Una recta paralela a un plano y perpendicular a otra en el espacio

Vemos cómo determinar alguna recta del espacio con la condición de ser paralela a un plano y cortar perpendicularmente a otra. El fichero LyX/pythontex permite resolver este tipo de ejercicios para distintos valores de entrada. Los datos para resolver los problemas se pueden introducir de forma manual o de forma aleatoria. Se usa el módulo Geometry de sympy.

Lo único que tendremos que adecuar en el fichero es:

# Podemos trabajar con dos opciones:
# m --> Datos manuales.
# a --> Datos aleatorios a partir de puntos (con coordenadas enteras) del espacio.
# Si no ponemos que opción es "m" siempre se hace con datos aleatorios.
opcion = ''

# VALORES PARA LOS DATOS MANUALES
# Plano Pi, a partir de su vector normal y un punto
np = Point3D(1,0,1)
Pp = Point3D(1,0,1)

# Recta s definida por dos puntos
P1s = Point3D(-1,1,1)
P2s = Point3D(0,0,2)

# VALORES PARA LOS DATOS ALEATORIOS
# Valores mínimos y máximos para las coordenadas aleatorias enteras de los puntos.
vm = -5
vM = 5

tal cuál está por defecto, obtenemos un ejercicio con datos aleatorios. Un ejemplo de ejercicio obtenido de esa forma se muestra a continuación:

Ejercicio

Calcular alguna recta que sea paralela al plano de ecuación π≡33x−9y−12z−87=0\pi\equiv33x-9y-12z-87=0 y corte perpendicularmente a la recta s≡{y−5=03x+4z−8=0s\equiv\begin{cases} y-5 & =0\\ 3x+4z-8 & =0 \end{cases} .

Solución

Se puede resolver de varias formas. Optaré por una que se basa en tener en cuenta que nuestra recta rr:

  1. Está contenida en el plano paralelo al plano π\pi de ecuación π0≡33x−9y−12z=0\pi_{0}\equiv33x-9y-12z=0, es decir, está contenida en el plano paralelo a π\pi que pasa por el origen de coordenadas. De esa forma me garantizo que r ∣∣πr\ || \pi

  2. r∈π0⇒r\in\pi_{0}\Rightarrow el vector normal al plano π0\pi_{0} (n⃗π\vec{n}_{\pi}) que es el mismo que el vector normal al plano π\pi (por ser paralelos) es perpendicular al vector director de la recta rr (u⃗r\vec{u}_{r})

  3. Como r⊥s ⇒u⃗r⊥u⃗sr\perp s\,\Rightarrow\vec{u}_{r}\perp\vec{u}_{s}

  4. De las dos cuestiones anteriores podemos deducir que u⃗r=u⃗s×n⃗π\vec{u}_{r}=\vec{u}_{s}\times\vec{n}_{\pi}

  5. Sea PP el punto de intersección de las rectas rr y s ⇒s\,\Rightarrow {P∈rP∈s⇒{P∈π0P∈s⇒ P\begin{cases} P & \in r\\ P & \in s \end{cases}\Rightarrow\begin{cases} P & \in\pi_{0}\\ P & \in s \end{cases}\Rightarrow\,P es el punto de corte de la recta ss y el plano π0\pi_{0}, es decir, es la solución del sistema determinado por las ecuaciones del plano y la recta anteriores .

    image

A partir de lo anterior, calculemos [1]:

  1. Normal al plano π\pi es n⃗π≡(33, −9, −12)≡(11, −3, −4)\vec{n}_{\pi}\equiv\left(33,\ -9,\ -12\right)\equiv\left(11,\ -3,\ -4\right)

  2. Director de la recta ss, lo podemos obtener de varias formas, por ejemplo:

    • Introduciendo parámetros en la ecuación de la recta ss y, si es posible, simplificando los vectores directores, tenemos que:

      s≡{y−5=03x+4z−8=0⇒{x=8u−4y=5z=5−6u⇒us⃗≡(8, 0, −6)≡(4, 0, −3)s\equiv\begin{cases} y-5 & =0\\ 3x+4z-8 & =0 \end{cases}\Rightarrow\left\{ \begin{array}{ccc} x & = & 8u-4\\ y & = & 5\\ z & = & 5-6u \end{array}\right.\Rightarrow\vec{u_{s}}\equiv\left(8,\ 0,\ -6\right)\equiv\left(4,\ 0,\ -3\right)
    • También lo podemos obtener a partir del producto vectorial de los vectores normales a los planos que determinan la recta ss

      s≡{y−5=03x+4z−8=0⇒{n⃗1=(0, 1, 0)n⃗2=(3, 0, 4)s\equiv\begin{cases} y-5 & =0\\ 3x+4z-8 & =0 \end{cases}\Rightarrow\left\{ \begin{array}{ccc} \vec{n}_{1} & = & \left(0,\ 1,\ 0\right)\\ \vec{n}_{2} & = & \left(3,\ 0,\ 4\right) \end{array}\right.

