rectas en R3 Prof. Alcides Astorga Morales 33
Las ecuaciones anteriores reciben el nombre de ecuaciones parametricas de la recta que pasa por (a1, a2, a3) y
cuyo vector director es (b1, b2, b3).
• Ecuaciones simetricas de una recta
Con respecto a las ecuaciones parametricas obtenidas en (2), si suponemos que b1 6= 0, b2 6= 0 y b3 6= 0
entonces se tiene que
x = a1 + tb1 =⇒ x− a1 = tb1, o sea quex− a1
b1= t (3)
y = a2 + tb2 =⇒ x− a2 = tb2, o sea quey − a2
b2= t (4)
z = a3 + tb3 =⇒ x− a3 = tb3, o sea quez − a3
b3= t (5)
Como en las ecuaciones (3), (4) y (5) el lado izquierdo esta igualado a t, entonces se cumple que
x− a1
b1=
y − a2
b2=
z − a3
b3
Las ecuaciones anteriores reciben el nombre de ecuaciones simetricas de la recta que pasa por (a1, a2, a3) y tiene
como vector director a (b1, b2, b3).
Nota
1.) Si b1 = 0, entonces las ecuaciones simetricas son: x = a1,y − a2
b2=
z − a3
b3.
2.) Si b2 = 0, entonces las ecuaciones simetricas son: y = a2,x− a1
b1=
z − a3
b3.
3.) Si b3 = 0, entonces las ecuaciones simetricas son: z = a3,x− a1
b1=
y − a2
b2.
Ejemplo 14
Determine las ecuaciones parametricas y simetricas de la recta que pasa por el punto (−2, 3, 1) y tiene como
vector director a (−5, 0, 4).
Solucion
1.) Ecuaciones parametricas
x = −2− 5t
y = 3
z = 1 + 4t, donde t ∈ R
34
2.) Ecuaciones simetricas
y = 3,x + 2−5
=z − 1
4
1.3.2 Ecuacion de una recta en R3 cuando se conocen dos puntos
Sean A y B dos puntos en R3. Entonces la ecuacion vectorial de la recta L que contiene a A y B viene dada
por:−−→OX = −→
OA + t(−−→OB −−→OA), donde t ∈ R
Ejemplo 15
Sean A = (−2, 3,−1) y B = (2, 1, 1) dos puntos en R3.
Determine las ecuaciones parametricas y simetricas de la recta que contiene a A y B.
Solucion
Si se denota por D el vector director de la recta que pasa por A y B, entonces:
D = −−→OB −−→OA, o sea D = (2, 1, 1)− (−2, 3,−1) = (4,−2, 2)
Por lo que se tiene:
1.) Ecuaciones parametricas
x = −2 + 4t
y = 3− 2t
z = −1 + 2t, con t ∈ R
2.) Ecuaciones simetricasx + 2
4=
y − 3−2
=z + 1
2
1.3.3 Rectas paralelas y rectas perpendiculares
• Dos rectas son paralelas si sus vectores directores son paralelos.
• Dos rectas son perpendiculares si sus vectores directores son perpendiculares.
Planos en R3 Prof. Alcides Astorga Morales 35
1.3.4 Angulos entre rectas
Se define el angulo que forman dos rectas como el angulo que determinan sus vectores directores.
1.4 Planos en R3
Sea N un vector en R3 diferente de cero. Sea T un punto en R3.
Se dice que el conjunto de puntos X generan un plano que contiene al punto T , si cumplen que:
(−−→OX −−→OT ) ·N = 0 (∗)
Si se denota por π el plano que contiene a T y los puntos X en R3 que satisfacen (∗), entonces se dice que N
es el vector normal de π.
X
y
Z
O
X
T
n
Figura 1.10:
Note que (∗) lo que afirma es que X pertenece al plano que contiene al punto T y cuyo vector normal es N si
y solo si el vector −−→OX −−→OT es perpendicular a N .
