Desde un punto podemos trazar muchos segmentos hasta una recta, pero su distancia es la longitud del más corto. La perpendicular explica cuál escoger y de dónde sale la fórmula. Después usaremos direcciones y normales para medir ángulos, y productos vectoriales para calcular áreas y volúmenes.
Si necesitas repasar:
1. Distancia significa la menor separación, no un segmento cualquiera
Para un punto P y una recta, buscamos entre todos los puntos Q de la recta el que minimiza ‖P − Q‖. Ese punto H es el pie perpendicular. Si P ya está en la recta, el mínimo es cero. Para un plano ocurre lo mismo, con una perpendicular normal al plano.
¿Por qué es el menor? Para otro Q de la figura, PH es perpendicular a HQ. Pitágoras da PQ² = PH² + HQ², que no puede ser menor que PH². No basta decir «el segmento parece corto» en un dibujo: la perpendicularidad lo justifica.
Comparar dos recorridos
P = (0; 2) y recta y = 0. Compara H = (0; 0) y Q = (3; 0).
Hasta H
Segmento vertical de longitud dos.
Hasta Q
Distancia √(3² + 2²) = √13.Comparación
√13 > 2; el segundo tiene además un desplazamiento horizontal.
La distancia a la recta es dos, por la perpendicular.
El triángulo muestra por qué añadir recorrido sobre la recta aumenta el cuadrado de la distancia.
Un punto que ya pertenece
Halla la distancia de (2; −1) a x + 2y = 0.
Pertenencia
2 + 2(−1) = 0.Punto más cercano
El propio punto.
Mínimo
Cero.
Distancia cero.
Una longitud no puede ser negativa, así que ya se alcanzó el mínimo posible.
2. Una normal unitaria explica las fórmulas de punto a recta o plano
Dividir por ‖n‖ toma la componente en la dirección normal unitaria, y el valor absoluto quita el signo del lado: d(P,r) = |ax₀ + by₀ + c|/√(a² + b²).
Para el plano ax + by + cz + d = 0, la misma idea añade una componente: distancia = |ax₀ + by₀ + cz₀ + d|/√(a² + b² + c²). Los coeficientes de normal no pueden ser todos cero. El numerador con signo distingue lados; la distancia es no negativa.
Punto y recta con un numerador negativo
Halla la distancia de (0; 2) a 2x − y − 1 = 0.
Numerador antes de absoluto
2 · 0 − 2 − 1 = −3.Módulo de normal
√(2² + (−1)²) = √5.Distancia
|−3|/√5 = 3/√5.
3/√5 unidades.
El signo negativo no produce una distancia negativa.
Un plano por el origen
Halla la distancia de (1; 1; 1) a x + y + z = 0.
Normal
(1; 1; 1), de módulo √3.
Numerador
1 + 1 + 1 = 3.Cociente
3/√3 = √3.
√3 unidades.
El segmento hacia el origen es paralelo a la normal y tiene esa longitud.
3. El pie perpendicular se calcula restando la componente normal
Para una figura de ecuación n · X + d = 0 y un punto P, su pie es H = P − [(n · P + d)/(n · n)]n. El término restado es la componente normal vectorial. La fórmula vale para rectas del plano y planos del espacio con normal no nula.
Comprobamos dos cosas: H satisface la ecuación de la figura y P − H es paralelo a n. Entonces el segmento es perpendicular. Su módulo debe coincidir con la fórmula de distancia; así enlazamos álgebra y geometría.
Pie con fracciones exactas
P = (1; 2), recta 3x + 4y − 1 = 0. Halla H.
Residuo y norma cuadrada
3 + 8 − 1 = 10; n · n = 25.Restamos normal
H = (1; 2) − (10/25)(3; 4).Coordenadas
H = (−1/5; 2/5).Comprobación
3(−1/5) + 4(2/5) − 1 = 0.
H = (−1/5; 2/5).
P − H = (6/5; 8/5), múltiplo de la normal y de módulo dos.
Proyectar sobre un plano
P = (1; 1; 1), plano x + y + z = 0.
Coeficiente normal
(1 + 1 + 1)/(1 + 1 + 1) = 1.Pie
(1; 1; 1) − (1; 1; 1) = (0; 0; 0).Distancia
‖P − H‖ = √3.
El pie es el origen.
Está en el plano y el segmento sigue su normal (1; 1; 1).
4. Distancias a rectas espaciales y entre rectas usan proyecciones o áreas
El numerador es el área del paralelogramo de esos dos vectores; dividir entre la base ‖u‖ deja la altura perpendicular.
Si se cortan da cero; si son alabeadas mide la perpendicular común. Para rectas paralelas, la cruz del denominador es cero: usamos distancia de un punto de una a la otra.
Punto a recta espacial
P = (2; 0; 3), r(t) = (t; t; 0). Halla distancia y pie.