      u⃗s≡n⃗1×n⃗2=(∣1004∣,−∣0034∣,∣0130∣)=(4, 0, −3)\vec{u}_{s}\equiv\vec{n}_{1}\times\vec{n}_{2}=\left(\left|\begin{array}{cc} 1 & 0\\ 0 & 4 \end{array}\right|,-\left|\begin{array}{cc} 0 & 0\\ 3 & 4 \end{array}\right|,\left|\begin{array}{cc} 0 & 1\\ 3 & 0 \end{array}\right|\right)=\left(4,\ 0,\ -3\right)

  3. Vector director de la recta rr

    u⃗r=u⃗s×n⃗π=(∣0−3−3−4∣,−∣4−311−4∣,∣4011−3∣)=(−54, −102, −72)≡(−9, −17, −12)\vec{u}_{r}=\vec{u}_{s}\times\vec{n}_{\pi}=\left(\left|\begin{array}{cc} 0 & -3\\ -3 & -4 \end{array}\right|,-\left|\begin{array}{cc} 4 & -3\\ 11 & -4 \end{array}\right|,\left|\begin{array}{cc} 4 & 0\\ 11 & -3 \end{array}\right|\right)=\left(-54,\ -102,\ -72\right)\equiv\left(-9,\ -17,\ -12\right)

  4. Punto PP intersección de ambas rectas. Podemos obtenerlo de varias formas, dos de ellas son:

    • Si hemos optado por hallar las ecuaciones paramétricas de ss podemos hallar el punto PP a partir de ellas y de la ecuación del plano πo≡33x−9y−12z=0\pi_{o}\equiv33x-9y-12z=0:

      (33)⋅(8u−4)+(−9)⋅(5)+(−12)⋅(5−6u)=0\left(33\right)\cdot\left(8u-4\right)+\left(-9\right)\cdot\left(5\right)+\left(-12\right)\cdot\left(5-6u\right)=0⇒336u−237=0⇒u=79112\Rightarrow336u-237=0\Rightarrow u=\frac{79}{112}

      el punto PP de intersección se obtiene sustituyendo el valor anterior del parámetro en la ecuación de la recta ss.

      P{x=−4+8⋅79112y=5z=5−6⋅79112⇒{x=2314y=5z=4356P\left\{ \begin{array}{ccc} x & = & -4+8\cdot\frac{79}{112}\\ y & = & 5\\ z & = & 5-6\cdot\frac{79}{112} \end{array}\right.\Rightarrow\left\{ \begin{array}{ccc} x & = & \frac{23}{14}\\ y & = & 5\\ z & = & \frac{43}{56} \end{array}\right.
    • Resolvemos el sistema para hallar el punto de intersección de la recta ss y el plano πo\pi_{o}

      {y−5=03x+4z−8=033x−9y−12z=0\begin{cases} y-5 & =0\\ 3x+4z-8 & =0\\ 33x-9y-12z & =0 \end{cases}

      El sistema, en forma matricial A⋅X=BA\cdot X=B, se puede escribir como:

      (01030433−9−12)⋅(xyz)=(580)\left(\begin{matrix}0 & 1 & 0\\ 3 & 0 & 4\\ 33 & -9 & -12 \end{matrix}\right)\cdot\left(\begin{matrix}x\\ y\\ z \end{matrix}\right)=\left(\begin{matrix}5\\ 8\\ 0 \end{matrix}\right)

      Calculemos el determinante de AA

      ∣A∣=∣01030433−9−12∣=\left|A\right|=\begin{vmatrix}0 & 1 & 0\\ 3 & 0 & 4\\ 33 & -9 & -12 \end{vmatrix}= ∣01030433−9−12∣010304\begin{array}{c} \begin{vmatrix}0 & 1 & 0\\ 3 & 0 & 4\\ 33 & -9 & -12 \end{vmatrix}\\ \textcolor{cyan}{\begin{array}{ccc} 0 & 1 & 0\\ 3 & 0 & 4 \end{array}} \end{array}

      =[0⋅0(−12)+3(−9)0+33⋅1⋅4]−[0⋅0⋅33+4(−9)0+(−12)1⋅3]=\left[0\cdot0\left(-12\right)+3\left(-9\right)0+33\cdot1\cdot4\right]-\left[0\cdot0\cdot33+4\left(-9\right)0+\left(-12\right)1\cdot3\right]=(132)−(−36)=168=\left(132\right)-\left(-36\right)=168

      Como ∣A∣≠0⇒Rango(A)=Rango(A∗)=3\left|A\right|\mathrel{\char`≠}0\Rightarrow Rango(A)=Rango(A^{*})=3 tenemos un SCD (tiene una sola solución). Si hallamos la solución por Cramer:

      ∣Ax∣=∣5108040−9−12∣=\left|A_{x}\right|=\begin{vmatrix}5 & 1 & 0\\ 8 & 0 & 4\\ 0 & -9 & -12 \end{vmatrix}= ∣5108040−9−12∣510804\begin{array}{c} \begin{vmatrix}5 & 1 & 0\\ 8 & 0 & 4\\ 0 & -9 & -12 \end{vmatrix}\\ \textcolor{cyan}{\begin{array}{ccc} 5 & 1 & 0\\ 8 & 0 & 4 \end{array}} \end{array}

      =[5⋅0(−12)+8(−9)0+0⋅1⋅4]−[0⋅0⋅0+4(−9)5+(−12)1⋅8]=\left[5\cdot0\left(-12\right)+8\left(-9\right)0+0\cdot1\cdot4\right]-\left[0\cdot0\cdot0+4\left(-9\right)5+\left(-12\right)1\cdot8\right]=(0)−(−276)=276=\left(0\right)-\left(-276\right)=276

      ⇒x=∣5108040−9−12∣168=276168=2314\Rightarrow x=\dfrac{\begin{vmatrix}5 & 1 & 0\\ 8 & 0 & 4\\ 0 & -9 & -12 \end{vmatrix}}{168}=\dfrac{276}{168}=\frac{23}{14}

      ∣Ay∣=∣050384330−12∣=\left|A_{y}\right|=\begin{vmatrix}0 & 5 & 0\\ 3 & 8 & 4\\ 33 & 0 & -12 \end{vmatrix}= ∣050384330−12∣050384\begin{array}{c} \begin{vmatrix}0 & 5 & 0\\ 3 & 8 & 4\\ 33 & 0 & -12 \end{vmatrix}\\ \textcolor{cyan}{\begin{array}{ccc} 0 & 5 & 0\\ 3 & 8 & 4 \end{array}} \end{array}

      =[0⋅8(−12)+3⋅0⋅0+33⋅5⋅4]−[0⋅8⋅33+4⋅0⋅0+(−12)5⋅3]=\left[0\cdot8\left(-12\right)+3\cdot0\cdot0+33\cdot5\cdot4\right]-\left[0\cdot8\cdot33+4\cdot0\cdot0+\left(-12\right)5\cdot3\right]=(660)−(−180)=840=\left(660\right)-\left(-180\right)=840

      ⇒y=∣050384330−12∣168=840168=5\Rightarrow y=\dfrac{\begin{vmatrix}0 & 5 & 0\\ 3 & 8 & 4\\ 33 & 0 & -12 \end{vmatrix}}{168}=\dfrac{840}{168}=5

      ∣Az∣=∣01530833−90∣=\left|A_{z}\right|=\begin{vmatrix}0 & 1 & 5\\ 3 & 0 & 8\\ 33 & -9 & 0 \end{vmatrix}= ∣01530833−90∣015308\begin{array}{c} \begin{vmatrix}0 & 1 & 5\\ 3 & 0 & 8\\ 33 & -9 & 0 \end{vmatrix}\\ \textcolor{cyan}{\begin{array}{ccc} 0 & 1 & 5\\ 3 & 0 & 8 \end{array}} \end{array}

      =[0⋅0⋅0+3(−9)5+33⋅1⋅8]−[5⋅0⋅33+8(−9)0+0⋅1⋅3]=\left[0\cdot0\cdot0+3\left(-9\right)5+33\cdot1\cdot8\right]-\left[5\cdot0\cdot33+8\left(-9\right)0+0\cdot1\cdot3\right]=(129)−(0)=129=\left(129\right)-\left(0\right)=129

      ⇒z=∣01530833−90∣168=129168=4356\Rightarrow z=\dfrac{\begin{vmatrix}0 & 1 & 5\\ 3 & 0 & 8\\ 33 & -9 & 0 \end{vmatrix}}{168}=\dfrac{129}{168}=\frac{43}{56}

    En cualquier caso:

    PP{x=2314y=5z=4356\left\{ \begin{aligned}x & = & \frac{23}{14}\\ y & = & 5\\ z & = & \frac{43}{56} \end{aligned} \right.

Finalmente, a partir del punto P(2314, 5, 4356)P\left(\frac{23}{14},\ 5,\ \frac{43}{56}\right) y el vector director u⃗r(−9, −17, −12)\vec{u}_{r}\left(-9,\ -17,\ -12\right) tenemos la ecuación paramétrica de la recta rr es

r≡{x=2314−9ty=5−17tz=4356−12t,  t∈Rr\equiv\left\{ \begin{array}{cc} x= & \frac{23}{14}-9t\\ y= & 5-17t\\ z= & \frac{43}{56}-12t \end{array}\right.,\,\,t\in\mathbb{R}

Enlaces al fichero fuente y al pdf final de una posible compilación.

[1]En todos los casos, si se puede se simplifican los vectores directores/normales dividiendo por el mcdmcd de sus coordenadas.