36
1.4.1 Ecuacion cartesiana del plano
Si N = (a, b, c), X = (x, y, z) y T = (t1, t2, t3), entonces se tiene que:
(−−→OX −−→OT ) ·N = 0 =⇒ (x− t1, y − t2, z − t3) · (a, b, c) = 0
=⇒ a(x− t1) + b(y − t2) + c(z − t3) = 0
=⇒ ax− at1 + by − bt2 + cz − ct3 = 0
=⇒ ax + by + cz + (−at1 − bt2 − ct3) = 0
=⇒ ax + by + cz + d, donde d = −at1 − bt2 − ct3
El resultado anterior se puede resumir ası:
Sea π un plano que contiene al punto T = (t1, t2, t3) y cuyo vector normal es N = (a, b, c), entonces la ecuacion
cartesiana de π, viene dada por:
a(x− t1) + b(y − t2) + c(z − t3) = 0, o
ax + by + cz + d, donde d = −at1 − bt2 − ct3
Ejemplo 16
Determine la ecuacion cartesiana del plano que contiene el punto (2, 2, 1) y tiene como vector normal a (−1, 1, 3).
Solucion
Sean X = (x, y, z), T = (2, 2, 1) y N = (−1, 1, 3), entonces:
Planos en R3 Prof. Alcides Astorga Morales 37
(−−→OX −−→OT ) ·N = 0 =⇒ (x− 2, y − 2, z − 1) · (−1, 1, 3) = 0
=⇒ −1(x− 2) + 1(y − 2) + 3(z − 1) = 0
=⇒ −x + 2 + y − 2 + 3z − 3 = 0
=⇒ −x + y + 3z − 3 = 0
Respuesta
La ecuacion del plano que se busca es −x + y + 3z − 3 = 0.
1.4.2 Ecuacion del plano cuando se conocen tres puntos
Note que por la definicion de un plano, siempre es posible obtener su ecuacion si se conoce un punto plano y el
vector normal a ese plano.
En general tres puntos no alineados determinan en forma unica un plano, este hecho permite, dados tres puntos
A,B y C, no alineados, calcular la ecuacion del plano que los contiene.
Esto se hace de la siguiente forma:
• Sea π el plano que contiene los puntos A,B y C.
• Ses u = −−→AB y v = −→
AC
• Calculese el vector N , donde N = u× v. Recuerdese que N es un vector perpendicular a u y v.
• Si X es un punto de π, entonces cualquiera de las igualdades
(−−→OX −−→OA) ·N = 0, (−−→OX −−−→OB) ·N = 0, (−−→OX −−−→OC) ·N = 0
puede utilizarse para obtener la ecuacion de π.
Nota
En el caso anterior, el vector N puede ser cualquier vector paralelo a u× v.
Ejemplo 17
38
Determinar la ecuacion del plano que contiene los puntos A = (2, 2, 2), B = (3, 1, 1) y C = (6,−4,−6).
Solucion
Llamaremos (−−→OX −−→OA) ·N = 0 la ecuacion buscada, donde X = (x, y, z) y ademas se tiene que
N = −−→AB ×−→AC = (−−→OB −−→OA)× (−−→OC −−→OA)
N = −−→AB ×−→AC =
i j k
1 −1 1
4 −6 −8
= 2i + 4j− 2k
(−−→OX −−→OA) ·N = 0 =⇒ (x− 2, y − 2, z − 2) · (2, 4,−2) = 0
=⇒ 2(x− 2) + 4(y − 2)− 2(z − 2) = 0
=⇒ 2x + 4y − 2z − 8 = 0
Respuesta
La ecuacion buscada es 2x + 4y − 2z − 8 = 0
1.4.3 Planos paralelos, planos perpendiculares y angulos entre planos
Sea π un plano, cuyo vector normal es N .
Sea ρ un plano, cuyo vector normal es N1.
