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Álgebra A (62) · Unidad 4 — Vectores, rectas y planos

Producto escalar y producto vectorial

Dos productos distintos entre vectores. Uno devuelve un número y detecta perpendicularidad; el otro devuelve un vector perpendicular a los dos.

Practicar este tema →7 ejercicios que te corrigen paso a paso · gratis, sin cuenta

La explicación

Producto escalar (o interno)

v · w = v₁w₁ + v₂w₂ + v₃w₃      da un número real

Se multiplican coordenada a coordenada y se suma todo. El resultado no es un vector: es un escalar, y de ahí el nombre.

v · w = w · v                     conmutativo
v · (w + z) = v·w + v·z    distributivo
(k v) · w = k (v · w)
v · v > 0 si v ≠ O,  y v · v = 0 sólo si v = O
Un vector multiplicado por sí mismo mide. v · v = v₁² + v₂² + v₃² es la suma de los cuadrados de las coordenadas, así que su raíz es —por Pitágoras— la longitud de la flecha. Se la llama norma y se escribe con doble barra:
‖v‖ = √(v · v) = √(v₁² + v₂² + v₃²)
Con eso alcanza para los ejercicios de esta unidad que piden que un vector mida algo. El tema 5.1 la retoma en serio, con la distancia entre puntos.

Para qué sirve: detecta ángulos rectos

v ⊥ w  ⟺  v · w = 0
Ésta es la razón por la que existe el producto escalar en esta materia. Comprobar que dos vectores son perpendiculares se reduce a una suma de productos que da cero: no hay que medir ningún ángulo ni calcular ninguna raíz. Aparece en planos, en proyecciones y en distancias, todo el tiempo.

Y ojo: el vector nulo es perpendicular a todos, porque O · w = 0 siempre.

Producto vectorial (sólo en ℝ³)

v × w = (v₂w₃ − v₃w₂,  v₃w₁ − v₁w₃,  v₁w₂ − v₂w₁)    da un vector

Para acordarse sin memorizar: para la coordenada i, se tapan las coordenadas i de los dos vectores y se hace la diferencia cruzada de lo que queda. En la del medio, además, se cambia el signo.

v × w = −(w × v)           no es conmutativo
v × v = O
(k v) × w = k (v × w)
v × w es perpendicular a v y a w

La propiedad que se usa

Esa última línea es lo que hace útil al producto vectorial: dados dos vectores, produce uno perpendicular a los dos de una. Es exactamente lo que hace falta para encontrar el vector normal de un plano del que se conocen dos direcciones.

v = (1, 2, 3),  w = (2, −1, 0)
v × w = (2·0 − 3·(−1),  3·2 − 1·0,  1·(−1) − 2·2) = (3, 6, −5)

Verificación obligatoria: (3,6,−5)·(1,2,3) = 3 + 12 − 15 = 0 ✔ y (3,6,−5)·(2,−1,0) = 6 − 6 + 0 = 0 ✔. Los dos productos escalares tienen que dar cero; si no, hay un error de signo en el medio.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Sean v = (2, 1, −1) y w = (1, k, 3). Hallar k para que sean perpendiculares, y con ese valor calcular v × w verificando el resultado.

Perpendicularidad = producto escalar cero. Planteamos la ecuación:

v · w = 2·1 + 1·k + (−1)·3 = 2 + k − 3 = k − 1
k − 1 = 0  →  k = 1

Entonces w = (1, 1, 3).

El patrón a reconocer: "hallar el parámetro para que sean perpendiculares" siempre se convierte en una ecuación lineal en ese parámetro. No hay que buscar por tanteo ni pensar en ángulos: se plantea v·w = 0 y se despeja.

Ahora el producto vectorial, coordenada por coordenada:

1ª:  1·3 − (−1)·1 = 3 + 1 = 4
2ª:  (−1)·1 − 2·3 = −1 − 6 = −7   (acá va el orden cruzado que cambia el signo)
3ª:  2·1 − 1·1 = 1
v × w = (4, −7, 1)

Verificación, que en este tema es obligatoria:

(4,−7,1) · (2,1,−1) = 8 − 7 − 1 = 0  ✔
(4,−7,1) · (1,1,3) = 4 − 7 + 3 = 0  ✔

Los dos dan cero, así que el producto vectorial está bien calculado. Esta verificación atrapa cualquier error de signo, que es el único error que se comete acá, y toma quince segundos.

Y uno del nivel del parcial

Sean u = (1, 2, 0), v = (0, 1, −1) y w = (2, 0, 3). Calcular el producto mixto u·(v × w), decir qué significa geométricamente, y verificarlo calculando un determinante.

El producto mixto se hace de adentro hacia afuera: primero el producto vectorial (que da un vector), después el escalar con el tercero (que da un número).

El producto vectorial v × w:

v × w = | i   j   k ; 0   1   −1 ; 2   0   3 |
i: 1·3 − (−1)·0 = 3
j: −[0·3 − (−1)·2] = −[0 + 2] = −2
k: 0·0 − 1·2 = −2
v × w = (3 ; −2 ; −2)

Control antes de seguir: v × w tiene que ser perpendicular a v y a w.

v·(3,−2,−2) = 0 − 2 + 2 = 0 ✓
w·(3,−2,−2) = 6 − 0 − 6 = 0 ✓

Ahora el escalar con u:

u·(v × w) = (1)(3) + (2)(−2) + (0)(−2) = 3 − 4 + 0 = −1

Qué significa ese número. El módulo del producto mixto es el volumen del paralelepípedo que arman los tres vectores:

volumen = |−1| = 1

Y el signo también dice algo: negativo significa que la terna (u, v, w) está orientada al revés que la terna canónica (i, j, k). Para el volumen no importa, pero es lo que distingue una terna «derecha» de una «izquierda».

La consecuencia que suele preguntarse: como el producto mixto no es cero, los tres vectores no son coplanares. Si estuvieran en un mismo plano, el paralelepípedo sería chato y su volumen 0.

La verificación con el determinante. El producto mixto es exactamente el determinante de la matriz que tiene a los tres vectores como filas:

| 1   2   0 ; 0   1   −1 ; 2   0   3 |

Desarrollando por la primera fila:

1·(1·3 − (−1)·0) − 2·(0·3 − (−1)·2) + 0·(0·0 − 1·2)
= 1·3 − 2·2 + 0 = 3 − 4 = −1 ✓

Los dos caminos dan lo mismo, y no es casualidad: son la misma cuenta escrita de dos maneras. Por eso el producto mixto no cambia si se rotan los tres vectores (u, v, w → v, w, u) y cambia de signo si se intercambian dos, igual que un determinante con sus filas.

Un atajo que conviene: si lo único que se pide es el volumen o decidir si son coplanares, se va directo al determinante y se saltea el producto vectorial. Es una cuenta en vez de dos.

Dónde se pierde el punto: calcular u·v y después multiplicar vectorialmente por w. u·v es un número, y no se puede hacer el producto vectorial de un número por un vector: el orden de las operaciones en u·(v × w) no es negociable.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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