📘 2º Bachillerato · Matemáticas II

2.2.7 Vectores ortogonales y ortonormales

Condición analítica de ortogonalidad, conjuntos ortonormales y proceso de ortonormalización en el espacio euclídeo R3.

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1. Definición de Ortogonalidad y Ortonormalidad

Dos vectores $$\vec{u}, \vec{v} \in \mathbb{R}^3$$ son ortogonales (perpendiculares, $$\vec{u} \perp \vec{v}$$) si su producto escalar es nulo:

$$\vec{u} \perp \vec{v} \iff \vec{u} \cdot \vec{v} = 0$$

Un conjunto de vectores $$\{\vec{e}_1, \vec{e}_2, \vec{e}_3\}$$ es ortonormal si son ortogonales dos a dos y además todos ellos son unitarios:

$$\vec{e}_i \cdot \vec{e}_j = \delta_{ij} = \begin{cases} 1 & \text{si } i = j \\ 0 & \text{si } i \neq j \end{cases}$$
📌 Ejemplo Concreto de Base Ortonormal:

Consideremos los siguientes tres vectores en $$\mathbb{R}^3$$:

$$\vec{e}_1 = (1, 0, 0), \quad \vec{e}_2 = \left(0, \frac{\sqrt{2}}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}\right), \quad \vec{e}_3 = \left(0, -\frac{\sqrt{2}}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}\right)$$

Comprobamos que son ortogonales dos a dos:

$$\vec{e}_1 \cdot \vec{e}_2 = 0, \quad \vec{e}_1 \cdot \vec{e}_3 = 0, \quad \vec{e}_2 \cdot \vec{e}_3 = 0 - \frac{2}{4} + \frac{2}{4} = 0$$

Y todos tienen módulo unitario: $$|\vec{e}_1|=1$$, $$|\vec{e}_2|=\sqrt{1/2+1/2}=1$$, $$|\vec{e}_3|=1$$. Por tanto, forman una base ortonormal de $$\mathbb{R}^3$$.

2. Ejemplos Prácticos Resueltos

Ejemplo 1: Construcción de Vector Ortogonal

Enunciado: Halla un vector no nulo perpendicular a $$\vec{u}=(1, 2, -3)$$.

Paso 1: Ecuación de anulación

$$x + 2y - 3z = 0$$

Paso 2: Asignación de valores

Tomando $$y=1, z=0 \implies x = -2$$. El vector $$\vec{v} = (-2, 1, 0)$$ es ortogonal a $$\vec{u}$$.

Ejemplo 2: Verificación de Base Ortonormal

Enunciado: Comprueba que $$\vec{u}_1=\left(\frac{1}{\sqrt{2}}, \frac{1}{\sqrt{2}}, 0\right)$$ y $$\vec{u}_2=\left(0, 0, 1\right)$$ son ortonormales.

Paso 1: Módulos y producto

$$|\vec{u}_1| = \sqrt{1/2 + 1/2} = 1, \quad |\vec{u}_2| = 1$$

$$\vec{u}_1 \cdot \vec{u}_2 = 0 + 0 + 0 = 0 \implies \text{Son ortonormales}$$

Ejemplo 3: Ortonormalización de un Par Ortogonal

Enunciado: Normaliza $$\vec{u}=(2, 2, 1)$$ y un vector perpendicular a él.

Paso 1: Normalización

$$|\vec{u}| = \sqrt{4 + 4 + 1} = 3 \implies \vec{e}_1 = \left(\frac{2}{3}, \frac{2}{3}, \frac{1}{3}\right)$$