CURSO CERO
DE
MATEMÁTICAS
Álgebra y Geometría
Dra. Mónica Cortés Molina - Dr. Fernando García Alonso
Dr. José A. Reyes Perales - Dr. Ferran Verdú Monllor
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
RESUMEN TEORÍA DE ÁLGEBRA
Matrices
Las matrices constituyen una herramienta fundamental para la ejecución de cálculos
eficientes en el Algebra Lineal, ya que se encuentran presentes, como elemento de enlace
entre los diferentes conceptos, en los siguientes temas: sistemas de ecuaciones, espacios
vectoriales, funciones lineales y determinantes.
Definición de matriz de números reales: Se llama matriz de orden m × n a un tabla de
m × n números reales, ordenados en m filas y n columnas, encerrados por un paréntesis
o corchete. Se denotan con letras mayúsculas (A; B; C…)
Tipos de matrices:
1. Matriz Fila: tiene orden 1 × n , es decir una fila.
2. Matriz Columna: tiene orden m × 1 , es decir una columna.
3. Matriz Cuadrada: tiene el mismo número de filas y columnas, es decir m = n .
4. Matriz Rectangular: tiene diferentes el número de filas y columnas, es decir m ≠ n .
5. Matriz Transpuesta de una dada: es aquella matriz que tiene como columnas las filas
de la matriz dada.
6. Matriz Diagonal: es una matriz cuadrada A = (aij ) con aij = 0 , para todo i ≠ j .
7. Matriz Escalar: es una matriz diagonal cuyos elementos de la diagonal principal son
iguales, es decir aij = 0 , para todo i ≠ j y aij = k para todo i = j .
8. Matriz Identidad o Matriz Unidad: es un caso especial de las matrices escalares en la
que los elementos de la diagonal principal son todos igual a 1. Se denota con la letra I.
9. Matriz Triangular: se dice que una matriz es triangular si todos los elementos por
encima o por debajo de la diagonal principal son iguales a cero, puede ser triangular
inferior si aij = 0 para todo i < j , o superior si aij = 0 para todo i > j .
10. Matriz Opuesta a una matriz dada: es aquella cuyos elementos son iguales a los de la
matriz dada, pero de signo contrario.
11. Matriz Simétrica: es una matriz A = ( aij ) que es igual a At = ( a ji ) . Es decir, los aij = a ji
para todo i, j = 1…n.
12. Matriz Antisimétrica: o también Hemisimétrica es una matriz A tal que -At = A.
13. Matrices Permutables: Son aquellas que verifican la propiedad conmutativa es decir
A*·B =B*·A.
14. Matrices Antipermutables: Son aquellas que verifican: B* A=-B* A.
15. Matriz Involutiva: si se cumple que A2 = I (A2 =A* A).
16. Matriz Idempotente: si se cumple que A2 = A.
17. Matriz Nilpotente de orden k: si se cumple que Ak = 0 y que Ak-1 es no nula, k es un
entero positivo, y representa el índice de nilpotencia de la matriz.
18. Matriz Singular: su determinante es igual a cero.
19. Matrices Equivalentes: dos matrices son equivalentes (A~B) si una de ellas se deduce
de la otra como consecuencia de transformaciones elementales.
Rango de una matriz:
Es el número de filas o columnas linealmente independientes.
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Operaciones elementales con matrices:
1. Intercambiar filas o columnas.
2. Multiplicación de una fila o columna por un escalar diferente de cero.
3. Sumarle a una fila un múltiplo de otra fila (o realizar el mismo proceso pero con
columnas).
Propiedades de la Adición de matrices:
1. Conmutativa: A+B = B+ A
2. Asociativa: A+ (B+C)= (A+B)+C
3. Elemento neutro: A+0 = 0+A ; 0 es la matriz nula
4. Distributiva: k·(A+B) = k·A+k·B
5. Elemento opuesto: A+ (-A) = 0.
6. Propiedad de la traspuesta: (A+B)t= At+ Bt
Propiedades del producto por un escalar:
1. Conmutativa: k·.A = A·k
2. Asociativa: k·l·A =k· (l·A)
3. Distributiva: A·(k+l) = k·A+l·A
4. Distributiva respecto a la suma de matrices: k· (A+B)= k·A+k·B
Propiedades del producto de matrices:
1. Asociativa: A* (B*C)= (A*B)*C
2. Distributiva respecto a la suma: C* (A+B) = C*A+C*B
3. Propiedad de la traspuesta: (A*B)t = Bt* At
Propiedades de la Inversa de una matriz:
1. La inversa si existe es única
2. La Inversa debe cumplir que: A* A-1=I
3. La traspuesta de la inversa es :( B-1) t = :( B t )-1
4. Inversa del producto: Si A y B son regulares del mismo orden (A*B)-1 = B-1* A-1
Determinantes
Dada una matriz cuadrada A su determinante se simboliza así: | A |, det(A) o Det(A).
Determinantes de orden dos:
a
a
Si A= 11 12 ⇒ A= a11a22 − a12 a21
a21 a22
Determinantes de orden tres, regla de Sarrus:
a11
Si A = a21
a
31
a12
a22
a32
a13
a23 entonces:
a33
A = a11a22 a33 + a21a32 a13 + a12 a23 a31 − ( a13 a22 a31 + a21a12 a33 + a11a32 a23 ) .
Gráficamente:
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Menor complementario de un elemento:
Sea A una matriz cuadrada, y sea aij un elemento de A. El determinante de la submatriz
que resulta de eliminar de A la fila i y la columna j, se denomina menor complementario
del elemento aij , notándose por α ij .
Adjunto de un elemento:
Sea A una matriz cuadrada, y sea aij un elemento de A. Se denomina adjunto del
elemento aij y se nota como Aij al determinante ( −1) α ij .
i+ j
Aij =
( −1)
i+ j
α ij
Matriz adjunta:
Sea A una matriz cuadrada, A = ( aij ) . Se define la matriz adjunta de la matriz A y se nota
como adj(A), a la matriz ( Aij )
t
adj ( A ) = ( Aij )
t
Desarrollo de un determinante por adjuntos de una fila o columna:
a11
a
Sea la matriz A = 21
a
n1
a12 a1n
a22 a2 n
, entonces:
an 2 ann
El desarrollo por adjuntos de la fila i es:
A=
n
∑a
ij
j =1
A=
ai1 Ai1 + ai 2 Ai 2 + + ain Ain
ij
El desarrollo por adjuntos de la columna j es:
A
=
n
∑a
i =1
ij
A=
a1 j A1 j + a2 j A2 j + + anj Anj
ij
Propiedades de los determinantes:
1. det (A) = det(At)
2. Si dos filas (o dos columnas), se intercambian el determinante resultante será de signo
contrario al inicial.
3. El det(A*·B) = det A det B, siempre que A y B sean del mismo orden.
4. Si dos filas (o dos columnas) son iguales el det(A) =0
5. Si una fila (o una columnas de la matriz se multiplica por un escalar k el determinante
queda multiplicado por k
6. Si dos filas (o dos columnas) son proporcionales, entonces el determinante de esa
matriz es igual a 0
7. El det (k·A) = kn.det(A), siendo n el orden da la matriz.
8. Una matriz con determinante igual a cero se denomina matriz singular.
9. Una matriz con determinante diferente de cero se denomina matriz regular.
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10. Si una fila (o una columna) tienen un factor común, éste puede salir fuera del
determinante.