1.) Se dice que π es paralelo a ρ si y solo si N y N1 son perpendiculares.
2.) Se diec que π es perpendicular a ρ si y solo si N y N1 son perpendiculares.
3.) Se define el angulo formado por π y ρ, como el angulo que forman N y N1.
Ejemplo 18
Sea π un plano de ecuacion 2x− y + z = 0.
Planos en R3 Prof. Alcides Astorga Morales 39
Sea ρ un plano de ecuacion x + 2y − z − 1 = 0.
Determine el angulo que forman π y ρ.
Solucion
Como vector normal de π se puede tomar: (2,−1, 1)
Como vector normal de ρ se puede tomar: (1, 2,−1)
Sea α el angulo que forman π y ρ.
Entonces cos α =(2,−1, 1) · (1, 2,−1)
‖(2,−1, 1)‖ · ‖(1, 2,−1)‖ =2− 2− 1√
22 + (−1)2 + 12√
12 + 22 + (−1)2=
−1√6√
6=−16
=⇒ α = arccos (−16
) ≈ 1.738( en radianes )
Ejemplo 19
Sea π un plano de ecuacion 2x− 3y + 5z − 1 = 0.
Sea ρ un plano de ecuacion 3x + 2y + 4z + 5 = 0.
Determine la ecuacion del plano que contiene el (1, 2, 1) y es perpendicular a los planos π y ρ.
Solucion
Llamese η el plano de cuya ecuacion se busca y sea ax + by + cz + d = 0 la ecuacion cartesiana de η.
Como η es perpendicular a π y a ρ, entonces se tiene que (a, b, c) es perpendicular tanto a (2,−3, 5) - vector
normal de π- como a (3, 2, 4) - vector normal de ρ -, por lo que se puede tomar (a, b, c) como el producto vectorial
de (2,−3, 5) y (3, 2, 4).
(a, b, c) =
i j k
2 −3 5
3 2 4
= (−22, 7, 13)
De donde −22x + 7y + 13z + d = 0. Sustituyendo el punto dado (1, 2, 1) en esta ecuacion, se tiene que
−22(1) + 7(2) + 13(1) + d = 0
40
=⇒ −22 + 14 + 13 + d = 0
=⇒ d = −5
Por lo que la ecuacion buscada es −22 + 14 + 13− 5 = 0.
1.4.4 Rectas y planos paralelos. Rectas y planos perpendiculares
Sea L una recta de vector director d y sea π un plano de vector normal n.
a.) L es paralela a π si y solo si d es perpendicular a n.
b.) L es perpendicular a π si y solo si d es paralelo a n.
Ejemplo 20
Determine la ecuacion del plano π que satisface simultaneamente las siguientes condiciones:
a.) Contiene los puntos A y B, donde A = (−1, 2, 3) y B = (0, 1, 2) .
b.) Es paralelo a la recta L de ecuacionx− 1
2= y + 1 = z − 2 .
Solucion
Sea ax + by + cz + d = 0 la ecuacion de π.
Como A y B estan contenidos en π, entonces (a, b, c) es perpendicular a
‖−−→AB‖ = −−→OB −−→OA.
Como L es paralela a π, entonces (a, b, c) es perpendicular a (2, 1, 1).
Como (a, b, c) es perpendicular tanto a −−→OB −−→OA, como a (2, 1, 1), entonces (a, b, c) lo podemos tomar como el
producto vectorial de −−→OB −−→OA y (2, 1, 1).
(a, b, c) = (−−→OB −−→OA)× (2, 1, 1) =
i j k
1 −1 −1
2 1 1
= (0,−3, 3)
De donde la ecuacion de π tiene la forma −3y + 3z + d = 0.
