2.8.1 Posición relativa de un punto y una recta y de un punto y un plano

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Posición relativa de un punto y una recta
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Posición relativa de un punto y una recta

Dado un punto \(P(x_0, y_0, z_0) \) y una recta \(r \) definida por un punto base \(A(a_1, a_2, a_3) \) y un vector director \(\vec{v} = (v_1, v_2, v_3) \), solo existen dos posiciones relativas posibles.

El punto pertenece a la recta (\(P \in r \)) si y solo si sus coordenadas satisfacen las ecuaciones de la recta.

Equivalentemente, el vector \(\overrightarrow{AP} \) debe ser proporcional al vector director \(\vec{v} \), es decir:

$$\text{rango}\begin{pmatrix} \vec{v} \\ \overrightarrow{AP} \end{pmatrix} = 1 \iff \overrightarrow{AP} \times \vec{v} = \vec{0} $$

El punto es exterior a la recta (\(P \notin r \)) cuando no verifica las ecuaciones, es decir, cuando \(\overrightarrow{AP} \) no es paralelo a \(\vec{v} \):

$$\text{rango}\begin{pmatrix} \vec{v} \\ \overrightarrow{AP} \end{pmatrix} = 2 \iff \overrightarrow{AP} \times \vec{v} \neq \vec{0} $$
Ejemplo:

El punto \(P(0, 1, 0) \) no pertenece a la recta \((x, y, z) = (0, 0, 0) + \lambda(1, 0, 0) \), porque sus coordenadas no verifican \(y = 0 \): ningún valor de \(\lambda \) produce el punto \(P \)

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Posición relativa de un punto y un plano

Dado un punto \(P(x_0, y_0, z_0) \) y un plano \(\pi: Ax + By + Cz + D = 0 \), también hay solo dos posibilidades.

El punto pertenece al plano (\(P \in \pi \)) si al sustituir sus coordenadas en la ecuación general se verifica la identidad numérica:

$$Ax_0 + By_0 + Cz_0 + D = 0 $$

El punto es exterior al plano (\(P \notin \pi \)) cuando la ecuación no se anula:

$$Ax_0 + By_0 + Cz_0 + D \neq 0 $$
Ejemplo:

El punto \(P(1, 1, 1) \) pertenece al plano \(\pi: x + y + z = 3 \), porque \(1 + 1 + 1 = 3 \)

Ejemplo 1: Pertenencia de un punto a una recta

Estudia si el punto \(P(1, 4, 3) \) pertenece a la recta $$r: \frac{x + 1}{2} = \frac{y}{4} = \frac{z - 1}{2} $$

Explicación

Para resolver este apartado empezaremos por sustituir las coordenadas del punto en cada fracción de la ecuación continua.

A continuación compararemos las tres razones obtenidas.

Para terminar concluiremos sobre la pertenencia.

PASO 1

Sustitución de las coordenadas.

Sustituimos \(x = 1 \), \(y = 4 \), \(z = 3 \):

$$\frac{1 + 1}{2} = \frac{2}{2} = 1, \quad \frac{4}{4} = 1, \quad \frac{3 - 1}{2} = \frac{2}{2} = 1 $$
PASO 2

Comparación de las razones.

Las tres fracciones valen lo mismo:

$$1 = 1 = 1 $$

luego el punto verifica las tres igualdades de la ecuación continua.

Conclusión

El punto pertenece a la recta: \(P \in r \)

Ejemplo 2: Pertenencia de un punto a un plano

Comprueba si el punto \(Q(2, -1, 3) \) pertenece al plano \(\pi: 3x + 2y - z - 1 = 0 \)

Explicación

Para resolver este apartado empezaremos por sustituir las coordenadas del punto en la ecuación general del plano.

A continuación realizaremos las operaciones aritméticas.

Para terminar concluiremos según el resultado sea cero o no.

PASO 1

Sustitución en la ecuación del plano.

$$3(2) + 2(-1) - (3) - 1 = 6 - 2 - 3 - 1 = 0 $$
PASO 2

Interpretación.

Al anularse el polinomio del plano, el punto verifica su ecuación.

