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Matemática (61) · Unidad 10 — Geometría

Vectores en ℝ³: productos escalar, vectorial y mixto

En el espacio un punto tiene tres coordenadas y todo lo del plano sigue valiendo. Aparece una operación nueva, el producto vectorial, que fabrica un vector perpendicular a otros dos; y con él, el producto mixto, que mide el volumen de la caja que forman tres vectores.

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La explicación

Ubicarse en ℝ³

Un punto del espacio es una terna (x, y, z), a veces escrita (x₁, x₂, x₃). Los tres ejes se cortan en el origen y, de a dos, arman los planos coordenados: el plano xy (donde z = 0), el xz (y = 0) y el yz (x = 0). Para ubicar (3, 2, 4) se avanza 3 sobre el eje x, 2 en la dirección de y y se sube 4.

Una caja apoyada en el origen con aristas sobre los ejes de largos a, b y c tiene sus ocho vértices en todas las ternas que se arman con 0 o a en la primera coordenada, 0 o b en la segunda y 0 o c en la tercera: (0, 0, 0), (a, 0, 0), (a, b, 0), (a, b, c) y los demás. El vértice opuesto al origen es (a, b, c).

Las operaciones son las del plano, con una coordenada más: se suma y se multiplica por un número coordenada a coordenada, y Q − P es la flecha de P a Q. La norma (el largo) es

‖(x, y, z)‖ = √(x² + y² + z²)

El producto escalar

⟨u ; v⟩ = u₁v₁ + u₂v₂ + u₃v₃

Da un número, y dice lo mismo que en el plano: ⟨u ; v⟩ = 0 si y sólo si u y v son perpendiculares (ortogonales). Un detalle que en ℝ³ cambia: los vectores perpendiculares a uno dado n = (a, b, c) ya no forman una recta sino un plano, el de ecuación ax + by + cz = 0. Hay infinitas direcciones perpendiculares a n, no una.

El producto vectorial

Para u = (u₁, u₂, u₃) y v = (v₁, v₂, v₃):

u × v = (u₂v₃ − u₃v₂ ,
         u₃v₁ − u₁v₃ ,
         u₁v₂ − u₂v₁)
Cómo acordárselo. Cada coordenada usa las otras dos. Para la primera se tapan las primeras coordenadas y se hace el «cruzado» de lo que queda: u₂v₃ − u₃v₂. Para la tercera, igual tapando las terceras. La del medio es la que se equivoca todo el mundo: es u₃v₁ − u₁v₃, o sea el cruzado de las otras dos con el signo cambiado.
Qué cumple. (1) u × v es perpendicular a u y a v. (2) v × u = −(u × v): el orden importa. (3) u × v = (0, 0, 0) exactamente cuando u y v son colineales (uno múltiplo del otro). (4) ‖u × v‖ es el área del paralelogramo de lados u y v.

La propiedad (1) es la que se usa: todos los vectores perpendiculares a u y a v a la vez son los múltiplos t·(u × v), siempre que u y v no sean colineales. Es una recta de direcciones, y u × v es la cuenta que la da.

Ortogonales, colineales o ninguna

⟨u ; v⟩ = 0 → ortogonales
u × v = 0 → colineales
ni una ni otra → ninguna

Salvo el vector nulo, no pueden pasar las dos cosas a la vez: un vector no es perpendicular a un múltiplo suyo.

El producto mixto y el volumen

Con tres vectores u, v y w, el producto mixto es ⟨u × v ; w⟩, y coincide con el determinante de la matriz que tiene a u, v y w como filas:

⟨u × v ; w⟩ = det(u ; v ; w)

Su valor absoluto es el volumen del paralelepípedo de aristas u, v y w: el área de la base ‖u × v‖ por la altura, que es cuánto avanza w en la dirección perpendicular a la base. Si el producto mixto da 0, la caja está aplastada: los tres vectores están en un mismo plano (son coplanares).

Cuando te dan cuatro vértices de un paralelepípedo y uno de ellos, V, «forma aristas» con los otros tres A, B y C, las aristas son u = A − V, v = B − V y w = C − V. Los otros cuatro vértices son V + u + v, V + u + w, V + v + w y el opuesto a V, V + u + v + w.