Algunos ejemplos resueltos Prof. Alcides Astorga Morales 41
Como los puntos A y B pertenecen al plano π, podemos sustituir cualquiera de estos puntos en la ecuacion
anterior, para obtener el valor de d. Tomemos para esto A = (−1, 2, 3):
−3y + 3z + d = 0 =⇒ −3(2) + 3(3) + d = 0
=⇒ −6 + 9 + d = 0
=⇒ d = −3
Respuesta
Por lo que la ecuacion buscada es −3y + 3z − 3 = 0, o sea, y + z − 1 = 0.
1.5 Algunos ejemplos resueltos
Ejemplo 21
Sea L una recta de ecuacionx− 1
2=
y + 1−3
=z − 7
3
Sea L1 una recta de ecuacionx + 5
3=
y − 2−2
=z + 3−1
Determine (si existe) el punto de interseccion entre L y L1.
Solucion
Sea (x0, y0, z0) el punto de interseccion buscado.
Sustituyendo este punto en la ecuacion de L se tiene que
x0 − 12
=y0 + 1−3
=z0 − 7
3= α
=⇒ x0 − 12
= α,y0 + 1−3
= α,z0 − 7
3= α
=⇒ x0 = 2α + 1, y0 = −3α− 1, z0 = 3α + 7 (∗)
Sustituyendo el punto (x0, y0, z0), en la ecuacion de L1, se tiene que
x0 + 53
=y0 − 2−2
=z0 + 3−1
= t
42
=⇒ x0 + 53
= t,y0 − 2−2
= t,z0 + 3−1
= t
=⇒ x0 = 3t− 5, y0 = −2t + 2, z0 = −t− 3 (∗∗)
Por (∗) y (∗∗) se tiene que
2α + 1 = 3t− 5, −3α− 1 = −2t + 2, 3α + 7 = −t− 3
Tomando la segunda y la terecera igualdad:
{−3α− 1 = −2t + 23α + 7 = −t− 3
6 = −3t− 1 =⇒ t =−73
Sustituyendo t =−73
en la tercera igualdad
3α + 7 = −t− 3 =⇒ 3α + 7 =73− 3
=⇒ α =−239
Para determinar si existe punto de interseccion entre las dos rectas se debe verificar que el punto obtendo, en
(∗) y (∗∗), tanto para α, como para t, es el mismo.
i.) t =−73
ii.) α =−239
x0 = −12 x0 =−379
y0 =203
y0 =203
z0 =−23
z0 =−23
Como los valores obtenidos para x0 son diferentes, entonces no existe punto de interseccion entre las dos rectas.
Algunos ejemplos resueltos Prof. Alcides Astorga Morales 43
Ejemplo 22
Considere los planos definidos por las ecuaciones:
π1 : x− y = 2
π2 : x + 3y + 2z = 2
π3 : −2x + y − z = 2
Determine la ecuacion del plano π que cumple simultaneamente las siguientes condiciones:
a.) π contiene la recta L, siendo L la recta de interseccion de los planos π1 y π2.
b.) π es perpendicular al plano π3.
Solucion
Sea ax + by + cz + d = 0 la ecuacion buscada.
i.) Determinaremos la ecuacion de la recta L.
De x− y = 2 se tiene que x = y + 2 (1)
Utilizando las ecuaciones de π1 y π2 se tiene
{x− y = 2
x + 3y + 2z = 2=⇒
{3x− 3y = 6
x + 3y + 2z = 2
6 = −3t− 1 =⇒ t =−73
O sea que, x =z − 2−2
(2)
De (1) y (2) se tiene que las ecuaciones simetricas de L, vienen dadas por
x
1=
y + 21
=z − 2−2
y, por lo tanto, como su vector director se puede tomar (1, 1,−2).
ii.) Como π3 es perpendicular a π, entonces (a, b, c) es perpendicular a (−2, 1,−1), ademas, como L esta
contenida en π, entonces (a, b, c) tambien debe ser perpendicular a (1, 1,−2). Por lo anterior, como
(a, b, c) debe ser perpendicular a (−2, 1,−1) y a (1, 1,−2), entonces podemos calcular el vector normal de
π de la siguiente forma:
(a, b, c) = (1, 1,−2)× (−2, 1,−1) =
i j k
1 1 −2
−2 1 −1
= (1, 5, 3)
44
De donde se tiene que x + 5y + 3z + d = 0
Ademas, como L esta en el plano buscado cualquier punto que tomemos en L esta en el plano satisface, por
tanto, la ecuacion anterior.
