Espacio afín
2º Bachillerato
Tema 5 : apartado 5.1
Coordenadas en el espacio
Un punto O y una base B = {i ,
j ,
k } de los vectores libres del
espacio constituyen un sistema de referencia en el espacio.
Se escribe R = {O;i ,
j ,
k }.
En lo que sigue, por comodidad, trabajaremos en la base ortonormal.
[OP] = x .
i + y .
j + z .
k
(x, y, z) son las coordenadas de P respecto del sistema de referencia R.
Vector de posición de P
Origen de coordenadas
Ejes coordenados. Planos coordenados
• Los tres vectores de la base B determinan con el origen O tres ejes de coordenadas OX, OY, y OZ.
• Los planos OXY, OYZ y OZX se denominan planos coordenados del sistema de referencia.
Coordenadas de un vector libre cualquiera
PQ =
OQ –
OP
[
PQ] =
OQ –
OP =
= (b – a, b' – a' , b" – a")
Los puntos P y Q determinan el
vector fijo PQ
OP +
PQ =
OQ
Las coordenadas de un vector libre u = [PQ] respecto de la base B =
{i , j , k } se obtienen restando las coordenadas del punto P de las
correspondientes de Q en el sistema de referencia R = {O;i , j , k }.
m =
a +
AM =
a +
12
AB =
= a +
12 (
b –
a ) =
12 (
a +
b )
Coordenadas del punto medio de un segmento
Elementos geométricos
Los objetos o elementos geométricos elementales del espacio tridimensional son los puntos, las rectas, los planos, las curvas y las superficies.
Estos elementos geométricos pueden determinarse mediante ecuaciones paramétricas. La dimensión del elemento coincide con el número de parámetros.
Dimensión
Rectas y curvas(dimensión 1)
Planos y superficies(dimensión 2)
Rectas en el espacio: ecuación vectorial
Una recta viene determinada por un punto y una dirección. La dirección está
marcada por un vector libre u llamado
vector director.
Un punto X está en la recta si y sólo si PX
y u son proporcionales: [
PX] = t ·
u
Si p es el vector de posición de P,
x es
el vector de posición de X, quedará: x –
p = t ·
u es decir:
x =
p + t ·
u
La expresión x =
p + t ·
u con t R es la ecuación vectorial de la recta que
pasa por P y tal que u es un vector director de la misma.
Rectas en el espacio: ecuaciones paramétricas
La recta que pasa por P de vector directorv (v1, v2, v3) se puede poner así:
(x, y, z) = (xo, yo, zo) + t (v1, v2, v3) Al igualar coordenadas obtenemos:
Las ecuaciones paramétricas de la recta r que pasa por P(xo, yo, zo) y que tiene
por vector director v (v1, v2, v3) son
x = xo + t.v1
y = yo + t.v2
z = zo + t.v3
x = xo + t.v1
y = yo + t.v2
z = zo + t.v3
Rectas en el espacio: ecuación en forma continua
Las ecuaciones paramétricas de la recta r que pasa por el punto P (x0,y0,z0) y tienen por vector director (v1,v2,v3) son:
30
20
10
tvzz
tvyy
tvxx
Las ecuaciones en forma continua de la recta r que pasa por P(xo, yo, zo) y que
tiene por vector director (v1, v2, v3) son:
Despejando t en cada una de ellas e igualando, obtenemos las ecuaciones de la recta que no dependen de ningún parámetro
Rectas en el espacio: ecuaciones reducidas o implícitas
Las ecuaciones en forma contínua de la recta r que pasa por P(x1, y1, z1) y que
tiene por vector director v (v1, v2, v3) son
3
1
2
1
1
1
v
zz
v
yy
v
xx
1 1
1 2
x x y y
v v
1 1
3 1
z z x x
v v
1 1
2 3
y y z z
v v
De aquí obtenemos tres ecuaciones:
Como la tercera ecuación es combinación lineal de la otras dos, suprimiendo una ellas, la tercera por ejemplo, y operando obtenemos:
2 1 1 1 1 2
3 2 1 2 1 3
0
0
v x v y y v x v
v y v z z v y v
Este par de ecuaciones son las ecuaciones reducidas o implícitas de la recta . En general :
0D'zC'yB'xA'
0D Cz By Ax
Ecuaciones de los ejes coordenados
Vectorial Paramétrica
Eje OX x = t
i
x = t
y = 0z = 0
Eje OY x = t
j
x = 0
y = tz = 0
Eje OZ x = t
k
x = 0
y = 0z = t
Ecuación de la recta que pasa por dos puntos
(a1, a2, a3)
(b1, b2, b3)
Por tanto la ecuación de la recta será:(x, y, z) = (a1, a2, a3) + t (b1–a1, b2–a2, b3–a3 )
La recta r queda determinada por la siguiente
determinación lineal: r(A, ) o por(B, )AB
AB
Planos: ecuación vectorial
Un plano queda determinado por un punto y dos vectores linealmente independientes. Se dice que a (A, v, w ) es una determinación lineal del plano alfa.