11. Si una fila (o una columna), tiene solo elementos iguales a cero, entonces el
determinante es cero.
Rango de una matriz por determinantes:
El rango de una matriz es el orden del mayor menor no nulo.
Cálculo de la matriz inversa:
a12 a1n
a22 a2 n
, regular, la matriz inversa de A se calcula
an 2 ann
1
A−1 = adj ( A )
A
a11
a
Dada una matriz A = 21
an1
Sistemas de ecuaciones lineales
Un sistema de m ecuaciones lineales con n incógnitas:
b1
a11 x1 + a12 x2 + a1n xn =
b2
a21 x1 + a22 x2 + a2 n xn =
am1 x1 + am 2 x2 + amn xn =
bm
se puede escribir matricialmente de la siguiente forma:
a11
a21
am1
a12 a1n x1 b1
a22 a2 n x2 b2
=
am 2 amn
xn bm
en notación más compacta Ax = b .
Asociado a todo sistema es posible considerar la matriz de coeficientes del sistema y la
matriz ampliada del sistema, respectivamente:
a11
a
A = 21
a
m1
A+
=
a12 a1n
a22 a2 n
.
am 2 amn
a11
a
A b 21
=
am1
( )
a12 a1n b1
a22 a2 n b2
am 2 amn bm
Teorema de Rouché-Fröbenius:
En álgebra lineal, el teorema de Rouché-Fröbenius permite calcular el número de
soluciones de un sistema de ecuaciones lineales en función del rango de la matriz de
coeficientes y del rango de la matriz ampliada asociadas al sistema.
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Lleva el nombre del matemático francés Eugène Rouché quien lo enunció y del
matemático alemán Ferdinand Georg Fröbenius quien fue uno de los muchos
matemáticos que lo demostraron.
Así, en otros idiomas recibe otros nombres como el teorema de Rouché-Capelli, el
teorema de Rouché-Fontené, el teorema de Kronecker-Capelli, etc.
Enunciado del teorema de Rouché-Fröbenius:
El teorema establece que para que un sistema de ecuaciones lineales sea compatible es
condición necesaria y suficiente que la matriz formada por los coeficientes y la ampliada
por los términos independientes posean el mismo rango.
En tal caso el sistema será determinado si su rango coincide con el número de incógnitas
ó será indeterminado su rango coincide con el número de incógnitas.
Eliminación Gaussiana, eliminación de Gauss o eliminación de Gauss-Jordan:
En matemáticas, la eliminación gaussiana, eliminación de Gauss o eliminación de GaussJordan, llamadas así debido a Carl Friedrich Gauss y Wilhelm Jordan, son algoritmos del
álgebra lineal para determinar las soluciones de un sistema de ecuaciones lineales y
encontrar matrices inversas. Un sistema de ecuaciones se resuelve por el método de Gauss
cuando se obtienen sus soluciones mediante la reducción del sistema dado a otro
equivalente en el que cada ecuación tiene una incógnita menos que la anterior. Cuando se
aplica este proceso, la matriz resultante se conoce como: "forma escalonada".
El método fue presentado por el matemático Carl Friedrich Gauss, pero se conocía
anteriormente en un importante libro matemático chino llamado Jiuzhang Suanshu o
Nueve capítulos del arte matemático.
Algoritmo de eliminación de Gauss
Sea un sistema de m ecuaciones lineales con n incógnitas:
b1
a11 x1 + a12 x2 + a1n xn =
b2
a21 x1 + a22 x2 + a2 n xn =
am1 x1 + am 2 x2 + amn xn =
bm
que se puede escribir matricialmente de la siguiente forma:
a11
a21
am1
a12 a1n x1 b1
a22 a2 n x2 b2
.
=
am 2 amn
xn bm
Se supone que a11 ≠ 0 , en caso contrario se procedería a reordenar las filas y columnas
del sistema.
Se trata de transformar la matriz ampliada del sistema en una matriz escalonada, para
obtener un sistema equivalente que se resolverá calculando las incógnitas xn , xn −1 ,…, x1 ,
en ese orden.
Realizando las transformaciones elementales i-esima fila - primera fila ×
c=
aij − a1 j
ij
ai1
y llamando
a11
a
ai1
y r=i bi − b1 i1 , con i = 2,..., m , y j = 2,..., n se obtiene el sistema:
a11
a11
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Curso cero de matemáticas
a11
0
0
Álgebra y Geometría
a12 a1n x1 b1
c22 c2 n x2 r2
=
cm 2 cmn
xn rm
Reiterando el procedimiento, se obtiene el sistema equivalente:
a12 a1n x1 b1
c22 c2 n x2 r2
=
0 d mn
xn sm
que permite calcular de forma sencilla las incógnitas xn , xn −1 ,…, x1 .
a11
0
0
Regla de Cramer:
La regla de Cramer es un teorema del álgebra lineal, que da la solución de un sistema
lineal de ecuaciones en términos de determinantes. Recibe este nombre en honor a Gabriel
Cramer (1704 - 1752), quien publicó la regla en su Introduction à l'analyse des lignes
courbes algébriques de 1750, aunque Colin Maclaurin también publicó el método en su
Treatise of Geometry de 1748 (y probablemente sabía del método desde 1729).
La regla de Cramer es de importancia teórica porque da una expresión explícita para la
solución del sistema. Sin embargo, para sistemas de ecuaciones lineales de más de tres
ecuaciones su aplicación para la resolución del mismo resulta excesivamente costosa
computacionalmente, es ineficiente para grandes matrices y por ello no es usado en
aplicaciones prácticas que pueden implicar muchas ecuaciones. Sin embargo, como no es
necesario pivotar matrices, es más eficiente que la eliminación gaussiana para matrices
pequeñas.
Enunciado de la regla de Cramer:
Si Ax = b es un sistema de ecuaciones con A ≠ 0 . Entonces la solución al sistema se
presenta así:
Aj
xj =
A
donde Aj es la matriz resultante de reemplazar la j-ésima columna de A por el vector
columna b.
Hágase notar que para que el sistema sea compatible determinado, el determinante de la
matriz A ha de ser no nulo.
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PROBLEMAS DE ÁLGEBRA
Matrices
1.- Calcular las matrices A y B tales que:
−11
Solución: A =
6
−2
,
−14
5 2
A + B =
1 7
−1 2
3 A + 2 B =
8 0
16 4
B=
.
−5 21
3 0
1 4 0
4 −1
2.- Dadas las matrices A= −1 2 , B =
y C =
, calcular:
0 2
3 1 5
1 1
t
a) A
b) BAt − C
c) BB t C
d) C 2
e) ( AC )
−1
3 −1 1
11 66 −10
11 −10 3
t
t
c) BB C =
b) BA − C =
10 −4 20
−3 3 −3
0 2 1
Solución: a) At =
d) imposible e) imposible
3.- Calcular A2 − B 2 sabiendo que A + B =
Q , siendo:
P y A− B =
0 0 2
2 0 2
P = 2 2 0 y Q = 0 2 4
2 4 6
0 2 2
2 6 10
2
2
Solución: A − B =
2 8 10
8 16 18
1
1
4.- Dada la matriz A =
, hallar el conjunto C de todas las matrices que conmutan
−1 0
con ella.
a b
∈
; a, b, c, d=
c d
Solución:
=
C
1 1
1 0
b
+d
; bd ∈
0 1
−1 0
5.- Calcular las matrices inversas de las matrices siguientes:
0 1 −1
a) A = 1 1 3
2 3 6
-8-
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1 0 1
b) B = −1 1 1
−1 −2 −3
1
− 2
3 9 −4
Solución: a)=
A−1 0 −2 1 b) B −1 = −2
3
−1 −2 1
2
1
−1 −
2
−1 −1
1
1
2
2 4
1 3
1 1
, B=
y P=
, resolver las siguientes
1 0
2 1
1 2
6.- Dadas las matrices A =
ecuaciones matriciales:
a) AX = B
b) XA = B
c) AX+B = X
d) P −1 XP = A
2
Solución: a) X = 3
−
4
3
1
4
1 b) X =
1
4
4
1
−
2 c) X = − 1 9 7 d) X = 2 1 .
