2.12.1 Haz de planos paralelos a un plano dado

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Definición y ecuación del haz de planos paralelos
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Definición y ecuación del haz de planos paralelos

El haz de planos paralelos a un plano dado \(\pi: Ax + By + Cz + D = 0 \) es el conjunto de todos los planos del espacio que comparten el vector normal \(\vec{n} = (A, B, C) \)

Su ecuación general es:

$$Ax + By + Cz + k = 0, \quad k \in \mathbb{R} $$

Al variar el parámetro \(k \) se obtienen planos mutuamente paralelos que barren todo el espacio.

El plano del haz que pasa por un punto \(P(x_0, y_0, z_0) \) se determina sustituyendo sus coordenadas en la ecuación del haz.

Ejemplo:

El haz de planos paralelos a \(\pi: 2x - y + 3z = 1 \) es $$2x - y + 3z + D = 0 ,\ \text{con}\ D \in \mathbb{R} $$: todos comparten el vector normal \((2, -1, 3) \)

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Planos del haz a una distancia dada

La distancia desde un punto \(P(x_0, y_0, z_0) \) a un plano \(Ax + By + Cz + D = 0 \) se calcula con la fórmula general:

$$d(P, \pi) = \frac{|Ax_0 + By_0 + Cz_0 + D|}{\sqrt{A^2 + B^2 + C^2} } $$

Aplicada a los planos del haz \(Ax + By + Cz + k = 0 \), esta fórmula permite hallar los valores de \(k \) para una distancia dada, o la distancia entre dos planos del propio haz.

Ejemplo:

Los planos del haz \(2x - y + 3z + D = 0 \) que están a distancia \(2 \) del origen verifican \(\frac{|D|}{\sqrt{4 + 1 + 9} }= 2 \), luego \(D = \pm 2\sqrt{14} \)

Ejemplo 1: Plano del haz que pasa por un punto

Halla el plano del haz paralelo a \(\pi: 2x - 3y + z - 7 = 0 \) que pasa por el punto \(P(1, 4, -2) \)

Explicación

Para resolver este ejercicio empezaremos por escribir la ecuación general del haz de planos paralelos a \(\pi \)

A continuación sustituiremos las coordenadas del punto \(P \) para hallar el parámetro \(k \)

Para terminar escribiremos la ecuación del plano buscado.

PASO 1

Ecuación general del haz.

Todo plano paralelo a \(\pi: 2x - 3y + z - 7 = 0 \) comparte su vector normal \(\vec{n} = (2, -3, 1) \), por lo que el haz es:

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

Determinación del parámetro con el punto.

Imponemos que el plano pase por \(P(1, 4, -2) \):

$$ 2(1) - 3(4) + (-2) + k = 2 - 12 - 2 + k = -12 + k = 0 \implies k = 12 $$
Conclusión

El plano buscado es \(2x - 3y + z + 12 = 0 \)

Ejemplo 2: Planos del haz a distancia 4 del origen

Halla los planos del haz \(x + 2y - 2z + k = 0 \) que distan 4 del origen \(O(0, 0, 0) \)

Explicación

Para resolver este ejercicio empezaremos por aplicar la fórmula de la distancia punto-plano al origen.

A continuación igualaremos la distancia a 4 y resolveremos la ecuación con valor absoluto.

Para terminar escribiremos los dos planos del haz.

PASO 1

Distancia del origen a un plano del haz.

$$d(O, \pi_k) = \frac{|0 + 2(0) - 2(0) + k|}{\sqrt{1^2 + 2^2 + (-2)^2} }= \frac{|k|}{3} $$
PASO 2

Igualar la distancia a 4.

$$\frac{|k|}{3} = 4 \rightarrow |k| = 12 $$
$$k = 12 \text{ o } k = -12 $$
Conclusión

Los planos buscados son \(x + 2y - 2z + 12 = 0 \) y \(x + 2y - 2z - 12 = 0 \)

Ejemplo 3: Plano del haz a distancia 5 de un punto

Halla los planos del haz paralelo a \(\pi: x - 2y + 3z + 1 = 0 \) que distan 5 del punto \(P(1, 0, 2) \)

Explicación

Para resolver este ejercicio empezaremos por escribir la ecuación general del haz.

A continuación aplicaremos la fórmula de la distancia punto-plano e igualaremos a 5.