Si tomáramos en cambio \(R(0, 0, 0) \), obtendríamos \(-1 \neq 0 \), luego \(R \notin \pi \)

Conclusión

El punto pertenece al plano: \(Q \in \pi \)

Ejemplo 3: Punto exterior a una recta mediante el producto vectorial

Determina la posición relativa del punto \(Q(1, 0, 2) \) respecto a la recta \(r: (x, y, z) = (0, 1, -1) + \lambda(1, 2, 1) \)

Explicación

Para resolver este apartado empezaremos por extraer el punto base y el vector director de la recta.

A continuación calcularemos el vector que une el punto base con Q.

Para terminar estudiaremos si ambos vectores son proporcionales mediante su producto vectorial.

PASO 1

Punto base y vector AQ.

El punto base es \(A(0, 1, -1) \) y el vector director \(\vec{v} = (1, 2, 1) \)

El vector de unión es:

$$\overrightarrow{AQ} = Q - A = (1 - 0, 0 - 1, 2 - (-1)) = (1, -1, 3) $$
PASO 2

Estudio de la proporcionalidad.

Calculamos el producto vectorial:

$$\overrightarrow{AQ} \times \vec{v} = \begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ 1 & -1 & 3 \\ 1 & 2 & 1 \end{vmatrix} = (-7, 2, 3) \neq \vec{0} $$

Al no anularse, los vectores no son proporcionales y el rango de la matriz que forman es dos.

Conclusión

El punto es exterior a la recta: \(Q \notin r \)

Ejemplo 4: Parámetro para la pertenencia a un plano

Determina el valor de \(k \) para que el punto \(P(k, 1, 2) \) pertenezca al plano \(\pi: 2x - y + 3z + k = 0 \)

Explicación

Para resolver este apartado empezaremos por imponer la condición de pertenencia sustituyendo el punto en la ecuación del plano.

A continuación resolveremos la ecuación lineal resultante.

Para terminar verificaremos el valor obtenido.

PASO 1

Condición de pertenencia.

Sustituimos \(P \) en \(\pi \):

$$2(k) - (1) + 3(2) + k = 0 \rightarrow 2k - 1 + 6 + k = 0 \rightarrow 3k + 5 = 0 $$

Despejando: \(3k = -5 \rightarrow k = -\frac{5}{3} \)

PASO 2

Verificación.

Con \(k = -\frac{5}{3} \), el punto es \(P\left(-\frac{5}{3}, 1, 2\right) \) y:

$$2\left(-\frac{5}{3}\right) - 1 + 3(2) + \left(-\frac{5}{3}\right) = -\frac{10}{3} - \frac{5}{3} + 5 = -\frac{15}{3} + 5 = 0 $$
Conclusión

El punto pertenece al plano para \(k = -\frac{5}{3} \)

Ejemplo 5: Parámetro para la pertenencia a una recta

Halla el valor de \(a \) para que el punto \(P(1, a, 3) \) pertenezca a la recta $$r: \frac{x - 1}{2} = \frac{y + 1}{1} = \frac{z - 3}{-1} $$

Explicación

Para resolver este apartado empezaremos por sustituir las coordenadas conocidas del punto en la ecuación continua.

A continuación igualaremos las razones para despejar el parámetro.

Para terminar comprobaremos el resultado.

PASO 1

Sustitución y condición.

Sustituimos \(x = 1 \) y \(z = 3 \):

$$\frac{1 - 1}{2} = 0, \quad \frac{3 - 3}{-1} = 0 $$

Para que \(P \in r \), la razón central debe valer lo mismo:

$$\frac{a + 1}{1} = 0 \rightarrow a + 1 = 0 \rightarrow a = -1 $$
PASO 2

Comprobación.

Con \(a = -1 \), el punto es \(P(1, -1, 3) \) y:

$$\frac{1 - 1}{2} = 0, \quad \frac{-1 + 1}{1} = 0, \quad \frac{3 - 3}{-1} = 0 $$
Conclusión

El punto pertenece a la recta para \(a = -1 \), siendo el punto \(P(1, -1, 3) \)