3
5 −1 2
4 0
2
−2 4 2 1
4 2 1 −2
7.- Dada la matriz A =
, calcular A2 y A−1 .
2 1 −2 4
1 −2 4 2
1
Solución: A2 = 25I ⇒ A−1 = A
25
Determinantes
1.- Calcular el valor de los siguientes determinantes:
3
−2
a)
1
0
2
2
b)
1
3
6 −5 4
0 6 0
1 2 0
3 −1 −1
6
7
5
7
3
−2
Solución: a)
1
0
6
3
0
0
2
6
1
7
6 −5 4
2 6
0 6 0
2 7
= −180 b)
1 2 0
1 5
3 −1 −1
3 7
-9-
6
3
0
0
2
6
= −168
1
7
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1+ a
1
1
1 1 1
2.- Demostrar la igualdad: 1 1 + b 1= abc 1 + + + con a ≠ 0 , b ≠ 0 , c ≠ 0 .
a b c
1
1 1+ c
1 −1
−1 1
, comprobar que A + B ≠ A + B .
y B=
0
−2 0
3.- Dada las matrices A =
2
1 0 3
1
4.- Dada la matriz=
.
A 0 −1 2 , comprobar que A−1 =
A
2 1 0
2 0 5
5.- Dada la matriz=
A 3 −1 6 , calcular:
3 2 1
t
a) A
b) AAt
c) 2A
d) 4A−1
Solución: a) At = 19 b) AAt = 192 c) 2 A = 152 d) 4 A−1 =
64
19
6.- Resolver las ecuaciones:
1
1
1 2 − x2
a)
2
3
2
3
2
3
2
3
=0
1
5
1 9 − x2
1+ x
1
1
1
1 1− x
1
1
=0
b)
1
1 1+ y
1
1
1
1
1− y
Solución: a) −3 ( 4 − x 2 )(1 − x 2 ) =0 ⇒ x =±2 ∧ x =±1 b) x 2 y 2 = 0 ⇒ x = 0 ∨ y = 0
7.- Calcular el rango de las siguientes matrices, según los valores de λ ∈ :
1 −1 λ
a) A= 1 −λ −1
−λ 1
1
1
b) B 1
=
−λ
−1
λ
1
λ
−1
1
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−2 4 2
c) C = 1 λ λ
−1 2 1
1 − λ ≠ 0 ⇒ λ ≠ 1
r ( A )= 3 ⇔
1
7
2
Solución: a)
i∉
2 + λ + λ ≠ 0 ⇒ λ ≠ − ±
2 2
λ =
1 ⇒ r ( A) =
2
λ ≠ −1
r ( B )= 3 ⇔
1
7
b)
i∉
λ ≠ − ±
2
2
λ =−1 ⇒ r ( B ) =2
c) r ( C ) = 2
a b c
8.- Sabiendo que p q r = −1 , calcular los siguientes determinantes:
x y z
−x
−y
−z
a) 3 p + a 3q + b 3r + c
2p
2q
2r
−2a
−2b
−2c
b) 2 p + x 2q + y 2r + z
3x
3y
3z
−x
−y
−z
−2a
−2b
−2c
Solución: a) 3 p + a 3q + b 3r + c =
−12
2 b) 2 p + x 2q + y 2r + z =
3x
3y
3z
2p
2q
2r
Sistemas de ecuaciones lineales
1.- Discutir y resolver el siguiente sistema:
1
x + 2 y − z =
2
−3 x + y − 2 z =
− x + 5 y − 4 z =−2
Solución: S. I.
2.- Discutir y resolver el siguiente sistema:
x + 2 y − z + t + u =0
3 x − y + t − u =6
1
6 x + y + t + u =
x − 2 y + 2 z − 2t =
−5
-11-
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0
1
x − 5
0
−3
2
2
y 3
−1
13
Solución: S. C. I. con 2 g. l. z =
− + α − + β −1 , ∀αβ ∈
2
2
t 7
0
9
u
−
1
2
2
0
0
3.- Discutir y resolver el siguiente sistema:
5
2 x − y + z =
−3 x + 2 y + 2 z =
0
0
− x − 2 y + 2 z =
x + y + z =
0
0
5 x − 6 y − 2 z =
Solución: S. I.
4.- Discutir y resolver el siguiente sistema:
1
x + 2 y + z − t =
2
2 x − 3 y + z + t =
x + 9 y + 2 z − 4t =
1
x 1
5
−2
y 0
1
0
+ α + β , ∀αβ ∈
Solución: S. C. I. con 2 g. l. =
z 0
−7
3
t 0
0
1
5.- Discutir y resolver el siguiente sistema, según los valores de a, b ∈ :
b
3 x + y =
x − y =
−1
1
ax + y =
x + ay =
−1
a ≠ −1, ∀b ∈ . S. I.
b −1
Solución:
x 4
=−
∀
∈
a
b
1,
.
S.
C.
D.
=
y b +3
4
6.- Discutir y resolver el siguiente sistema, según los valores de a, b ∈ :
3
x + y + z =
3 x + 4 y − 3 z =
7
4
2 x + 3 y − az =
5 x + 7 y − (a + b) =8 + b
-12-
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b ≠ 3 S. I.
a ≠ 4
b = 3 S. C. D.
b ≠ 3 S. C. D.
Solución:
a = 4
=
b 3 S. C. I. con 1 g. l.
x 5
−7
y = -2 +α 6 , ∀α ∈
z 0
1
7.- Discutir el siguiente sistema, según los valores de a, b ∈ :
1
ax + y + z + t =
x + ay + z + t =
b
b2
x + y + az + t =
x + y + z + at =
b3
a ≠ −3 S. C. D.
a ≠ 1 a = −3 b = −1 S. C. I.
Solución:
b ≠ −1 S. I.
a = 1 b = 1 S. C. I
b ≠ 1 S. I.
8.- Discutir y resolver el siguiente sistema, según el valor de a ∈ :
ax + y + z =
1
a
x + ay + z =
a2
x + y + az =
∀a ≠ −2,1 S. C. D.
