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

Rectas: paramétrica e implícita

Una recta queda determinada por un punto y una dirección. Hay dos maneras de escribirla y conviene saber pasar de una a la otra.

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La explicación

Ecuación paramétrica

L : X = λ·v + P      (λ ∈ ℝ)

Se lee: partir del punto P y caminar en la dirección v. Cada valor de λ da un punto de la recta. El vector v se llama vector director.

L : (x, y) = λ(3, −1) + (1, 2)
λ = 0 → (1, 2)    λ = 1 → (4, 1)    λ = −1 → (−2, 3)
Ni P ni v son únicos. Cualquier punto de la recta sirve como P, y cualquier múltiplo no nulo de v sirve como director. Por eso dos escrituras que parecen distintas pueden ser la misma recta — y por eso los ejercicios de "¿son la misma?" son tan frecuentes. Esta forma funciona igual en ℝ², ℝ³ o ℝⁿ.

Ecuación implícita en ℝ²

L : a x + b y = c

El vector N = (a, b) es perpendicular a la recta (es el vector normal). Con director v = (v₁, v₂), un normal es N = (v₂, −v₁): se dan vuelta las coordenadas y se le cambia el signo a una.

v = (3, −1)  →  N = (−1, −3)  →  −x − 3y = c
pasa por (1, 2):  c = −1 − 6 = −7
L : −x − 3y = −7,  o sea  x + 3y = 7

De implícita a paramétrica

Al revés es igual de directo: de a x + b y = c se lee el normal N = (a, b), y un director es v = (b, −a). Para el punto, se le da un valor cómodo a una variable y se despeja la otra.

L : 2x + y = 4  →  v = (1, −2)
con x = 0: y = 4  →  P = (0, 4)
L : X = λ(1, −2) + (0, 4)

Rectas en ℝ³

La paramétrica es idéntica: X = λv + P con tres coordenadas. Lo que no existe en ℝ³ es una sola ecuación implícita: ax + by + cz = d es un plano, no una recta.

Para dar una recta de ℝ³ en forma implícita hacen falta dos ecuaciones: la recta es la intersección de dos planos. Escribir una sola y llamarla recta es un error conceptual, no de cuenta.
Un ejercicio resuelto, paso a paso

Hallar la ecuación implícita de la recta que pasa por A = (2, 1) y B = (5, 3), y decidir si C = (8, 5) pertenece a ella.

Paso 1: el director. Con dos puntos, el director es el vector que va de uno al otro:

v = B − A = (3, 2)

Paso 2: la paramétrica (por si la piden, y porque ayuda a controlar):

L : X = λ(3, 2) + (2, 1)

Paso 3: el normal. Se dan vuelta las coordenadas del director y se cambia un signo:

N = (2, −3)       control: N · v = 6 − 6 = 0 ✔

Ese control es rápido y descarta el error más típico, que es olvidar el cambio de signo.

Paso 4: la implícita. Con N = (2, −3), la ecuación es 2x − 3y = c, y c sale reemplazando un punto de la recta:

con A = (2, 1):  c = 2·2 − 3·1 = 1
L : 2x − 3y = 1

Control con el otro punto: con B = (5, 3), 2·5 − 3·3 = 10 − 9 = 1 ✔. Siempre conviene verificar con el punto que no se usó para hallar c.

Paso 5: ¿está C = (8, 5)? Se reemplaza y se mira si da 1:

2·8 − 3·5 = 16 − 15 = 1  ✔  →  sí pertenece
Para qué sirve cada forma. Con la implícita, decidir si un punto pertenece es reemplazar y comparar: un renglón. Con la paramétrica habría que resolver 8 = 3λ + 2 y 5 = 2λ + 1 y verificar que el mismo λ sirva en las dos. Elegí la forma según lo que te pidan, y si hace falta, pasá de una a la otra.
Y uno del nivel del parcial

Hallar la ecuación implícita de la recta que pasa por P = (1, 4) y es perpendicular a L : 3x − 2y = 5. Hallar el punto de intersección de las dos rectas y la distancia de P a L, verificando el resultado.

De una ecuación implícita se lee directo el vector normal: en ax + by = c, el vector (a, b) es perpendicular a la recta.

L : 3x − 2y = 5 → normal de L: n = (3 ; −2)
dirección de L: d = (2 ; 3) (se dan vuelta y se cambia un signo)

Acá está la idea que resuelve el ejercicio: la recta que buscamos es perpendicular a L, así que su dirección es la normal de L, y por lo tanto su normal es la dirección de L.

normal de la nueva recta: (2 ; 3) → ecuación 2x + 3y = c

La c sale de que pasa por P = (1, 4):

2·1 + 3·4 = 2 + 12 = 14
M : 2x + 3y = 14

Control de perpendicularidad: las dos normales tienen que ser perpendiculares entre sí: (3,−2)·(2,3) = 6 − 6 = 0 ✓.

La intersección: se resuelve el sistema.

3x − 2y = 5 … (I)
2x + 3y = 14 … (II)

Por eliminación, multiplicando (I) por 3 y (II) por 2 para que se vaya la y:

9x − 6y = 15
4x + 6y = 28
────────────
13x = 43 → x = 43/13
y = (3x − 5)/2 = (129/13 − 65/13)/2 = (64/13)/2 = 32/13
intersección: (43/13 ; 32/13) ≈ (3,31 ; 2,46)

La distancia de P a L, con la fórmula:

d(P, L) = |a·x₀ + b·y₀ − c| / √(a² + b²)
= |3·1 − 2·4 − 5| / √(9 + 4)
= |3 − 8 − 5|/√13 = 10/√13 = 10√13/13 ≈ 2,77

La verificación, que es lo que hace completo al ejercicio. La distancia de P a L tiene que ser exactamente la distancia de P al punto de intersección, porque ese punto es el pie de la perpendicular:

P − intersección = (1 − 43/13 ; 4 − 32/13) = (−30/13 ; 20/13)
módulo = √(900 + 400)/13 = √1300/13 = 10√13/13 ✓

Los dos caminos coinciden. El de la fórmula es más rápido; el del punto explica qué está midiendo la fórmula, que es la distancia al punto más cercano de la recta.

Un control de razonabilidad: P = (1,4) reemplazado en L da 3 − 8 = −5, que no es 5, así que P no está en L y la distancia tiene que ser positiva. Cuánto más lejos esté el valor de 5, más grande la distancia.

Dónde se pierde el punto: usar (3, −2) como dirección de la nueva recta y escribir 3x − 2y = c. Eso da una recta paralela a L, no perpendicular. La normal de L es la dirección de la perpendicular, y viceversa: hay que cruzarlos.

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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