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Álgebra (27) · Unidad 1 — Vectores, rectas y planos

Producto escalar y ángulo

El producto escalar convierte una pregunta geométrica —qué ángulo forman— en una suma de productos. Y detecta perpendicularidad sin calcular nada.

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

La explicación

Definición

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

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

v · w = w · v
v · (w + z) = v·w + v·z
(k v) · w = k (v · w)
v · v = ‖v‖² > 0 si v ≠ 0

Esa última identidad —‖v‖² = v · v— es la que conecta longitudes con productos escalares, y es la que se usa en casi todas las demostraciones del tema: permite pasar de normas, que no se distribuyen, a productos, que sí.

Perpendicularidad

v ⊥ w  ⟺  v · w = 0
Esta es la razón por la que existe el producto escalar en la materia. Comprobar un ángulo recto se reduce a una suma que da cero: sin medir ángulos, sin raíces, sin arcocosenos. Aparece en planos, proyecciones y distancias todo el tiempo.

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

El ángulo

cos θ = (v · w) / (‖v‖ · ‖w‖)      con  0 ≤ θ ≤ π

Se toma el menor de los dos ángulos, así que θ nunca pasa de 180°. Que el cociente caiga entre −1 y 1 lo garantiza Cauchy-Schwarz: |v · w| ≤ ‖v‖·‖w‖.

El signo ya dice bastante

v · w > 0  →  θ < 90°,  ángulo agudo
v · w = 0  →  θ = 90°
v · w < 0  →  θ > 90°,  ángulo obtuso

Muchos ejercicios que parecen pedir un ángulo se contestan mirando el signo. Y cuando sí hay que calcularlo, el signo sirve de control: si v · w salió negativo y tu θ dio menos de 90°, hay un error.

Ángulos que conviene reconocer

cos θ = 1     → 0°        cos θ = √2/2 → 45°
cos θ = 1/2   → 60°       cos θ = 0      → 90°
cos θ = −1   → 180°

Si el coseno te da 1/2, √2/2 o √3/2, el ejercicio estaba armado para dar exacto: contestá en grados o en radianes, no con un decimal.

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 el ángulo entre v y (1, 1, 0).

Perpendicularidad = producto escalar cero. Se plantea la ecuación:

v · w = 2·1 + 1·k + (−1)·3 = k − 1
k − 1 = 0  →  k = 1
El patrón: "hallar el parámetro para que sean perpendiculares" siempre se convierte en una ecuación lineal en ese parámetro. No hay que tantear ni pensar en ángulos: se plantea v·w = 0 y se despeja.

Ahora el ángulo con u = (1, 1, 0).

v · u = 2 + 1 + 0 = 3
‖v‖ = √(4 + 1 + 1) = √6      ‖u‖ = √2
cos θ = 3 / (√6 · √2) = 3 / √12 = 3 / (2√3) = √3/2
θ = 30°  (π/6)

Salió un ángulo redondo, que es la señal de que la cuenta está bien: √12 = 2√3 y 3/(2√3) = √3/2 racionalizando.

Controles. v · u dio positivo, así que el ángulo tiene que ser agudo — y 30° lo es ✔. Y el coseno quedó entre −1 y 1 ✔, como obliga Cauchy-Schwarz. Si un arcocoseno te pide el coseno de un número fuera de ese rango, el error está en las normas.

Y uno del nivel del parcial

De dos vectores u, v ∈ ℝ³ se sabe que ‖u‖ = 2, ‖v‖ = 3 y ‖u + v‖ = √7. a) Calcular u · v y el ángulo entre u y v. b) Calcular ‖2u − v‖. c) Hallar t ∈ ℝ para que u + t·v sea ortogonal a u.

No hay coordenadas: todo tiene que salir de la identidad ‖w‖² = w · w, que convierte normas (que no se distribuyen) en productos escalares (que sí).

a) El producto escalar. Se desarrolla la norma de la suma:

‖u + v‖² = (u + v)·(u + v) = ‖u‖² + 2 u·v + ‖v‖²
7 = 4 + 2 u·v + 9  →  u · v = −3
cos θ = (u · v)/(‖u‖·‖v‖) = −3/6 = −1/2  →  θ = 120°  (2π/3)

El signo negativo ya avisaba que el ángulo es obtuso. Y tiene sentido geométrico: ‖u + v‖ = √7 ≈ 2,65 es menor que ‖v‖ = 3, así que al sumarle u a v se acortó. Eso sólo pasa si u apunta, en parte, en contra de v.

b) La norma de 2u − v. Mismo truco, con cuidado en los coeficientes:

‖2u − v‖² = 4‖u‖² − 4 u·v + ‖v‖² = 16 − 4·(−3) + 9 = 37  →  ‖2u − v‖ = √37
Dónde se equivoca casi todo el mundo: en el término cruzado. (2u − v)·(2u − v) tiene dos productos cruzados iguales, −2u·v y −2u·v, que suman −4u·v. Y como u·v es negativo, ese término suma 12. Si te dio √13, perdiste ese doble signo.

c) El t. Ortogonal es producto escalar cero, y el producto escalar se distribuye:

(u + t v)·u = ‖u‖² + t (u·v) = 4 − 3t = 0  →  t = 4/3

Verificación con vectores concretos. Los datos no fijan u y v, pero cualquier par que los cumpla tiene que dar lo mismo. En el plano z = 0 sirven u = (2, 0, 0) y v = (−3/2, 3√3/2, 0): ‖v‖² = 9/4 + 27/4 = 9 ✔ y u + v = (1/2, 3√3/2, 0), con norma al cuadrado 1/4 + 27/4 = 7 ✔. Entonces 2u − v = (11/2, −3√3/2, 0), cuya norma al cuadrado es 121/4 + 27/4 = 37 ✔, y u + (4/3)v = (0, 2√3, 0), que es perpendicular a u ✔.

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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