Para terminar resolveremos el valor absoluto y obtendremos los dos planos.

PASO 1

Ecuación del haz y distancia al punto.

El haz es \(x - 2y + 3z + k = 0 \)

La distancia de \(P(1, 0, 2) \) a un plano del haz es:

$$d = \frac{|1 - 2(0) + 3(2) + k|}{\sqrt{1^2 + (-2)^2 + 3^2} }= \frac{|7 + k|}{\sqrt{14} } $$
PASO 2

Igualar a 5 y resolver el valor absoluto.

$$\frac{|7 + k|}{\sqrt{14} }= 5 \rightarrow |7 + k| = 5\sqrt{14} $$
$$7 + k = 5\sqrt{14} \text{ o } 7 + k = -5\sqrt{14} \rightarrow k = -7 + 5\sqrt{14} \text{ o } k = -7 - 5\sqrt{14} $$
PASO 3

Ecuaciones de los dos planos.

Sustituyendo cada valor de \(k \) en la ecuación del haz se obtienen los dos planos.

Conclusión

Los planos son \(x - 2y + 3z - 7 + 5\sqrt{14} = 0 \) y \(x - 2y + 3z - 7 - 5\sqrt{14} = 0 \)

Ejemplo 4: Plano del haz equidistante de dos puntos

Halla el plano del haz paralelo a \(\pi: x + 2y - z - 4 = 0 \) que equidista de los puntos \(A(1, 1, 1) \) y \(B(3, 0, 2) \)

Explicación

Para resolver este ejercicio empezaremos por escribir la ecuación del haz.

A continuación igualaremos las distancias de ambos puntos a un plano genérico del haz.

Para terminar resolveremos la ecuación con valor absoluto y escribiremos el plano.

PASO 1

Ecuación del haz.

El haz es $$x + 2y - z + k = 0 ,\ \text{con}\\\sqrt{1^2 + 2^2 + (-1)^2} = \sqrt{6} $$ en el denominador de ambas distancias.

PASO 2

Igualdad de distancias.

Para \(A(1, 1, 1) \): $$d(A, \pi_k) = \frac{|1 + 2(1) - 1 + k|}{\sqrt{6} }= \frac{|2 + k|}{\sqrt{6} } $$

Para \(B(3, 0, 2) \): $$d(B, \pi_k) = \frac{|3 + 2(0) - 2 + k|}{\sqrt{6} }= \frac{|1 + k|}{\sqrt{6} } $$

Igualando: \(|2 + k| = |1 + k| \)

PASO 3

Resolución del valor absoluto.

Si \(2 + k = 1 + k \) se obtiene \(2 = 1 \), imposible.

Con el signo contrario:

$$2 + k = -(1 + k) \rightarrow 2k = -3 \rightarrow k = -\frac{3}{2} $$
Conclusión

El plano buscado es \(x + 2y - z - \frac{3}{2} = 0 \), es decir, \(2x + 4y - 2z - 3 = 0 \)

Ejemplo 5: Distancia entre dos planos del haz

Calcula la distancia entre los planos \(\pi_1: 2x + y - 2z + 3 = 0 \) y \(\pi_2: 2x + y - 2z - 9 = 0 \), ambos del haz \(2x + y - 2z + k = 0 \)

Explicación

Para resolver este ejercicio empezaremos por recordar la fórmula de la distancia entre dos planos paralelos.

A continuación identificaremos los términos independientes de cada plano.

Para terminar aplicaremos la fórmula y simplificaremos.

PASO 1

Fórmula de la distancia entre planos paralelos.

Para dos planos paralelos \(Ax + By + Cz + D_1 = 0 \) y \(Ax + By + Cz + D_2 = 0 \), la distancia es:

$$d(\pi_1, \pi_2) = \frac{|D_2 - D_1|}{\sqrt{A^2 + B^2 + C^2} } $$
PASO 2

Identificación de los datos.

En nuestro caso \(A = 2 \), \(B = 1 \), \(C = -2 \), \(D_1 = 3 \) y \(D_2 = -9 \)

PASO 3

Aplicación de la fórmula.

$$d = \frac{|-9 - 3|}{\sqrt{2^2 + 1^2 + (-2)^2} }= \frac{12}{3} = 4 $$
Conclusión

La distancia entre ambos planos del haz es de \(4 \) unidades.