EJERCICIO 10

Descripción

Sean L1: \(\displaystyle \frac{x-1}{2}=\frac{y}{-1}=\frac{z+1}{3}\) y L2: \(\displaystyle \frac{x}{3}=\frac{y-2}{-3}=\frac{z-1}{1}\)

a) Demuestre que las rectas L1 y L2 se cortan en un punto.

b) Determine la medida del ángulo que forman las rectas.

Referencia

Ejemplo del Villena. Capítulo 2.

Solución.

a) Primer mecanismo de solución.

Ecuaciones paramétricas de las rectas.

Recta 1.

\(\displaystyle \frac{x-1}{2}=\frac{y}{-1}=\frac{z+1}{3}\)

x = 1 + 2 t

y = – t

z = – 1 + 3 t

Punto: P ( 1 , 0 , – 1 )

Vector director: A1 = 2 ij + 3 k

Recta 2.

\(\displaystyle \frac{x}{3}=\frac{y-2}{-3}=\frac{z-1}{1}\)

x = 3 s

y = 2 – 3 s

z = 1 + s

Punto: Q ( 0 , 2 , 1 )

Vector director: A2 = 3 i – 3 j + k

Al igualar las coordenadas x, y y z de ambas rectas:

1 + 2 t = 3 s (1)

t = 2 – 3 s (2)

– 1 + 3 t = 1 + s (3)

Se trata de un sistema de tres ecuaciones con dos incógnitas.

Al tomar las ecuaciones (1) y (2):

2 t – 3 s = – 1

t + 3 s = 2

La solución del sistema anterior es:

t = 1

s = 1

Se verifica la identidad de la ecuación (3):

– 1 + 3 (1) = 1 + (1)

– 1 + 3 = 1 + 1

2 = 2

Puesto que se verifica la igualdad en la tercera ecuación, las tres ecuaciones se satisfacen simultáneamente y por ello se concluye que las dos rectas se intersectan.

Punto de intersección.

Para determinar el punto de intersección se sustituye t = 1 en las ecuaciones paramétricas de la recta 1 ó s = 1 en las ecuaciones paramétricas de la recta 2.

Recta 1.

x = 1 + 2 (1)

x = 1 + 2

x = 3

y = – 1

z = – 1 + 3 (1)

z = – 1 + 3

z = 2

Punto de intersección de las dos rectas: S ( 3 , – 1 , 2 ).

b) Ángulo entre las rectas:

\( \displaystyle \cos\theta=\frac{\mathbf{A}_1\cdot\mathbf{A}_2}{\|\mathbf{A}_1\|\,\|\mathbf{A}_2\|}\)

Siendo los vectores directores de las rectas A1 = 2 ij + 3 k y A2 = 3 i – 3 j + k se tiene:

Producto escalar de los vectores A1 y A2.

A1.A2 = (2 ij + 3 k).( 3 i – 3 j + k)

A1.A2 = (2) (3) + (– 1) (– 3) + (3) (1)

A1.A2 = 6 + 3 + 3

A1.A2 = 12

Módulo del vector A1.

\( \displaystyle \|\mathbf{A}_1\|=\sqrt{(2)^2+(-1)^2+(3)^2}\)

\( \displaystyle \|\mathbf{A}_1\|=\sqrt{4+1+9}\)

\( \displaystyle \|\mathbf{A}_1\|=\sqrt{14}\)

Módulo del vector A2.

\( \displaystyle \|\mathbf{A}_2\|=\sqrt{(3)^2+(-3)^2+(1)^2}\)

\( \displaystyle \|\mathbf{A}_2\|=\sqrt{9+9+1}\)

\( \displaystyle \|\mathbf{A}_2\|=\sqrt{19}\)

Ángulo entre las rectas.

\( \displaystyle \cos\theta=\frac{12}{\sqrt{14}\times\sqrt{19}}\)

\( \displaystyle \cos\theta=\frac{12}{\sqrt{266}}\)

\( \displaystyle \cos\theta=\frac{12}{\sqrt{266}}\times\frac{\sqrt{266}}{\sqrt{266}}\)

\( \displaystyle \cos\theta=\frac{12\,\sqrt{266}}{266}\)

\( \displaystyle \cos\theta=\frac{6\,\sqrt{266}}{133}\)

\( \displaystyle \theta=\cos^{-1}\left(\frac{6\,\sqrt{266}}{133}\right)\)

Segundo mecanismo de solución.