Como las ecuaciones simetricas de L sonx
1=
y + 21
=z − 2−2
, entonces se puede facilmente verificar que (2, 0, 0)
satisface las igualdades anteriores.
Sustituyendo este punto en x + 5y + 3z + d = 0, se tiene que 2 + 5(0) + 3(0) + d = 0, o sea que, d = −2.
Respuesta
La ecuacion buscada es x + 5y + 3z − 2 = 0
Ejemplo 23
Sea L una recta de ecuacionx− 2
3=
y − 1−1
= z − 2
Sea R una recta de ecuacion (x, y, z) = (3, 2, 1) + t(2, 1,−1) donde t ∈ R
Determine las ecuaciones parametricas de la recta T que cumple simultaneamente las siguientes condiciones:
a.) T contiene el punto de interseccion entre L y R.
b.) T es perpendicular a L y a R.
Solucion
Sea (x, y, z) = (a, b, c) + λ(d1, d2, d3), con λ ∈ R la ecuacion buscada
i.) Calculemos (a, b, c), esto es, el punto de interseccion entre L y R
Seaa− 2
3=
b− 1−1
= c− 2 = α, entonces:
a = 2 + 3αy = 3− 2α
z = −1 + 2α
(∗)
Algunos ejemplos resueltos Prof. Alcides Astorga Morales 45
De (a, b, c) = (3, 2, 1) + t(2, 1,−1) se tiene que
a = 3 + 2tb = 2 + t
c = 1− t
(∗∗)
Si el punto (a, b, c) pertenece a las dos rectas, entonces se debe cumplir
2 + 3α = 3 + 2t, o sea, 3α = 1 + 2t (1)
1− α = 2 + t, o sea, α = −1− t (2)
2 + α = 1− t, o sea, α = −1− t (3)
Sustituyendo (2) en (1) se tiene
3(−1−t) = 1+2t, de donde al simplificar queda que−45
, y sustituyendo este valor en (2) obtenemos que α =−15
.
Sustituyendo−45
en (∗) y α =−15
en (∗∗) se tiene, en ambos casos que
a =75, b =
−65
, c =95,
ii.) Como T es perpendicular a L y T es perpendicular a R, entonces se cumple que el vector director de T , se
puede obtener por medio del producto vectorial de (3,−1, 1) y (2, 1,−1), o sea
(d1, d2, d3) =
i j k
3 −1 1
2 1 −1
= (0, 5, 5)
Respuesta
La ecuacion parametrica de la recta T viene dada por (x, y, z) = (75,65,95) + λ(0, 0, 5), donde λ ∈ R.
Ejemplo 24
Hallar la ecuacion de la recta L que cumpla simultaneamente las siguientes condiciones:
a.) Es perpendicular al plano π que contiene los puntos: a = (3, 4, 2), B = (−1, 5, 3) y C = (2, 1, 4).
46
b.) Pasa por el punto de intereseccion de la recta de ecuacionx
2= y − 1 =
z + 1−1
con el plano de ecuacion
2x− y − z = 1.
