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Bachillerato

Rectas y planos en el espacio

En el plano, una ecuación lineal no trivial suele dibujar una recta. En el espacio, una sola ecuación como z = 4 deja moverse en dos direcciones y dibuja un plano. Veremos qué determina una recta y qué determina un plano antes de cambiar entre sus representaciones.

1. Contamos libertades, no solo cuántas letras aparecen

Un punto espacial tiene tres coordenadas, pero una figura contiene muchos puntos. La condición z = 4 fija altura y deja libres x e y: un plano. Las dos condiciones x = 1 e y = 2 dejan libre solo z: una recta. Un punto fijo requiere fijar las tres.

El plano z=4 conserva dos libertades
z=4n=(0,0,1)(0,0,4)x e y libres; altura fija
Proyección esquemática del plano horizontal a altura4. Se pueden variar x e y dentro de él. Su normal vertical es(0,0,1).

En una ecuación lineal ax + by + cz + d = 0, si (a; b; c) no es cero, los puntos forman un plano. Dos ecuaciones independientes pueden describir una recta como intersección. Ecuaciones repetidas no quitan una libertad nueva.

Altura fija

¿Qué describe z = 4 en ℝ³?

  1. Coordenada fijada

    z.

  2. Coordenadas libres

    x e y pueden ser cualesquiera reales.

  3. Figura

    Plano horizontal.

Resultado

Un plano, no una sola recta.

Lo comprobamos

(0; 0; 4), (1; 0; 4) y (0; 1; 4) son puntos del mismo plano no alineados.

Dos coordenadas fijas

¿Qué describe x = 1, y = 2?

  1. Fijas

    Primera coordenada uno y segunda dos.

  2. Libre

    z = t, con t real.
  3. Paramétrica

    (1; 2; t).

Resultado

Una recta paralela al eje z.

Lo comprobamos

La tercera coordenada puede cambiar sin salir de la figura.

2. Una recta espacial usa un punto y un director no nulo

La forma X = A + tu funciona igual que en el plano, ahora con tres componentes.

Por ejemplo, A = (1; 0; 2), u = (2; 1; −1) da x = 1 + 2t, y = t, z = 2 − t.

El mismo t decide las tres coordenadas.

t puede ser negativo, cero o positivo. La dirección debe ser no nula: si u = 0, todos los valores de t repetirían A y no obtendríamos una recta. Cambiar u por un múltiplo no nulo conserva el conjunto.

Evaluar un punto de la recta

En X = (1; 0; 2) + t(2; 1; −1), toma t = −1.

  1. Escalar

    −u = (−2; −1; 1).
  2. Sumamos al punto

    (1; 0; 2) + (−2; −1; 1).

  3. Resultado

    (−1; −1; 3).

Resultado

(−1; −1; 3).

Lo comprobamos

El parámetro negativo recorre el sentido contrario del director.

Recta paralela al eje vertical

Da una paramétrica para los puntos con x = 1, y = 2.

  1. Punto

    A = (1; 2; 0).
  2. Director

    u = (0; 0; 1).
  3. Expresión

    X = (1; 2; 0) + t(0; 0; 1).
Resultado

X = (1; 2; t).

Lo comprobamos

El punto para t = 0 es A y la tercera coordenada recorre todos los reales.

3. Dos puntos distintos dan un director; las componentes cero se conservan como igualdades

Por A y B distintos, tomamos u = B − A.

Después podemos escribir la forma vectorial, la paramétrica y, si los denominadores lo permiten, la continua: (x − aₓ)/uₓ = (y − aᵧ)/uᵧ = (z − a_z)/u_z.

Si alguna componente es cero, fijamos esa coordenada y no dividimos entre cero. Para puntos coincidentes no se obtiene un director no nulo ni una recta única: hace falta más información.

Desde dos puntos

A = (1; 1; 0), B = (3; 0; 2). Halla una recta por ambos.

  1. Director

    B − A = (2; −1; 2).
  2. Vectorial

    X = (1; 1; 0) + t(2; −1; 2).
  3. Continua

    (x − 1)/2 = (y − 1)/(−1) = z/2.
Resultado

La recta indicada por esas formas equivalentes.

Lo comprobamos

t = 0 da A y t = 1 da B.

Una componente cero

A = (2; 1; 3), u = (0; 2; −1). Escribe sin divisiones inválidas.