Solución: a 1 S. C. I.con 2 g. l.
a = −2 S. I.
x 1
−1 −1
y = 0 +α 1 +β 0 , ∀αβ ∈
z 0
0 1
9.- Resolver:
0
0
2
x − 2 y + z − t =
x + 2 y + t =
x − y + z + t =
b)
c) 2 x − 3 y + 4 z + t =0 d)
0
1
y + t =
z = 0
z − t =
a)
0 x + y − 2z =
−3
x + y + z + 0t =
e)
f)
0
4
2 x − y =
2 x + y + z =
x + y − 2 z =−3
g) 2 x + y + z =
4
1
3x + 2 y − z =
-13-
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RESUMEN TEORÍA DE GEOMETRÍA
Producto escalar de vectores
En el espacio vectorial 3 ( ) , se llama producto escalar a una aplicación de
3 × 3
→ , que a cada par de vectores u y v , le hace corresponder un número real
que representaremos por u v , que cumple ∀u , v , w ∈ 3 y ∀α , β ∈ las siguientes
condiciones:
i) Es simétrica: u v = v u
ii) (α u + β v ) w = α ( u w ) + β ( v w )
iii) Si u ≠ 0 ⇒ u u > 0
El espacio vectorial 3 ( ) dotado de un producto escalar,” ”,, se dice que es un espacio
vectorial euclídeo (E.V.E.), y se denota por ( 3 ( ) , ) .
Producto escalar canónico: Si u ( u1 , u2 , u3 ) ∈ 3 ( ) y v ( v1 , v2 , v3 ) ∈ 3 ( ) , el
producto u v = u1v1 + u2 v2 + u3v3 es un producto escalar llamado producto escalar
canónico en 3 ( ) . En adelante consideraremos este producto escalar canónico.
Norma de un vector: u ( u1 , u2 , u3 ) ∈ 3 ( ) :
u =
+ u u =
+ u12 + u22 + u32
Propiedades del producto escalar: En el espacio vectorial euclídeo 3 ( ) , se verifican
las siguientes propiedades:
i) u = 0 ⇔ u = 0
ii) =
λu λ u , ∀λ ∈ , ∀u ∈ 3
iii) u v ≤ u v , ∀u , v ∈ 3 (Desigualdad de Cauchy-Schwarz)
iv) u + v ≤ u + v , ∀u , v ∈ 3 (Desigualdad triangular o de Minkowski)
Ángulo entre vectores: Si u ( u1 , u2 , u3 ) y v ( v1 , v2 , v3 ) son dos vectores no nulos del
E.V.E. ( 3 ( ) , ) , la desigualdad de Cauchy-Schwarz permite escribir
u1v1 + u2 v2 + u3v3
u v
=
cos θ =
con 0 ≤ θ ≤ π
u v
u12 + u22 + u32 v12 + v22 + v32
Se dice que θ , es el ángulo que forman los vectores u y v , escribiéndose θ = u
,v . Y
de ahí la expresión clásica: u v = u v cos θ .
( )
Vectores ortogonales: En el E.V.E. ( 3 ( ) , ) , se dice que dos vectores u ( u1 , u2 , u3 ) y
v ( v1 , v2 , v3 ) son ortogonales si u v = 0 .Se representa por u ⊥ v .
-14-
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
Los vectores de la base canónica del espacio vectorial 3 ( ) son ortogonales con el
producto escalar canónico.
Ecuaciones del plano y la recta en el espacio afín tridimensional
Considerando la definición de espacio afín A3 = 3 a cuyos elementos llamaremos
puntos, y U 3 ( ) = 3 ( ) , se obtiene el espacio afín tridimensional 3 asociado al e.v.
3 ( ) .
Ecuaciones del plano: Un plano es una variedad lineal afín de dimensión dos. Por tanto
es el conjunto de puntos de la forma:
Plano ( P; u , v=
= α u + β v con rg ( u , v ) = 2
) X / PX
Si en el espacio afín se adopta una referencia cartesiana R
= O, e1 , e2 , e3 se tiene,
P = ( p1 , p2 , p3 ) , u = (u1 , u2 , u3 ) , y v = (v1 , v2 , v3 ) , la ecuación anterior puede escribirse en
la llamada forma vectorial paramétrica:
{
}
( (
))
( x, y, z )= ( p1 , p2 , p3 ) + α (u1 , u2 , u3 ) + β (v1 , v2 , v3 )
igualando componente a componente, se obtiene una ecuación paramétrica del plano:
x =p1 + α u1 + β v1
y =p2 + α u2 + β v2
z =p3 + α u3 + β v3
Eliminando los parámetros α y β se obtiene la ecuación implícita o general del plano:
x − p1
y − p2
z − p3
u1
u2
u3
v1
v2
v3
=0
desarrollando el determinante anterior se obtiene una ecuación de la forma
Ax + By + Cz + D =
0 , donde:
u2 u3
u u
u1 u2
A=
; B=
− 1 3; C=
v2 v3
v1 v3
v1 v2
con ( A, B, C ) ≠ 0 por ser rango de u , v igual a dos.
( )
Recíprocamente se puede probar que una ecuación del tipo Ax + By + Cz + D =
0 con
( A, B, C ) ≠ 0 representa un plano.
Ecuaciones de la recta: Una recta es una variedad lineal afín de dimensión uno. Por tanto
es el conjunto de puntos de la forma:
Recta=
X / PX α u con u ≠ 0
( P; u ) =
{
}
-15-
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
Si en el espacio afín se adopta una referencia cartesiana R
= O, e1 , e2 , e3 se tiene:
P = ( p1 , p2 , p3 ) , y u = (u1 , u2 , u3 ) , la ecuación anterior puede escribirse en la llamada
forma vectorial paramétrica:
( x, y, z )= ( p1 , p2 , p3 ) + α (u1 , u2 , u3 )
igualando componente a componente, se obtiene una ecuación paramétrica de la recta,
=
x p1 + α u1
( (
))
y p2 + α u2
=
z p3 + α u3
=
eliminando el parámetro α resulta una expresión denominada ecuación continua de la
recta,
x − p1 y − p2 z − p3
= =
u1
u2
u3
Observación 1: Cuando aparece un cero en el denominador se interpreta como que el
numerador correspondiente,
también es cero.
Como (u1 , u2 , u3 ) ≠ 0 , una de sus coordenadas es distinta de cero, por lo que el sistema
continuo anterior tiene siempre sentido. Si por ejemplo u1 ≠ 0 entonces el sistema
continuo se puede escribir como:
u2 ( x − p1 ) = u1 ( y − p2 )
u3 ( x − p1 ) = u1 ( z − p3 )
o sea, de la forma:
0
A1 x + B1 y + C1 z + D1 =
0
A2 x + B2 y + C2 z + D2 =
expresión que se conoce como unas ecuaciones implícitas de la recta.
Observación 2: Toda recta se puede interpretar como la intersección de dos planos,
aunque en general no todo sistema del tipo anterior determina una recta en el espacio afín
tridimensional.
Si tenemos dos puntos distintos P = ( p1 , p2 , p3 ) y Q = (q1 , q2 , q3 ) , un vector
director de la recta que determinan
es:
PQ = (q1 − p1 , q2 − p2 , q3 − p3 )
la ecuación de la recta que pasa por ellos, expresada en su forma continua sería:
z − p3
x − p1
y − p2
=
=
q1 − p1 q2 − p2 q3 − p3
en la que se sigue utilizando el mismo convenio en el caso de anularse algún
denominador.
Posiciones relativas en el Espacio Afín Tridimensional
Incidencia Punto-Recta: hay incidencia punto-recta cuando el punto pertenece a la
recta, es decir, cuando cumple la ecuación de la recta.
Incidencia Punto-Plano: hay incidencia punto-plano cuando el punto pertenece al
plano, es decir, cuando cumple la ecuación del plano
-16-
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
Posiciones relativas de dos planos:
0
π ≡ A1 x + B1 y + C1 z + D1 =
Sean los planos 1
, consideremos las matrices
0
π 2 ≡ A2 x + B2 y + C2 z + D2 =
A
M = 1
A2
B1
B2
C1
A1
∗
y M =
C2
A2
B1
C1
B2
C2
D1
.