Por tanto x – a = λ v + μ w
Se observa además que X rango (AX, v, w) = 2 det (AX, v, w) = 0
Planos: ecuaciones paramétricas
Partiendo de la ecuación vectorial del plano: (x, y, z) = (x1, y1, x1) + λ (a, b, c) + μ (a', b', c')
obtenemos las ecuaciones paramétricas utilizando las operaciones con ternas de números de R3 e igualando después. Por tanto las ecuaciones paramétricas del plano son las siguientes:
Planos: ecuaciones de los planos coordenados
Vectorial Paramétrica Implícia
Plano OXY x = t
i + s
j
x = t
y = sz = 0
z = 0
Plano OXZ x = t
i + s
k
x = t
y = 0z = s
y = 0
Plano OYZ x = t
j + s
k
x = 0
y = tz = s
x = 0
Ecuación del plano que pasa por tres puntos
La determinación lineal de dicho plano será:
Como los tres vectores están en el mismo plano, son dependientes y por lo tanto su ecuación se obtendrá desarrollando el siguiente determinante:
Sean A, B y C tres puntos no alineados. Por tanto los vectores AB y AC no son paralelos.
(A, AB,
AC)
det(AX,
AB,
AC) = 0
(a, b, c)
(a", b", c")(a
', b'
, c')X
(x, y, z)
Posiciones relativas de dos planos
Sean dos planos α: Ax + By + Cz + D = 0 y β: A'x+ B'y + C'z + D' = 0. Estudiar las posiciones relativas de ambos planos equivale a estudiar el número de soluciones del sistema que forman sus ecuaciones. Sean M y M* las matrices asociadas a dicho sistema.
Sistema compatible indeterminado de rango 2 Sistema incompatible Sistema compatible
indeterminado de rango 1
rango(M) = rango(M*) = 2 rango(M) = 1; rango(M*) = 2 rango(M)= rango(M*) = 1
1 2 3
Posiciones relativas: tres planos (I)
Sean π: Ax + By + Cz +D = 0 ; π ': A'x + B'y + C'z + D' = 0 ; π": A"x + B"y + C"z + D" = 0. Estudiar las posiciones relativas de estos planos equivale a estudiar el número de soluciones del sistema que forman sus ecuaciones. Sean M y M* las matrices asociadas a dicho sistema.
Los tres planos tienenun punto en común
Sistema compatibledeterminado
Triedro
1 2a
2b
Prisma
Los tres planos no tienenpuntos en común
Sistema incompatible
rango(M) = 2; rango(M*) = 3
Dos planos paralelosy un tercero secante a ellos
Los tres planos no tienenpuntos en común
Sistema incompatible
rango(M) = rango(M*)=3 rango(M)=2;rango(M*)=3
Sean π: Ax + By + Cz + D = 0 ; π': A'x + B'y + C'z + D' = 0 ; π": A"x + B"y + C"z + D" = 0. Estudiar las posiciones relativas de ambos planos equivale a estudiar el número de soluciones del sistema que forman sus ecuaciones. Sean A y B las matrices asociadas a dicho sistema.