Sean las rectas L1 y L2 en ℝ3 con vectores directores A1 y A2 respectivamente. Sea P un punto de la recta L1, Q un punto de la recta L2 y PQ un vector definido por los puntos P y Q. Si A1×A2 ≠ 0 y PQ.A1×A2 = 0, las rectas se intersectan en un punto.

Recta 1.

\(\displaystyle \frac{x-1}{2}=\frac{y}{-1}=\frac{z+1}{3}\)

Punto: P ( 1 , 0 , – 1 )

Vector director: A1 = 2 ij + 3 k

Recta 2.

\(\displaystyle \frac{x}{3}=\frac{y-2}{-3}=\frac{z-1}{1}\)

Punto: Q ( 0 , 2 , 1 )

Vector director: A2 = 3 i – 3 j + k

Producto vectorial de los vectores A1 y A2.

\(\displaystyle \mathbf{A}_1\times \mathbf{A}_2=\begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\2&-1&3\\3&-3&1\end{vmatrix}\)

A1×A2 = [(– 1) (1) – (– 3) (3)] i – [(2) (1) – (3) (3)] j + [(2) (– 3) – (3) (– 1)] k

A1×A2 = (– 1 + 9) i – (2 – 9) j + (– 6 + 3) k

A1×A2 = 8 i + 7 j – 3 k

Puesto que A1×A20, entonces los vectores A1 y A2 no son paralelos, luego las rectas 1 y 2 no son paralelas.

Vector PQ:

PQ = (0 – 1) i + (2 – 0) j + [1 – (–1)] k

PQ = – i + 2 j + 2 k

PQ.A1×A2 = (– i + 2 j + 2 k) . (8 i + 7 j – 3 k)

PQ.A1×A2 = (– 1) (8) + (2) (7) + (2) (– 3)

PQ.A1×A2 = – 8 + 14 – 6

PQ.A1×A2 = 0

Puesto que A1×A2 ≠ 0 y PQ.A1×A2 = 0, entonces las rectas 1 y 2 se intersectan.

Una vez que se determina que las rectas se intersectan, se procede a determinar el punto de intersección entre las mismas.

Determinar el valor de los parámetros t y s en el punto de intersección.

\(\displaystyle t=\frac{(\mathbf{PQ}\times\mathbf{A}_2)\cdot(\mathbf{A}_1\times \mathbf{A}_2)}{\|\mathbf{A}_1\times \mathbf{A}_2\|^2}\) \(\displaystyle s=\frac{(\mathbf{PQ}\times\mathbf{A}_1)\cdot(\mathbf{A}_1\times \mathbf{A}_2)}{\|\mathbf{A}_1\times \mathbf{A}_2\|^2}\)

Las operaciones requeridas (para el cálculo de t) son:

\(\displaystyle \mathbf{PQ}\times \mathbf{A}_2=\begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\-1&2&2\\3&-3&1\end{vmatrix}\)

PQ×A2 = [(2) (1) – (– 3) (2)] i – [(– 1) (1) – (3) (2)] j + [(– 1) (– 3) – (3) (2)] k

PQ×A2 = (2 + 6) i – (– 1 – 6) j + (3 – 6) k

PQ×A2 = 8 i + 7 j – 3 k

 

(PQ×A2) . (A1×A2) = (8 i + 7 j – 3 k) . (8 i + 7 j – 3 k)

(PQ×A2) . (A1×A2) = (8) (8) + (7) (7) + (– 3) (– 3)

(PQ×A2) . (A1×A2) = 64 + 49 + 9

(PQ×A2) . (A1×A2) = 132

 

|| A1×A2 ||2 = (8)2 + (7)2 + (– 3)2

|| A1×A2 ||2 = 64 + 49 + 9

|| A1×A2 ||2 = 132

Cálculo de t.

\(\displaystyle t=\frac{132}{132}\)

t = 1