Proyección sobre u = (1; 1; 0)
Coeficiente (P · u)/(u · u) = 2/2 = 1.Pie
H = (1; 1; 0).Diferencia
P − H = (1; −1; 3), de módulo √11.Comprobamos normalidad
(1; −1; 3) · (1; 1; 0) = 0.
Distancia √11; pie (1; 1; 0).
La cruz (−3; 3; 2) tiene módulo √22 y dividir entre √2 da √11.
Dos rectas alabeadas
r(t) = (t; 0; 0), s(q) = (0; q; 1).
Directores y cruz
u = (1; 0; 0), v = (0; 1; 0); cruz (0; 0; 1).Separación de bases
B − A = (0; 0; 1).Cociente
|1|/1 = 1.
Distancia una unidad.
El segmento entre (0; 0; 0) y (0; 0; 1) es perpendicular a las dos direcciones.
5. Entre planos paralelos escribimos primero la misma normal
Si dos planos tienen normales paralelas, reescribimos sus ecuaciones con exactamente el mismo vector n: n · X + d₁ = 0 y n · X + d₂ = 0. Su distancia es |d₂ − d₁|/‖n‖. Restar constantes sin igualar antes la escala puede dar un resultado falso.
Si los planos no son paralelos, se cortan y su distancia mínima es cero. La fórmula anterior solo corresponde al caso paralelo, incluido el caso coincidente donde las dos constantes también son iguales.
Dos alturas
Halla la distancia entre z = 2 y z = 7.
Misma normal
(0; 0; 1).
Constantes de forma general
−2 y −7.
Distancia
|−7 − (−2)|/1 = 5.
Cinco unidades.
Un segmento vertical entre ambas alturas realiza ese mínimo.
Escalas distintas
Halla la distancia entre x + 2y + 2z = 3 y 2x + 4y + 4z = 18.
Igualamos la normal
Dividimos el segundo plano entre dos: x + 2y + 2z = 9.Norma común
√(1 + 4 + 4) = 3.Separación
|9 − 3|/3 = 2.
Dos unidades.
Restar dieciocho y tres antes de ajustar la escala habría mezclado ecuaciones de distinto tamaño.
6. El tipo de figuras decide si usamos coseno o seno
Para el ángulo menor α entre rectas, usamos cos α = |u · v|/(‖u‖‖v‖). Para dos planos, usamos el mismo cociente con sus normales. Los valores absolutos hacen que invertir una dirección no cambie el ángulo menor entre figuras no orientadas.
Para una recta de director u y un plano de normal n, el ángulo α con el plano es complementario al ángulo agudo con n.
Da cero si la dirección es paralela al plano y 90° si es paralela a su normal. Todos los vectores de estas fórmulas deben ser no nulos.
Recta y plano: el ángulo pedido no es el de la normal
u = (√3; 0; 1), plano z = 0.
Normal
n = (0; 0; 1).Producto y módulos
u · n = 1; ‖u‖ = 2; ‖n‖ = 1.Seno del ángulo con el plano
sen α = 1/2, luego α = 30°.Complementario
El ángulo agudo con la normal es 60°.
Ángulo con el plano 30°.
Usar arccos en el mismo cociente habría respondido por el ángulo complementario.
Dos planos
Halla el ángulo menor entre z = 0 e y + z = 0.
Normales
(0; 0; 1) y (0; 1; 1).
Coseno
|1|/(1 · √2) = 1/√2.Ángulo
45°.
45°.
Las normales son no paralelas; los planos se cortan en el eje x.
Dos direcciones perpendiculares
Rectas con directores (1; 0) y (0; 1). Halla su ángulo menor.
Producto
Cero.
Módulos
Uno y uno.
Coseno
Cero: ángulo 90°.
90°.
Si son rectas del espacio, este cálculo describe sus direcciones; comprobar si se cortan es otra pregunta.
7. Un área usa dos desplazamientos desde el mismo vértice
Para tres puntos A,B,C formamos AB y AC. El área del paralelogramo es ‖AB × AC‖; la del triángulo, su mitad. En el plano podemos añadir una tercera componente cero para usar la misma fórmula.
Dos lados de longitudes conocidas no bastan sin el ángulo o la altura correspondiente. El producto escalar no da por sí solo el área: la cruz incorpora el seno del ángulo, y su módulo es no negativo.
Triángulo de lados perpendiculares
A = (1; 1; 0), B = (5; 1; 0), C = (1; 4; 0).
Desplazamientos
AB = (4; 0; 0), AC = (0; 3; 0).Cruz
(0; 0; 12), de módulo doce.
Mitad
Área del triángulo seis.
Seis unidades cuadradas.
La base cuatro por altura tres da doce para el paralelogramo.
Lados oblicuos
u = (2; 1; 0), v = (1; 3; 0). Halla área del paralelogramo y de su mitad triangular.