D2
Si rg ( M ) =
2 ⇒ rg ( M ∗ ) =
2 ⇒ SCI un gr. libertad, los planos se cortan en una recta
rg ( M ∗ )= 2 ⇒ SI, los planos son paralelos
Si rg ( M ) = 1 y
.
∗
1
SCI,
.
,
rg
M
dos
gr
libertad
los
planos
son
coincidentes
=
⇒
)
(
Posiciones relativas de tres planos:
0
π 1 ≡ A1 x + B1 y + C1 z + D1 =
Sean los planos π 2 ≡ A2 x + B2 y + C2 z + D2 =
0 , consideremos las matrices
π ≡ A x + B y + C z + D =
0
3
3
3
3
3
A1
M = A2
A
3
C1
A1
y ∗
B2 C2 M = A2
A
B3 C3
3
Si rg ( M ) =
3 ⇒ rg ( M ∗ ) =
3 ⇒ SCD, los tres planos
B1
D1
B2 C2 D2 .
B3 C3 D3
se cortan en un punto
B1
C1
rg ( M ∗ )= 3 ⇒ SI, no existen puntos comunes a los tres planos
Si rg ( M ) = 2 y
.
∗
rg ( M )= 2 ⇒ SCI, un gr. libertad , los tres planos se cortan en una recta
rg ( M ∗ )= 2 ⇒ SI, no existen puntos comunes a los tres planos
Si rg ( M ) = 1 y
∗
rg ( M ) = 1 ⇒ SCI, dos gr. libertad , los tres planos coinciden
Nota: En los casos que hay dos posibilidades estudiaremos dos a dos las ecuaciones que
forman el sistema.
Posiciones relativas de recta y plano:
0
A x + B1 y + C1 z + D1 =
Sea r ≡ 1
y π ≡ A3 x + B3 y + C3 z + D3 =
0 consideramos las
0
A2 x + B2 y + C2 z + D2 =
matrices:
A1 B1 C1
A1 B1 C1 D1
, ∗
M = A2 B2 C2 M = A2 B2 C2 D2 .
A B C
3
3
3
A3 B3 C3 D3
Si rg ( M ) =
3 ⇒ rg ( M ∗ ) =
3 ⇒ SD, la recta y el plano se cortan en un punto
-17-
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
rg ( M ∗ )= 3 ⇒ SI, recta y plano paralelos
Si rg ( M ) = 2 y
∗
rg ( M )= 2 ⇒ SCI, un gr. libertad , recta incidente (contenida) en el plano
Posiciones relativas de dos rectas:
Caso I: Las rectas vienen dadas en forma continua.
Sean las rectas:
x − p1 x − p2 x − p3
r≡
=
=
con u ( u1 , u2 , u3 ) ≠ 0 y P ( p1 , p2 , p3 )
=
u1
u2
u3
x − q1 x − q2 x − q3
=
=
s≡
con v ( v1 , v2 , v3 ) ≠ 0 y Q ( q1 , q2 , q3 )
=
v1
v2
v3
→
rg u , v , PQ = 1 ⇒ rectas coincidentes
rg ( u , v ) = 1 (rectas con misma dirección) y
→
rg u, v, PQ = 2 ⇒ rectas paralelas
→
rg u , v , PQ = 2 ⇒ las rectas se cortan en un punto
rg ( u , v ) = 2 (rectas de distinta dirección) y
→
rg u, v, PQ = 3 ⇒ las rectas se cruzan
Caso II: Las rectas vienen dadas en forma implícita.
Sean las rectas:
0
0
A x + B1 y + C1 z + D1 =
A x + B3 y + C3 z + D3 =
y s≡ 3
y las matrices:
r≡ 1
0
0
A2 x + B2 y + C2 z + D2 =
A4 x + B4 y + C4 z + D4 =
A1
A
M = 2
A3
A4
B1
B2
B3
B4
C1
A1
A
C2
y M∗ = 2
A3
C3
C4
A4
rg ( M ∗ )= 4 ⇒ las rectas r y s se cruzan .
B1
B2
B3
B4
C1
C2
C3
C4
D1
D2
.
D3
D4
rg ( M ∗ )= rg ( M )= 3 ⇒ S.C.D., las rectas r y s se cortan en un punto.
rg ( M ∗ ) = 3 ≠ 2 = rg ( M ) ⇒ S.I., las rectas r y s son paralelas.
rg ( M ∗ )= 2= rg ( M ) ⇒ S.C.I., un gr. libertad, las rectas r y s coinciden.
Espacio afín euclídeo tridimensional
Si consideramos el espacio afín A3 = 3 y dotamos a 3 ( ) , de estructura de espacio
vectorial euclídeo con el producto escalar canónico, se obtiene el espacio afín euclídeo
tridimensional 3 .
En todo lo que sigue, se da por supuesto que se ha adoptado una referencia cartesiana
rectangular R= (O, (e1 , e2 , e3 )) .
Distancia entre dos puntos: Dados los puntos P = ( p1 , p2 , p3 ) y Q = (q1 , q2 , q3 ) . La
-18-
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
distancia entre P y Q viene dada por:
d ( P, Q) = PQ = OQ − OP =
( q1 − p1 ) + ( q2 − p2 ) + ( q3 − p3 )
2
2
2
Cosenos
directores
de un vector: Se llaman cosenos directores
de un vector
x = ( x1 , x2 , x3 ) ≠ 0 a los cosenos de los ángulos formados por el vector x con los vectores
de la base (e1 , e2 , e3 ) que vienen dados por:
xi
xi
cos α
=
=
i
2
x
x1 + x22 + x32
i = 1, 2, 3
x
Observación 3: Estos cosenos directores son las coordenadas del vector , respecto de
x
la base de la referencia y es inmediato que: cos 2 α1 + cos 2 α 2 + cos 2 α3 = 1
Producto vectorial y mixto
Estudiaremos a continuación una operación interna en el espacio vectorial euclídeo
tridimensional 3 ( ) llamada producto vectorial, que es útil por su aplicación a la Física
y a las Matemáticas; en particular se utilizará en este curso para resolver ciertos problemas
métricos.
Producto vectorial: Dados dos vectores x e y de 3 ( ) , de coordenadas
x = ( x1 , x2 , x3 ) , y = ( y1 , y2 , y3 ) referidos a una base ortonormal, B = (e1 , e2 , e3 ) . Se llama
producto vectorial de x e y , y se nota como x × y o bien como x ∧ y , al vector:
x2 x3 x1 x3 x1 x2
=
x× y
e −
e +
e
y2 y3 1 y1 y3 2 y1 y2 3
Observación 4: Es frecuente escribir la expresión obtenida, de una manera simbólica,
fácil de recordar, pero incorrecta desde el punto de vista formal, del modo siguiente:
e1
x × y =x1
y1
e2
x2
y2
e3
x3
y3
En el caso de que x e y sean linealmente dependientes, entonces su producto vectorial
es el vector cero.
Propiedades del producto vectorial:
1. Anticonmutatividad: x × y =−( y × x) ∀ x, y ∈ 3 ( ) .
2. Distributiva: x × ( y + z ) = x × y + x × z ∀ x, y, z ∈ 3 ( ) .
3. λ x × y = λ ( x × y ) = x × (λ y ) ∀ x, y ∈ 3 ( ) ,∀λ ∈ .