  1. Coordenada fija

    x = 2.
  2. Otras relaciones

    y = 1 + 2t; z = 3 − t.
  3. Forma sin t

    x = 2 y (y − 1)/2 = (z − 3)/(−1).
Resultado

x = 2 junto con (y − 1)/2 = (z − 3)/(−1).

Lo comprobamos

La primera coordenada no se escribe como (x − 2)/0.

4. Un plano necesita dos direcciones independientes

Si u y v no son paralelos, X = A + su + tv, con s y t reales independientes, recorre un plano. Podemos movernos en dos direcciones. El punto A coloca ese plano en el espacio.

Si las dos direcciones son paralelas, sus combinaciones siguen en una sola recta y no determinan un plano.

En ℝ³ comprobamos independencia mediante u × v ≠ 0.

No se exige que u y v sean perpendiculares.

Evaluar dos parámetros

X = (0; 0; 1) + s(1; 0; 1) + t(0; 1; 1). Toma s = 2 y t = −1.

  1. Primer múltiplo

    (2; 0; 2).

  2. Segundo

    (0; −1; −1).

  3. Sumamos con A

    (2; −1; 2).

Resultado

(2; −1; 2).

Lo comprobamos

Las componentes generales son (s; t; 1 + s + t).

Dos direcciones que no bastan

¿A + s(1; 1; 0) + t(2; 2; 0) define un plano?

  1. Dependencia

    El segundo vector es dos veces el primero.

  2. Agrupamos

    A + (s + 2t)(1; 1; 0).

  3. Figura

    Solo una dirección independiente.

Resultado

Describe una recta, no un plano.

Lo comprobamos

Tener dos letras de parámetro no garantiza dos libertades si sus efectos son dependientes.

5. Punto y normal dan una ecuación general de plano

Una normal n = (a; b; c), no nula, es perpendicular a todos los desplazamientos del plano.

Si contiene A, se cumple n · (X − A) = 0.

Al desarrollar obtenemos ax + by + cz + d = 0, con d elegido para que A pertenezca.

Los coeficientes a, b, c son los de una normal, no las coordenadas de un punto del plano. Multiplicar toda la ecuación por un número no nulo conserva el plano. Si a = b = c = 0, la igualdad constante resultante no define un plano ordinario.

Una ecuación desde datos

Plano por A = (1; 2; 0), normal n = (2; −1; 3).

  1. Producto

    2(x − 1) − (y − 2) + 3z = 0.
  2. Desarrollamos

    2x − 2 − y + 2 + 3z = 0.
  3. Resultado

    2x − y + 3z = 0.
Resultado

2x − y + 3z = 0.

Lo comprobamos

A satisface 2 − 2 + 0 = 0.

Recuperar la constante

Halla d para que x + 2y − z + d = 0 pase por (1; 1; 4).

  1. Sustituimos

    1 + 2 · 1 − 4 + d = 0.
  2. Simplificamos

    −1 + d = 0.
  3. Constante

    d = 1.
Resultado

d = 1.

Lo comprobamos

1 + 2 − 4 + 1 = 0.

6. Tres puntos no alineados permiten construir direcciones y una normal

Desde A formamos u = B − A y v = C − A.

Si u × v no es cero, esa cruz es una normal al plano por los tres puntos. Podemos usarla en la ecuación general o conservar las dos direcciones en la paramétrica.

No restamos puntos de forma arbitraria sin mantener su papel: usar el mismo origen hace visible que las dos direcciones salen de A. Si los tres puntos son alineados, infinitos planos contienen esa recta y no queda uno único.

Tres puntos a la misma altura

A = (1; 0; 1), B = (2; 0; 1), C = (1; 2; 1).

  1. Direcciones

    AB = (1; 0; 0), AC = (0; 2; 0).
  2. Normal

    AB × AC = (0; 0; 2), no nula.
  3. Ecuación

    2(z − 1) = 0: z = 1.
Resultado

El plano es z = 1.

Lo comprobamos

Los tres puntos tienen esa altura y no están alineados.

Alineados

A = (0; 0; 0), B = (1; 1; 1), C = (2; 2; 2).

  1. Direcciones

    AC = 2AB.
  2. Cruz

    Cero.

  3. No unicidad

    Los tres están en una misma recta; diferentes planos pueden contenerla.

Resultado

No determinan un plano único.

Lo comprobamos

La cruz cero es un diagnóstico de los datos, no una normal válida para un plano único.

7. Comprobamos todas las coordenadas con el mismo parámetro

Para pertenecer a una recta paramétrica, un punto debe corresponder a un mismo valor de t en las tres componentes. Para pertenecer a un plano general, su sustitución completa debe dar cero. Cumplir una sola coordenada o un solo término no basta.