Tercera componente de la cruz
2 · 3 − 1 · 1 = 5.Módulo
Cinco.
Triángulo
Cinco medios.
Paralelogramo 5; triángulo 5/2.
Multiplicar solo los módulos √5 y √10 omitiría el seno del ángulo.
8. Un volumen usa tres direcciones y un tetraedro ocupa la sexta parte
El volumen de un paralelepípedo de aristas u,v,w desde un origen común es |u · (v × w)|. La cruz mide base y orientación normal; el producto escalar toma la altura con signo. El valor absoluto convierte ese volumen orientado en una medida.
Para el tetraedro de vértices A,B,C,D usamos u = AB, v = AC, w = AD y dividimos entre seis. No sustituimos directamente coordenadas absolutas de B,C,D si A no es el origen. Volumen cero indica dependencia de direcciones, por ejemplo cuatro puntos coplanares.
Caja de tres aristas
u = (2; 0; 0), v = (0; 3; 0), w = (0; 0; 4).
Cruz
v × w = (12; 0; 0).Mixto
u · (v × w) = 24.Volumen
|24| = 24.
24 unidades cúbicas.
La caja también se mide multiplicando lados perpendiculares dos, tres y cuatro.
Un tetraedro con base trasladada
A = (1; 1; 1), B = (3; 1; 1), C = (1; 4; 1), D = (1; 1; 5).
Diferencias desde A
(2; 0; 0), (0; 3; 0), (0; 0; 4).
Mixto absoluto
Veinticuatro.
Tetraedro
24/6 = 4.
Cuatro unidades cúbicas.
Trasladar todos los puntos juntos conserva estas diferencias y el volumen.
9. Verificamos escala de la ecuación, perpendicularidad y tipo de resultado
Multiplicar una ecuación por un factor no nulo cambia numerador y norma de normal por el mismo factor en valor absoluto; la distancia queda igual. Para un pie comprobamos pertenencia y dirección normal. Para ángulos revisamos si se pidió figura–figura o vector–vector, y la unidad angular.
Las distancias son longitudes, áreas unidades cuadradas y volúmenes cúbicas. Distancia cero entre dos figuras solo indica que pueden tocarse o intersectarse en estos casos; no implica que coincidan por completo. Es una pregunta distinta de su clasificación.
La misma recta multiplicada por dos
Para P = (1; 2), compara la distancia a 3x + 4y − 1 = 0 y a 6x + 8y − 2 = 0.
Primera
|3 + 8 − 1|/5 = 10/5 = 2.Segunda
|6 + 16 − 2|/10 = 20/10 = 2.Razón
Se duplicaron tanto numerador como normal.
Las dos distancias son dos.
La geometría no depende de la escala elegida para escribir la ecuación.
Distancia cero sin coincidencia
Compara los ejes x e y del plano.
Punto común
El origen.
Distancia mínima
Cero, alcanzada en ese punto.
Conjuntos distintos
(1; 0) pertenece solo al eje x y (0; 1) solo al eje y.
Tienen distancia cero, pero son rectas distintas.
Medir separación y clasificar la intersección responden preguntas diferentes.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Punto a recta
Halla la distancia de (1,2) a 3x+4y−1=0.
Datos
P = (1; 2); normal de la recta n = (3; 4).Numerador
|3 · 1 + 4 · 2 − 1| = |10| = 10.Norma
√(3² + 4²) = 5.Distancia
10/5 = 2 unidades.Comprobación
El pie (−1/5; 2/5) está en la recta y el segmento de P a él mide dos en dirección normal.
2 unidades.
La distancia es positiva y usa normal unitaria.
EJEMPLO RESUELTO 2
Punto a plano
Distancia de (2,−1,5) al plano z=1.
Plano horizontal
z = 1 tiene normal (0; 0; 1), de módulo uno.Numerador
Para P = (2; −1; 5): |5 − 1| = 4.Distancia
4/1 = 4 unidades.Pie
H = (2; −1; 1); el segmento vertical es perpendicular y mide cuatro.
4 unidades.
El segmento vertical hasta (2,−1,1) mide 4.
Los símbolos que hemos usado
- P, A, Q
- Puntos del plano o espacio que se distinguen de sus desplazamientos.
- v
- Director no nulo de una recta.
- n
- Normal no nula de un plano o de una recta en R².
- ||u||
- Módulo euclídeo de un desplazamiento u.
- α
- Ángulo menor entre figuras, elegido entre 0 y π/2 cuando no se orienta.
- u×v
- Producto vectorial: su módulo representa área de paralelogramo.
- [u,v,w]
- Producto mixto (u×v)·w, cuyo valor absoluto representa volumen.
- H
- Pie de la perpendicular, punto más cercano sobre la figura considerada.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
Practicar este tema →