Tiza Paso a paso
Practicar →

Matemática (61) · Unidad 10 — Geometría

Planos en ℝ³

Un plano se describe con un punto y dos direcciones que no sean paralelas, o con una sola ecuación ax + by + cz = d. Las dos formas se conectan por el producto vectorial: las direcciones, cruzadas, dan la normal (a, b, c).

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

La explicación

Los planos más simples

Los tres planos coordenados tienen las ecuaciones más cortas posibles: el plano xy es z = 0, el xz es y = 0 y el yz es x = 0. Un plano paralelo a uno de ellos fija la misma coordenada en otro valor: el paralelo al plano xy que pasa por (0, 0, 1) es z = 1, y ahí están todos los puntos de la forma (x, y, 1), como (5, −2, 1) o (0, 3, 1).

La paramétrica: un punto y dos direcciones

Π: X = α·u + β·v + P,  α, β ∈ ℝ

u y v son dos direcciones no colineales (si fueran colineales, sólo se recorrería una recta). Por tres puntos A, B y C no alineados, las direcciones son u = B − A y v = C − A, y el punto de paso cualquiera de los tres. Tiene dos parámetros porque un plano tiene dos «grados de libertad»; la recta, uno.

Como en las rectas, la paramétrica no es única. Dos paramétricas describen el mismo plano cuando las direcciones de una están en la otra y comparten un punto; la forma práctica de decidirlo es pasar las dos a implícita y compararlas.

La implícita y la normal

Un vector perpendicular a u y a v es perpendicular a todo el plano: es la normal.

n = u × v = (a, b, c)
Π: ax + by + cz = d,  d = ⟨n ; P⟩

La idea detrás: X está en Π exactamente cuando la flecha X − P es perpendicular a n, o sea ⟨n ; X − P⟩ = 0, y eso desarrollado es ax + by + cz = ⟨n ; P⟩. La implícita tampoco es única (multiplicarla por un número no nulo da la misma), pero sí es única «salvo múltiplos»: por eso para comparar dos planos conviene escribirlos con el mismo coeficiente fijado.

Por tres puntos: u = B − A, v = C − A, n = u × v, d = ⟨n ; A⟩.
De paramétrica a implícita: n = u × v con las dos direcciones de la paramétrica, y d con su punto de paso.
De implícita a paramétrica: se despeja una variable. En x + 2y − z = 4, z = x + 2y − 4; con x = α e y = β queda X = α(1, 0, 1) + β(0, 1, 2) + (0, 0, −4).
Pertenencia: se reemplaza el punto en la implícita. Cuatro puntos son coplanares cuando el cuarto cumple la ecuación del plano de los otros tres.

Paralelos y perpendiculares a otra cosa

Plano perpendicular a una recta L: X = λw + Q, por un punto R: la dirección de la recta es la normal. Π: ⟨w ; X⟩ = ⟨w ; R⟩.

Plano paralelo a otro plano por un punto R: misma normal, otro d. Si el plano dado viene en paramétrica, primero se saca su normal con el producto vectorial. Dos planos con normales múltiplos son paralelos; si además sus ecuaciones son múltiplos incluido el d, son el mismo plano.

El plano que contiene a dos rectas

Depende de cómo sean las rectas (ver el tema anterior):

se cortan → n = v₁ × v₂
paralelas distintas →
  n = v₁ × (P₂ − P₁)
alabeadas → no existe
coincidentes → hay infinitos

En los dos primeros casos d sale de cualquier punto de cualquiera de las dos. Con paralelas no sirve v₁ × v₂, porque da (0, 0, 0): la segunda dirección del plano es la flecha que va de una recta a la otra. Con alabeadas no hay plano: si lo hubiera, las dos rectas estarían en él y, siendo coplanares y no paralelas, se cortarían.

El control que conviene hacer siempre

Una implícita armada por tres puntos se controla reemplazando los tres: con el que usaste para el d da bien por construcción, así que el control verdadero son los otros dos. Y la normal se controla contra las dos direcciones: ⟨n ; u⟩ = 0 y ⟨n ; v⟩ = 0.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Sean A = (1, 0, 2), B = (3, 1, 2) y C = (0, 2, 5). a) Dar una ecuación paramétrica del plano Π que pasa por A, B y C. b) Calcular su normal y dar una ecuación implícita. c) Decidir si (2, 1, 3) pertenece a Π.