En un plano paramétrico buscamos una pareja (s; t) que funcione simultáneamente. El cálculo de pertenencia es una igualdad de puntos, no solo una coincidencia de módulos o de alguna dirección.

Coinciden dos coordenadas, falla la tercera

Recta (1 + 2t; −t; 3 + t). ¿Pertenece (5; −2; 6)?

  1. Desde x

    t = 2.
  2. Desde y

    También t = 2.
  3. Tercera con t = 2

    z = 5, no seis.
Resultado

No pertenece.

Lo comprobamos

El punto (5; −2; 5) sí pertenece.

Pertenencia a plano

¿Pertenece (2; 3; 5) a x + y − z = 0?

  1. Sustituimos

    2 + 3 − 5.

  2. Valor

    Cero.

  3. Conclusión

    Cumple la condición completa.

Resultado

Sí pertenece.

Lo comprobamos

La normal (1; 1; −1) no es el punto; sirve para definir la condición.

8. Las representaciones preparan cortes y relaciones de dirección

Un director u de una recta es paralelo a las direcciones de un plano si n · u = 0. Para saber si la recta está contenida o queda fuera hay que comprobar además su punto base. Una dirección compatible no decide por sí sola la posición.

Una recta secante añade un único punto al plano
rz = 0P = (1; 2; 0)(1; 2; t) ∈ plano ⇔ t = 0
Proyección esquemática del plano z igual a cero y la recta de puntos uno dos t. Solo t igual a cero satisface el plano: el punto uno dos cero. La línea vertical del dibujo cambia la altura y no las otras dos coordenadas.

También podemos describir una recta como intersección de dos planos de normales independientes. Para hallar el corte de recta y plano sustituimos las tres coordenadas paramétricas en la ecuación del plano; queda una ecuación en t.

Un corte vertical

Recta (1; 2; t) y plano z = 0.

  1. Sustituimos

    La coordenada z de la recta es t.

  2. Condición del plano

    t = 0.
  3. Punto

    (1; 2; 0).

Resultado

Se cortan en (1; 2; 0).

Lo comprobamos

Se comprueba en las tres coordenadas y en el plano.

Dos planos que describen una recta

Escribe x = 2, y = 1 + 2t, z = 3 − t como intersección de planos.

  1. Primera condición

    x = 2.
  2. Eliminamos t de y y z

    y + 2z = 1 + 2t + 6 − 2t = 7.
  3. Independencia

    Las normales (1; 0; 0) y (0; 1; 2) no son paralelas.

Resultado

x = 2 y y + 2z = 7.

Lo comprobamos

Tomar t = 3 − z recupera y = 1 + 2t, por lo que no se han añadido puntos.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Plano coordenado desplazado

Halla el plano por (0,0,4) de normal (0,0,1).

  1. Punto y normal

    A = (0; 0; 4), n = (0; 0; 1).
  2. Producto

    0(x − 0) + 0(y − 0) + 1(z − 4) = 0.
  3. Ecuación

    z = 4.
  4. Interpretación

    x e y quedan libres; todos los puntos conservan altura cuatro.

Resultado

z=4.

Lo comprobamos

Cada punto del plano tiene altura 4.

EJEMPLO RESUELTO 2

Una recta

Recta X=(1,2,0)+t(2,−1,3). Halla el punto para t=2.

  1. Escalar del director

    2(2; −1; 3) = (4; −2; 6).
  2. Sumamos al punto base

    (1; 2; 0) + (4; −2; 6).

  3. Resultado

    (5; 0; 6).

  4. Comprobación

    El desplazamiento es dos veces el director dado.

Resultado

(5,0,6).

Lo comprobamos

El desplazamiento desde el punto base es 2 veces el director.

Los símbolos que hemos usado

X=(x,y,z)
Punto variable del espacio cartesiano.
P₀=(x₀,y₀,z₀)
Punto conocido de una recta o plano.
v
Vector director no nulo de una recta.
t, s
Parámetros reales independientes cuando describen dos direcciones de un plano.
n=(A,B,C)
Normal no nula de un plano.
Ax+By+Cz+D=0
Ecuación general de un plano con (A,B,C)≠(0,0,0).
u×v
Producto vectorial, que produce una normal si u y v no son paralelos.
Independientes
Direcciones que no son múltiplos entre sí y generan una región plana.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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