Solucion
Sea (x, y, z) = (x0, y0, z0) + t(a, b, c) con t ∈ R, la ecuacion buscada.
i.) Como la recta L es perpendicular al plano que contiene los puntos A,B y C, entonces su vector director es
paralelo al vector normal del plano π, y en particular se puede tomar
(a, b, c) = (−→OA−−−→OB)× (−−→OC −−−→OB) =
i j k
4 -1 -1
3 4 1
= (−5,−7,−13) (I)
ii.) Seax
2= y − 1 =
z + 1−1
= α, entonces se tiene que
x = 2α, y = α + 1, z = −α− 1
Suponiendo que (x0, y0, z0) es un punto de interseccion entre la recta dada y el plano dado, entonces
x0 = 2α, y0 = α + 1, z0 = −α− 1 (II)
tambien satisfacen la ecuacion 2x− y − z = 1, por lo que
2(2α)− (α + 1)− (−α− 1) = 1, o sea que
4α− α− 1 + α + 1 = 1, de donde
α =14
Sustituyendo α =14
en (II), se tiene que x0 =12, y0 =
54, z0 =
−54
Respuesta
La ecuacion de la recta L es (x, y, z) = (12,54,−54
) + t(5, 7, 13) con t ∈ R.
Ejemplo 25
Determinar la ecuacion de vectorial de la recta L, tal que
i.) L es paralela a la recta L1, tal que L1 es la recta de interseccion de los planos
π : 2x + 3y − z = 2
Algunos ejemplos resueltos Prof. Alcides Astorga Morales 47
ρ : −x + y + z = 1
ii.) L contiene el punto (1, 1,−5)
Solucion
Sea −−→OX = −→OA + tB, t ∈ R la ecuacion de la recta L.
Sea Nπ = (2, 3,−1) el vector normal del plano π.
Sea Nρ = (−1, 1, 1) el vector normal del plano ρ.
Sea D1 el vector director de la recta L1.
Como L1 esta contenida tanto en el plano π, como en ρ, entonces se cumple que D1 es un vector perpendicular
tanto a Nπ como a Nρ, y podemos tomar
D1 = Nπ ×Nρ, o sea
D1 =
i j k
2 3 −1
−1 1 1
= (4,−1,−5)
Como L es paralela a L1, podemos tomar a D1 como vector director de L.
Respuesta
La ecuacion vectorial de la recta L es (x, y, z) = (1, 1,−5) + t(4,−1, 5) con t ∈ R.
Ejemplo 26
Determine el vector w en R3 que cumple simultaneamente las siguientes condiciones:
a.) Se puede expresar como combinacion lineal de los vectores u = (1, 0, 1), v = (1, 1, 0).
48
b.) El vector w es perpendicular a la recta de ecuacionx
2=
y − 1−1
=z
3.
c.) El vector w + (1, 0,−1) es paralelo a −x + 2y + z − 5 = 0.
Solucion
Sea w = (a, b, c) el vector buscado.
Por la informacion (a) existen α ∈ R y β ∈ R tales que
(a, b, c) = α(1, 0, 1) + β(1, 1, 0), o sea
a = α + β, b = β, c = α (I)
Por la informacion (b) se tiene que
[(a, b, c) + (1, 0,−1)] · (2,−1, 3) = 0
=⇒ (a + 1, b, c− 1)(2,−1, 3) = 0
=⇒ 2(a + 1)− b + 3(c− 1) = 0
=⇒ 2a− b + 3c− 1 = 0
Sustituyendo los valores obtenidos en (I) en la ecuacion anterior tenemos que
2(α + β)− β + 3α− 1 = 0
=⇒ 2α + 2β − β + 3α− 1 = 0
=⇒ 2(a + 1)− b + 3(c− 1) = 0
=⇒ 5α + β − 1 = 0 (II)
Por la informacion (c) se tiene que w es un vector perpendicular al vector normal del plano, por lo que
(−1, 2, 1)(a, b, c) = 0
=⇒ −a + 2b + c = 0
Algunos ejemplos resueltos Prof. Alcides Astorga Morales 49
Sustituyendo, los valores obtenidos en (I), en la ecuacion anterior se tiene que:
−(α + β) + 2β + α = 0
=⇒ −α− β + 2β + α = 0
=⇒ β = 0
Sustituyendo β = 0 en (II), se tiene que α =15, de donde, segun (I) se concluye que
w = (15, 0,
15)
Ejemplo 27
Determine la distancia del punto P = (2, 3,−1) a la recta de ecuacionx− 5
3=
y + 22
=z − 8−2
Solucion
Sea L la recta de ecuacionx− 5
3=
y + 22
=z − 8−2
, y sea n = (3, 2,−2)
Sea X0 = (x0, y0, z0) el punto de L tal que el vector −−→PX0 es perpendicular a n.