El control que conviene hacer siempre

Después de un producto vectorial, multiplicalo escalarmente por los dos factores: tiene que dar 0 con cada uno. Son dos cuentas de un renglón que agarran el signo de la coordenada del medio, que es el error más común. Y un volumen negativo no existe: si el determinante dio negativo, el volumen es su valor absoluto.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Sean u = (2, −1, 3) y v = (1, 4, −2). a) Calcular ⟨u ; v⟩ y u × v. b) Verificar que u × v es perpendicular a u y a v. c) Decidir si u y v son ortogonales, colineales o ninguna de las dos cosas.

Planteo: el escalar es una suma de tres productos; el vectorial, tres cruzados, uno por coordenada.

a) El producto escalar:

⟨u ; v⟩ = 2·1 + (−1)·4 + 3·(−2)
       = 2 − 4 − 6 = −8

El producto vectorial, coordenada por coordenada:

1ª: (−1)(−2) − 3·4 = 2 − 12 = −10
2ª: 3·1 − 2·(−2) = 3 + 4 = 7
3ª: 2·4 − (−1)·1 = 8 + 1 = 9

Entonces u × v = (−10, 7, 9). En la segunda coordenada fijate el orden: u₃v₁ − u₁v₃, que es el cruzado de las coordenadas 1 y 3 con el signo cambiado.

b) El control:

⟨u × v ; u⟩ = −20 − 7 + 27 = 0 ✔
⟨u × v ; v⟩ = −10 + 28 − 18 = 0 ✔

Si en la segunda coordenada hubiera quedado −7, el primer control daría −20 + 7 + 27 = 14 y el error aparecería solo.

c) Clasificación: ⟨u ; v⟩ = −8 ≠ 0, así que no son ortogonales. u × v ≠ (0, 0, 0), así que no son colineales. Ninguna de las dos cosas. Se ve también a ojo: para ser colineales, v tendría que ser un múltiplo de u, y 1/2, −4 y −2/3 no son el mismo número.

Dónde se pierde el punto: en la coordenada del medio del vectorial. Los dos controles del ítem b) no son un trámite: son la forma de saber que la cuenta está bien sin rehacerla.

Y uno del nivel del parcial

Los puntos V = (1, 0, 2), A = (3, 1, 2), B = (1, 2, 3) y C = (0, 1, 5) son vértices de un paralelepípedo en el que V forma aristas con A, B y C. a) Calcular el volumen. b) Hallar los otros cuatro vértices. c) Dar todos los vectores perpendiculares a las aristas VA y VB a la vez.

Planteo: las aristas son las restas desde V. Con ellas, el volumen es el producto mixto y los vértices que faltan son sumas.

Las aristas:

u = A − V = (2, 1, 0)
v = B − V = (0, 2, 1)
w = C − V = (−1, 1, 3)

a) El producto mixto. Primero u × v:

u × v = (1·1 − 0·2,
  0·0 − 2·1, 2·2 − 1·0)
      = (1, −2, 4)

Control: ⟨(1, −2, 4) ; u⟩ = 2 − 2 = 0 ✔ y ⟨(1, −2, 4) ; v⟩ = −4 + 4 = 0 ✔ Ahora con w:

⟨(1, −2, 4) ; (−1, 1, 3)⟩
  = −1 − 2 + 12 = 9

El volumen es |9| = 9. Por el determinante con u, v, w como filas da lo mismo: 2·(6 − 1) − 1·(0 + 1) + 0 = 9 ✔

b) Los vértices que faltan:

V + u + v = (3, 3, 3)
V + u + w = (2, 2, 5)
V + v + w = (0, 3, 6)
V + u + v + w = (2, 4, 6)

El último es el opuesto a V. Control: el punto medio de V y (2, 4, 6) es (3/2, 2, 4), y es también el punto medio de A y V + v + w = (0, 3, 6): las diagonales de un paralelepípedo se cortan en su centro ✔

c) Perpendiculares a u y a v: son todos los múltiplos de u × v, o sea t·(1, −2, 4) con t ∈ ℝ. No hay otros, porque u y v no son colineales.

Dónde se pierde el punto: usar A, B y C como aristas sin restarles V. Con eso se calcula el volumen de otra caja, la que sale del origen.

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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