4. x × y = 0 ⇔ El sistema x, y es linealmente dependiente.
( )
{ }
-19-
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
5. x( x × y ) =y ( x × y ) =0. ∀ x, y ∈ 3 ( ) .
6. Fórmula de expulsión:
× z)
x × ( y=
( x z ) y − ( x y ) z
∀ x, y, z ∈ 3 ( ) .
7. Fórmula de Lagrange:
( x × y=
)(u × v) ( xu )( y v) − ( xv)( y u ) ∀ x, y, u, v ∈ 3 ( ) .
8. Módulo del producto vectorial: x × y = x ⋅ y ⋅ sin θ , siendo θ el ángulo que
forman los vectores x e y . Luego x × y coincide con el área del paralelogramo
de lados x e y .
Observación 5: Como
=
θ
( x, y ) ∈[0,π ] , el sinθ ≥ 0 luego
x × y = x ⋅ y ⋅ sin θ
Definición: Sean B = (u1 , u2 , u3 ) y B ' = (v1 , v2 , v3 ) dos bases de 3 ( ) .
Las dos bases tienen la misma orientación ⇔ sig (det(u1 , u2 , u3 )) = sig (det(v1 , v2 , v3 ))
Proposición. Sea el sistema x, y linealmente independiente. La orientación de la base
( x, y, x × y ) es la misma que la orientación de la base ortonormal (e1 , e2 , e3 ) .
De las propiedades anteriores se deduce la siguiente definición geométrica de producto
vectorial.
{ }
Definición geométrica. El producto vectorial de dos vectores, linealmente
independientes, x e y es otro vector x × y tal que:
x× y =
x
x ( x × y=
)
y sin θ
y ( x × y=
) 0
La orientación determinada por la terna ( x, y, x × y ) es igual a la
orientación determinada por la base (e1 , e2 , e3 ) , es decir:
sig (det( x, y, x × y )) =sig (det(e1 , e2 , e3 )) .
Producto mixto: Se llama producto mixto de tres vectores x, y, z al escalar x y × z ,
que representaremos por x, y, z . Pudiéndose expresar:
x1 x2 x3
x, y, z = y1 y2 y3
z1 z2 z3
(
Vector característico
=
ω
Sea un plano π ≡ Plano ( P; u , v ) = Ax + By + Cz + D =
0 , y el vector
Si X ( x, y, z ) ∈ π ⇔ Ax + By + Cz + D =
0.
-20-
)
( A, B, C ) ≠ 0 .
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
Si P ( p1 , p2 , p3 ) ∈ π ⇔ Ap1 + Bp2 + Cp3 + D =
0.
Luego: A ( x − p1 ) + B ( y − p2 ) + C ( z − p3 ) =
0
Aunque este resultado es conocido, ahora se tiene una interpretación euclídea de los
coeficientes ( A, B, C ) : el vector
=
ω ( A, B, C ) ≠ 0 es ortogonal a cualquier vector del
plano π . A dicho vector se le llama vector característico del plano π .
A continuación se van a estudiar problemas métricos relacionados con ángulos y
distancias.
Problemas métricos; Ángulos, distancias, áreas y volúmenes
Ángulo entre dos rectas: Sean las rectas
x − p1 x − p2 x − p3
r≡
=
=
=
con u ( u1 , u2 , u3 ) ≠ 0 y P ( p1 , p2 , p3 )
u1
u2
u3
x − q1 x − q2 x − q3
s≡
=
=
=
con v ( v1 , v2 , v3 ) ≠ 0 y Q ( q1 , q2 , q3 )
v1
v2
v3
u v
cos(r , s ) =
u v
Ángulo entre dos planos: Sean los planos:
π 1 ≡ A1 x + B1 y + C1 z=
ω1 ( A1 , B1 , C1 ) ≠ 0
+ D1 0, con
=
π 2 ≡ A2 x + B2 y + C2 z=
+ D2 0, con
=
ω2 ( A2 , B2 , C2 ) ≠ 0
ω1 ω2
cos(π 1 , π 2 ) =
ω1 ω2
Ángulo entre recta y plano: Dada la recta r ≡
=
u ( u1 , u2 , u3 ) ≠ 0
=
ω ( A, B, C ) ≠ 0
y
P ( p1 , p2 , p3 )
y
el
x − p1 x − p2 x − p3
=
=
u1
u2
u3
plano π ≡ Ax + By + Cz + D =
0,
con
con
u ω
sin(r , π ) =
u ω
Distancia de un punto a un plano: Sea el punto P ( p1 , p2 , p3 ) y el plano
π ≡ Ax + By + Cz + D =
0
d ( P, π ) =
Ap1 + Bp2 + Cp3 + D
A2 + B 2 + C 2
Distancia entre dos planos paralelos: Basta tomar un punto P ( p1 , p2 , p3 ) de uno de
los planos y calcular la distancia de ese punto al otro plano.
-21-
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
Distancia de un punto a una recta: Dada la recta r ≡
=
u
( u1 , u2 , u3 ) ≠ 0
x − p1 x − p2 x − p3
=
=
con
u1
u2
u3
y un punto Q ( q1 , q2 , q3 ) .
PQ × u
d ( Q, r ) =
u
Distancia entre dos rectas que se cruzan:
Método 1
i)
Se halla la ecuación del plano π que contiene a una de las rectas r y que es
paralelo a la otra recta, s .
ii)
Se toma un punto cualquiera Q ∈ s y se calcula la distancia de Q al plano
π.
Método 2
Sean las rectas
x − p1 x − p2 x − p3
r≡
=
=
con u ( u1 , u2 , u3 ) ≠ 0 y P ( p1 , p2 , p3 )
=
u1
u2
u3
x − q1 x − q2 x − q3
s≡
=
=
con v ( v1 , v2 , v3 ) ≠ 0 y Q ( q1 , q2 , q3 )
=
v1
v2
v3
→
que se cruzan, es decir, rg u , v , PQ = 3 .
PQ( u ∧ v )
d ( r, s ) =
(mínima distancia)
u ∧v
Área del triángulo: Dados los vértices A , B , C de un triángulo en el espacio,
1
Área ( ABC ) = AB × AC
2
Volumen del paralelepípedo: El valor absoluto del producto mixto x, y, z es el
volumen del paralelepípedo de aristas construidas sobre los vectores x, y, z.
Volumen del tetraedro: Dados los vértices A , B , C , D de un tetraedro.
1
AB, AC , AD
Volumen( ABCD=
)
6
Otros problemas métricos
Recta perpendicular común a dos rectas que se cruzan:
Método 1
Dadas las rectas en forma paramétrica:
-22-
Curso cero de matemáticas
x p1 + λu1
=
r ≡ y = p2 + λu2
=
z p3 + λu3
Sean
Pλ ( p1 + λu1 , p2 + λ u2 , p3 + λu3 )
Álgebra y Geometría
x= q1 + µ v1
y s ≡ y =q2 + µ v2
=
z q3 + µ v3
y
Qµ ( q1 + µ v1 , q2 + µ v2 , q3 + µ v3 ) ,
puntos
genéricos de las rectas r y s respectivamente.
Pλ Qµ u = 0
, se obtiene λ y µ y hallamos P y Q .