Planteo: dos direcciones desde A, su producto vectorial como normal, y el d con uno de los puntos.

a) Las direcciones y la paramétrica:

u = B − A = (2, 1, 0)
v = C − A = (−1, 2, 3)
Π: X = α(2, 1, 0) + β(−1, 2, 3)
        + (1, 0, 2)

u y v no son colineales (u tiene 0 en la tercera coordenada y v no), así que A, B y C no están alineados y el plano está bien definido.

b) La normal:

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

Control: ⟨(3, −6, 5) ; u⟩ = 6 − 6 = 0 ✔ y ⟨(3, −6, 5) ; v⟩ = −3 − 12 + 15 = 0 ✔ El d, con A:

d = 3·1 − 6·0 + 5·2 = 13
Π: 3x − 6y + 5z = 13

Control con los otros dos puntos: B: 9 − 6 + 10 = 13 ✔ C: 0 − 12 + 25 = 13 ✔

c) Pertenencia: 3·2 − 6·1 + 5·3 = 6 − 6 + 15 = 15 ≠ 13. No está. Con la paramétrica se llegaría a lo mismo, pero con un sistema de tres ecuaciones y dos incógnitas; la implícita lo resuelve en un renglón.

Dónde se pierde el punto: en la coordenada del medio de u × v. Con (3, 6, 5), A daría 13 pero B daría 9 + 6 + 10 = 25: el control con los otros dos puntos lo delata.

Y uno del nivel del parcial

Sean L₁: X = λ(1, 2, 0) + (1, −1, 2), L₂: X = μ(0, 1, 1) + (2, 1, 2) y L₃: X = μ(0, 1, 1) + (2, 1, 3). ¿Existe un plano que contenga a L₁ y a L₂? ¿Y uno que contenga a L₁ y a L₃? Cuando exista, dar su ecuación implícita.

Planteo: antes de buscar el plano hay que saber cómo son las rectas: si se cortan, si son paralelas o si son alabeadas.

L₁ y L₂. Las direcciones (1, 2, 0) y (0, 1, 1) no son paralelas. Busco un punto común:

1 + λ = 2 → λ = 1
−1 + 2λ = 1 + μ → μ = 0
tercera: 2 = 2 + 0 ✔

Se cortan en (2, 1, 2). Entonces las dos direcciones son direcciones del plano y la normal es su producto vectorial:

(1, 2, 0) × (0, 1, 1)
= (2·1 − 0·1, 0·0 − 1·1, 1·1 − 2·0)
= (2, −1, 1)

d con (1, −1, 2): 2 + 1 + 2 = 5. Π: 2x − y + z = 5.

Control: el punto de L₂, (2, 1, 2), da 4 − 1 + 2 = 5 ✔ Y las direcciones son perpendiculares a la normal: ⟨(2, −1, 1) ; (1, 2, 0)⟩ = 0 ✔, ⟨(2, −1, 1) ; (0, 1, 1)⟩ = 0 ✔ Las dos rectas enteras están en Π.

L₁ y L₃. L₃ tiene la misma dirección que L₂ (no paralela a L₁). La igualdad da otra vez λ = 1 y μ = 0 con las dos primeras coordenadas, pero la tercera pide 2 = 3 + 0, que es falso. Son alabeadas, y no hay ningún plano que las contenga a las dos.

Se puede ver también así: el único plano que contiene a L₁ y tiene la dirección (0, 1, 1) es el Π de antes, y el punto (2, 1, 3) de L₃ da 4 − 1 + 3 = 6 ≠ 5. L₃ es paralela a Π pero no está en él.

Dónde se pierde el punto: hacer el producto vectorial de las direcciones de L₁ y L₃ y contestar un plano sin mirar si se cortan. Esa cuenta da una normal, pero el plano que sale contiene a una de las rectas y no a la otra.

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.

Practicar Planos en ℝ³ →

Dónde entra este tema en el parcial

Los otros temas de la unidad 10

Geometría

Ver todos los temas de Matemática (61)