Lo que nos interesa es calcular ‖−−→PX0‖ .
Tenemos que (−−→OX0 −−−→OP ) · n, o sea:
[(x0, y0, z0)− (2, 3,−1)](3, 2,−2) = 0
=⇒ (x0 − 2, y0 − 3, z0 + 1)(3, 2,−2) = 0
=⇒ 3x0 − 6 + 2y0 − 6− 2z0 − 1 = 0
=⇒ 3x0 + 2y0 − 2z0 = 14 (I)
Como (x0, y0, z0) pertenece a L, entonces en particular
x0 − 53
=y0 + 2
2=
z0 − 8−2
= α
=⇒ x0 = 5 + 3α, y0 = −2 + 2α, z0 = 8− 2α (II)
50
Sustituyendo estos valores en (I), se tiene que:
3x0 + 2y0 − 2z0 = 14
=⇒ 3(5 + 3α) + 2(−2 + 2α)− 2(8− 2α) = 14
=⇒ 15 + 9α− 4 + 4α− 16 + 4α = 14
=⇒ 17α = 19 , por lo tanto α =1719
Sustituyendo este valor de α en (II) y realizando las operaciones correspondientes se tiene que
x0 =14717
, y0 =417
, z0 =9817
Ademas−−→OX0 −−−→OP = (
14217
,417
,9817
)− (2, 3,−1) = (10817
,−4717
,11517
)
=⇒ ‖−−→OX0 −−−→OP‖ =
√(10817
)2 + (−4717
)2 + (11517
)2 ≈ 9, 08
Ejemplo 28
Calcular la distancia del punto P , P = (3, 2, 1) al plano de ecuacion 4x− 5y − 3z = 1.
Solucion
Sea ρ el plano de ecuacion 4x− 5y − 3z = 1 y sea n = (4,−5,−3)
Lo que se busca es determinar ‖−−→OX − −−→OP‖ donde X es un punto en ρ para el cual se cumple que el vector−−→OX −−−→OP es perpendicular a ρ, o sea que X −P sea paralelo a n, esto es, existe un numero real α, para el cual
−−→OX −−−→OP = αn o tambien que −−→OX = −−→
OP + αn (I)
Busquemos un punto M cualquiera del plano, por ejemplo, se puede verificar que el punto M = (0,−2, 3)
satisface la ecuacion de ρ.
Algunos ejemplos resueltos Prof. Alcides Astorga Morales 51
Pero, como M y N estan en el mismo plano ρ, entonces cumplen que
(−−→OM −−−→OX) · n = 0,pero por (I), −−→OX = −−→
OP + αn
=⇒ (−−→OM −−−→OP − αn) · n = 0
=⇒ (−−→OM −−−→OP ) · n− (α · n2) = 0
=⇒ α · n2 = (−−→OM −−−→OP ) · n
=⇒ α =−−→OM −−−→OP ) · n
n2
=⇒ αn = −−→OM −−−→OP
Como αn = −−→OM −−−→OP , entonces
‖−−→OM −−−→OP‖ = ‖αn‖ = ‖α‖ · ‖n‖
= ‖ (−−→OM −−−→OP ) · nn2
‖ · ‖n‖
=‖(−−→OM −−−→OP ) · n‖
‖n2‖ · ‖n‖ =‖(−−→OM −−−→OP ) · n‖
‖n‖
=‖[(0,−2, 3)− (3, 2, 1)] · (4,−5,−3)‖
‖(4,−5,−3)‖ =2
5√
2