Al exigir que
=
P
Q
v
0
λ µ
La perpendicular común es la recta que pasa por P y Q , (siendo d ( P, Q ) la mínima
distancia entre las rectas que se cruzan).
Método 2
i)
Halle el plano π que contiene a s y es paralelo a r .
ii)
Halle el plano π ′ que contiene a r y es paralelo a un vector característico de
π.
iii)
Calculemos la intersección π ′ ∩ r =
A.
iv)
La recta que pasa por A y es ⊥ π , es la perpendicular común a r y s .
Recta de máxima pendiente de un plano π respecto de un plano α , que pasa por
un punto P ∈ π :
i)
Halle la recta r= π ∩ α .
ii)
Halle el plano β ⊥ r que pasa por P.
iii)
La recta de máxima pendiente buscada es s ≡ β ∩ π .
-23-
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
PROBLEMAS DE GEOMETRÍA
1.- Calcule a para que el vector u =
Solución: a = 1 .
2.- Halle un vector ortogonal a u=
Solución:
( −2, −2, 4 ) y ( ( 2, 2, −4 ) )
( −2,1, a ) sea ortogonal al vector
(1, −1, 0 )
v = ( 2,1,3) .
y v = ( 2, 0,1) y cuyo módulo sea
3.- Calcule un vector ortogonal a =
u
( 2,3, −1)
y v = (1, 4, 2 )
24 .
cuya tercera
componente sea 1.
Solución: ( 2, −1,1) .
4.- Halle el ángulo que forman los vectores u y v sabiendo que u = 3 , v = 5 y
u +v =
7.
Solución: 60º
5.- Halle las coordenadas de los puntos que dividen al segmento de extremos A ( 2, −1,3)
y B ( 5,11, −12 ) , en tres partes iguales.
Solución: M ( 3,3, −2 ) y N ( 4, 7, −7 ) .
6) Responda razonadamente a:
a) ¿Están alineados los puntos A (1, 2,1) , B ( 2,3, 0 ) y C ( 3,1, −4 ) ?.
b) Halle la ecuación cartesiana del plano π , que pasa por los puntos A (1, 2,1) , B ( 2,3, 0 )
y C ( 3,1, −4 ) . ¿Pertenecen los puntos D ( 3,1, 2 ) y E ( 0,1, 2 ) al plano π ?
c) Calcule la ecuación de un plano paralelo al plano π , que pase por el punto F = ( 0,1, 0 )
d) Halle una ecuación continua de la recta que pase por el punto P ( 3,1, 2 )
y sea
perpendicular al plano π .
e) Calcule el punto simétrico de D ( 3,1, 2 ) respecto del plano π .
f) Calcule el punto simétrico de Q ( 2,1,3) respecto de la recta de ecuación
x −1
z +1
= y=
2
3
g) Halle la ecuación de un plano α que pase por el punto R (1, 2,3) y es perpendicular a
x = 1 − 2λ
la recta cuya ecuación paramétrica es y = 2
.
z = 3λ
−1
h) Estudie la posición relativa del plano π con la recta x =
i) Calcule el área del triángulo de vértices A, B y C .
j) Calcule el volumen del tetraedro de vértices A, B, C y D.
-24-
y + 2 3− z
=
.
0
−2
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
k) Estudie la posición relativa de los planos
π 2 ≡ −4 x + 2 y − 2 z + 5 =0 .
l) Estudie la posición relativa de los planos
π 1 ≡ 2 x − y + z − 1 =0
y
π 1 ≡ 2 x − y + z − 1 =0
y.
x = λ
π 3 ≡ y = 4λ + 2 µ − 3
z = µ
m) Calcule una ecuación continua de la recta π 1 ∩ π 3 .
x −1 y + 2 z − 3
, s ≡ x + 2 = y −3 = z −2 .
=
=
1
2
2
1
1
0
o) Ángulo que forman π ≡ 3x − 2 y + 6 z − 1 =0 y α ≡ 2 x + 3 y + 4 =
0.
p) Ángulo que forman π ≡ 3x − 2 y + 6 z − 1 =0 y s ≡ x + 2 = y − 3 = z − 2 .
1
1
0
n) Ángulo que forman r ≡
Solución:
a) NO están alineados los puntos A (1, 2,1) , B ( 2,3, 0 ) y C ( 3,1, −4 ) .
b) π ≡ 2 x − y + z =
1 . D ( 3,1, 2 ) ∉ π . E ( 0,1, 2 ) ∈ π .
c) π ≡ 2 x − y + z =−1 .
x − 3 y −1 z − 2
d) = =
.
2
−1
1
e) D′ ( −1,3, 0 ) .
30 8 10
f) Q′ , , .
7 7 7
g) α ≡ 2 x − 3 z + 7 =
0.
1
h) Se cortan en el punto − , −2, 0 .
2
3
6 u2 .
i) Área del triángulo =
2
j) Volumen del tetraedro = 3 u 3 .
k) π 1 y π 2 son paralelos.
l) π 1 y π 3 se cortan en una recta.
x −1 y −1 z
=
=
m) Ecuación de la recta π 1 ∩ π 3 ≡
−1
0
2
n) 45 º
o) 90º
p) 5º 47´51,49”
7.- Estudie la posición relativa
r ≡ x =2 + 3λ , y =1 − λ , z =λ.
Solución: paralelos.
del
plano
8.- Estudie la posición relativa del plano
r ≡ x =2 + 3λ , y =1 − λ , z =λ.
Solución: incidentes (recta contenida en el plano).
-25-
x − 3y − 6z =
5 y
x − 3y − 6z =
−1
y
la
recta
la
recta
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
9) Obtenga la ecuación de un plano que contenga a la recta r y sea perpendicular al plano
π , siendo:
x= λ − µ
x −1 y −1 z +1
.
=
=
r≡
π ≡ y= λ
−3
−1
2
z = µ
Solución: 4x+3y-z-8=0.
10.- Halle la ecuación de una recta que es paralela a los planos x - 3y + z = 0,
2x-y+3z-5 = 0 y pasa por el punto P (2,-1,5).
x − 2 y +1 z −5
=
=
Solución: r ≡
.
−1
5
−8
11.- Halle la ecuación de un plano paralelo a las rectas r y s y que pase por P(0,2,-1)
x −1 y − 2 z + 2
x −1 y z
=
=
= = y s≡
.
siendo r ≡
−1
1
0
2
−1 1
Solución: x+y-z-3=0.
12.- Halle la ecuación de una recta paralela a los planos 2 x − y − z =
0 y 3x − 6 y + 5 z − 1 =0
y que pase por el punto P(4,1,2).
x − 4 y −1 z − 2
.
Solución: = =
11
13
9
x −1 2 − y
z
=
=
13.- Determine la proyección ortogonal de la recta r ≡
sobre el plano
1
2
−2
x − 2y + z + 3 =
0 .
Solución: s ≡ (1 − λ , 2 + 2λ ,5λ ) .
14.- Sea el plano π de ecuación x + 2 y + 3 z =
5
a) Encuentre la ecuación de un plano paralelo a π cuya distancia al origen sea 3.
b) Calcule el punto P del plano π que esté más próximo al origen.
c) Sea Q el punto (1, 1, 1). se sabe que los segmentos OP y OQ son dos lados de
paralelogramo. Halle los vértices y el área de dicho paralelogramo.