Posiciones relativas: tres planos (II)
Los tres planos tieneninfinitos puntos
en común
Sistema compatibleindeterminado
de rango 1
rango(M) = rango(M*) = 1
Tres planos coincidentes
3a 53b
Tres planos distintos
Los tres planos tienenuna recta en común
Sistema compatibleindeterminado
de rango 2
rango(M) = rango(M*) = 2
Dos planos coincidentesy un tercero secante a ellos
Los tres planos tienenuna recta en común
Sistema compatibleindeterminado
de rango 2
rango(M) = rango(M*) = 2
Los tres planos no tienenpuntos en común
Sistema incompatible
rango(M) = 1; rango(M*) = 2
Los tres planos no tienenpuntos en común
Sistema incompatible
rango(M) = 1; rango(M*) = 2
Tres planos paralelosDos planos coincidentes
y un tercero paralelo a ellos
4a
Sean π: Ax + By + Cz + D = 0 , π': A'x + B'y + C'z + D' = 0 , π": A"x + B"y + C"z + D" = 0.Estudiar las posiciones relativas de ambos planos equivale a estudiar el número de soluciones del sistema que forman sus ecuaciones. Sean M y M* las matrices asociadas a dicho sistema.
4b
Posiciones relativas: tres planos (III)
Posiciones relativas: recta y plano
Sea la recta r dada como intersección de dos planos ( ecuaciones implícitas de r):α: Ax + By + Cz + D = 0 y β : A’ x + B’ y + C’ z + D’ = 0 y el plano π: A’’x + B’’y + C’’z + D’’ = 0 . Estudiar las posiciones relativas de recta y plano equivale a estudiar el número de soluciones del sistema que forman las tres ecuaciones anteriores. Sean M y M* las matrices asociadas a dicho sistema.
Sistema compatible determinado
Sistema compatibleindeterminado de rango 2 Sistema incompatible
rango(M) = rango (M*) = 3 Rango(M) = 2; rango (M*) = 2rango(M) = 2; rango (M*) = 3
Recta y planosecantes
Recta contenidaen el plano
Recta y planoparalelos
1 2 3
Posiciones relativas: dos rectas (I)Sea r dada como intersección de los planos Ax + By + Cz + D = 0 y A’x + B’y + C’z + D’ = 0. Sea s dada como intersección de A’’x + B’’y + C’’z + D’’ = 0 y A’’’x +B’’’y + C’’’z +D’’’ = 0. Estudiar las posiciones relativas de ambas rectas equivale a estudiar el número de soluciones del sistema que forman las cuatro ecuaciones anteriores. Sean M y M* las matrices asociadas a dicho sistema.
Las rectas tienen todossus puntos comunes
Sistema compatibleindeterminado de rango 2
rango(M) = rango(M*) = 2
Rectas coincidentes
1 2
Rectas paralelas
Las rectas no tienenpuntos en común
Sistema incompatible
rango(M) = 2; rango(M*) = 3
Sea r dada como intersección de los planos Ax + By + Cz + D = 0 y A’x + B’y + C’z + D’ = 0. Sea s dada como intersección de A’’x +B’’y + C’’z +D’’ = 0 y A’’’x + B’’’y + C’’’z + D’’’ = 0. Estudiar las posiciones relativas de ambas rectas equivale a estudiar el número de soluciones del sistema que forman las cuatro ecuaciones anteriores. Sean M y M* las matrices asociadas a dicho sistema.
rango(M= 3; rango(M*) = 4
43
Rectas que se cruzan
Sistema incompatible
Las rectas no tienenpuntos en común
Posiciones relativas: dos rectas (II)
Rectas secantes
Las dos rectas tienenun punto en común
Sistema compatibledeterminado
rango(M) = rango(M*) = 3
Haces de planos
Dado π≡Ax+By+Cz+D=0
1 Haz de planos paralelos 2 Haz de planos secantes
Los haces de planos se pueden expresar
como Ax+By+Cz+=0 con є R.
Dados ≡Ax+By+Cz+D=0
≡ Ax+By+Cz+D =0
Los haces de planos se pueden expresar
como Ax+By+Cz+D+(Ax+By+Cz+D )=0
Para que el haz quede completo hay que
añadir: Ax+By+Cz+D =0