Solución:
a) x + 2 y + 3 z =
±3 14
5 10 15
b) P , ,
14 14 14
un
5 6 2
19 24 29
c) Q , , , A=
u
14
14 14 14
0
x − 2z + 3 =
15.- Dada la recta r ≡
y el plano x+2y+3z-1=0. Calcule la ecuación de
0
y − z − 4 =
una recta situada en el plano dado, que pase por el punto P(2,1,-1) y sea perpendicular a
r.
Solución: (2+ λ , 1-5 λ , -1+3 λ ).
-26-
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
2 x − y = 0
16.- Calcule la longitud del segmento de recta r ≡
comprendido entre los
x − z = 0
planos 3x+z = 5, x-y- z= 0.
5 6
Solución:
u
4
17.- Halle la ecuación de una recta r que pasa por P(-1,0,2) siendo paralela al plano π
y perpendicular a la recta s, donde:
x= 2 + λ
x y +1 z
=
π ≡ =
y µ
s≡ =
2
3
1
z =+
1 2λ − 2 µ
Solución: r ≡ (-1+t, -4t , 2+10t).
18.- Halle la longitud de la proyección del segmento de extremos A(2,1,-3) y B(3,4,2)
sobre el plano 2x+y-2z=0.
2610
Solución:
u
9
19.- Si un plano tiene de ecuación ax+by+cz+d=0, exprese, en forma continua, la recta
perpendicular al mismo y que pase por el origen.
x y z
Solución: = =
a b c
20.- Calcule la ecuación de una recta r que pase por el punto (2,0,0) , esté contenida en
el plano 3 x + 2 y =
6 y sea perpendicular a la dirección de la recta de ecuación:
y−2 z−3
=
x=
.
−1
−2
x−2 y z
= =
Solución:
4
−6 5
21.- Determine al menos de dos formas distintas la distancia del punto P(5,-1,6) a la
x = 1 − 2λ
recta r ≡ y =
−λ
z= 5 + λ
Solución: 2 3 u
22.- Obtenga la ecuación de un plano paralelo al x + y + 2 z =
1 que se encuentre a 5
unidades de distancia de él.
Solución: x + y + 2 z − 11 =
0, x + y + 2 z + 9 =
0
23.- Determine el área del triángulo de vértices A(1,1,1) , B(-1,2,5) y C(0,1,6).
62 2
u
Solución:
2
-27-
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
24.- Obtenga la ecuación de la recta simétrica de r ≡
1.
π de ecuación −2 x + y − z =
x − 11 y − 10 z + 13
Solución: = =
.
−8
−5
8
x −1 y z − 2
== respecto al plano
2
2
−3
25.- Determine la longitud de la proyección del segmento de extremos: A(2,1,-3) y
x= λ + 2 µ
B(3,4,-1) sobre el plano π ≡ y =+
1 2λ − µ
z =2 − 2λ + 2 µ
39
117 39
10 u
Solución: Vector proyección
, , 0 , longitud =
65
65 65
26.- Halle la perpendicular común a las rectas
x =−3 + 3λ
x − 3 y − 2 z −1
.
r ≡ y =9 − 2λ
s≡
=
=
1
2
−2
z= 8 − 2λ
así como la mínima distancia entre ellas.
Solución:
x −3 y −5 z −4
Perpendicular común = =
2
2
1
Mínima distancia: d ( (3,5, 2), (1,3,3) ) = 3 u
27.- Calcule:
a) La perpendicular común a las rectas siguientes:
5+λ
2 + 3λ
x =
x =
2−λ
r ≡ y =
s ≡ y =
−1
z =8 + 2λ
z =−1 + 4λ
b) La mínima distancia entre ellas.
Solución:
x − 5 y −1 z − 3
a) Perpendicular común = =
.
−2
−2
1
b) Mín. distancia: 3 u
28.- En el tetraedro ABCD, las coordenadas de los vértices B, C y D son respectivamente
(1,2,3) , (2,3,3) y (3,2,4). Halle:
a) La ecuación del plano BCD.
b) El seno del ángulo entre la recta BC y el plano x + 2 y + 3 z =
4.
c) Si AC y AD son perpendiculares a BD y BC respectivamente y si la longitud del
segmento AB es 26 , halle las coordenadas de A. ¿Cuántas soluciones hay?
Solución:
a) x − y − 2 z + 7 =
0
3
b)
28
-28-
Curso cero de matemáticas
Álgebra y Geometría
c) Dos: A(0,5, 7) y B (4,1, −1) .
x + y − 1 =0
, es paralela al plano
29.- Halle la ecuación de la recta r que se apoya en s ≡
z = 0
0 y pasa por P(0,1,1)
y−z =
y − z = 0
Solución:
x + y − 1 = 0
30.- Determine los valores de a y b para que las rectas r y s se corten
perpendicularmente, siendo:
b
x + y =
x − 2 y −1 z +1
, s≡
r≡
=
=
1
2
a
−1
y − z =
Solución: a = 3 , b = 7 / 4 .
31.- De un cubo se conoce su centro C(1,1,1) y que una de sus caras está en el plano
2 x + y + z + 1 =0 . Halle el volumen de dicho cubo.
Solución: V =
250 6 3
u
9
32.- Halle b para que las rectas r ≡
x −1 y + 5 z +1
x y − b z −1
=
=
y s≡=
sean
=
2
−3
2
4
−1
2
secantes.
Solución: b = −11 .
33) Los puntos P(1,1,-3) y Q(-1,0,0) son dos vértices consecutivos de un rectángulo. Los
otros dos vértices pertenecen a una recta que pasa por C(4,3,-5). Halle:
a) La ecuación de la recta r y del plano π que contiene al rectángulo.
b) Las coordenadas de los otros vértices.
c) Área del rectángulo.
Solución:
x −4 y −3 z +5
=
=
; π ≡ 4x − 5 y + z + 4 =
a) r ≡
0
−2
−1
3
b) R(2,2,-2) y S(0,1,1)
c) área: 42 u 2 .
34) Los lados de un cuadrado están sobre las rectas r ≡
x −1 y z − 2
y
==
1
2
1
2
x − y + z =
.Calcule su área.
s≡
3 x − y − z =−4
Solución: Longitud del lado del cuadrado
21
7
u . Área = u 2 .
3
3
35) Calcule:
a) La recta t de máxima pendiente, que pasa por el punto P(1,1,3) del plano
x + y + 2z =
8 , respecto del plano z = 1 .
b) La ecuación de la recta t ∗ , simétrica de la anterior respecto del plano z = 1 .
-29-
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Álgebra y Geometría
Solución:
x
y
z−4
=
=
a) t ≡
−1
1
1
x
−
3
y
−3
z −1
=
=
b) t ∗ ≡
1
1
1
36.- Halle la posición relativa de los planos siguientes:
0
0
π 1 ≡ 2 x − y + z − 1 =0
π 1 ≡ x + 2 y − z − 3 =
π 1 ≡ x − y + z − 1 =
a) π 2 ≡ 3 y − 2 z − 1 =0
b) π 2 ≡ −4 x + 2 y − 2 z − 1 =0 c) π 2 ≡ 3 x + y − 2 z =
0
π ≡ 6 x − y + z − 4 =
π ≡ x + y + z − 2 =
π ≡ 2 x + 2 y − 3 z + 4 =
0
0
0
3
3
3
Solución:
1
5
a) Se cortan en el punto , 0, −
2
2
b) Dos planos paralelos y otro los corta.
c) Se cortan dos a dos sin ningún punto común a los tres.
-30-
