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Bachillerato

Vectores en el plano y el espacio

«Tres a la derecha y dos hacia arriba» describe un cambio, no un lugar concreto. Un vector guarda esas instrucciones. Empezaremos distinguiendo puntos y desplazamientos; después aprenderemos a encadenar flechas, cambiar su escala, medirlas y obtener una dirección de longitud uno.

Si necesitas repasar:

1. Un punto indica dónde estamos; un vector indica cómo nos movemos

Un punto A = (−1; 1) fija una posición respecto de unos ejes. El vector u = (3; 2) pide avanzar tres en horizontal y dos en vertical.

Aplicarlo a A lleva a B = (2; 3).

Aplicarlo desde otro punto puede terminar en otro lugar.

La flecha puede trasladarse sin cambiar sus componentes
Mismo desplazamiento: (3; 2)-3-2-10123456-2-112345ABCD
A está en menos uno uno y B en dos tres; C en menos dos menos uno y D en uno uno. Tanto AB como CD avanzan tres horizontalmente y dos verticalmente, con la misma escala en ambos ejes. Los puntos iniciales y finales cambian; el vector libre es el mismo.

En geometría euclídea, flechas con igual desplazamiento representan el mismo vector libre aunque estén dibujadas en sitios distintos. En el dibujo, AB y CD tienen iguales longitud, dirección y sentido. La punta indica adónde va el movimiento.

Aplicar unas instrucciones

Desde P = (1; −2) aplicamos u = (3; 2). Halla el destino.

  1. Horizontal

    1 + 3 = 4.
  2. Vertical

    −2 + 2 = 0.
  3. Destino

    Q = (4; 0).
Resultado

Q = (4; 0).

Lo comprobamos

El vector no era el destino (3; 2); era el cambio que se añadió al punto inicial.

Misma flecha en otro lugar

Desde R = (−2; −1) aplicamos u = (3; 2).

  1. Horizontal

    −2 + 3 = 1.
  2. Vertical

    −1 + 2 = 1.
  3. Destino

    S = (1; 1).
Resultado

S = (1; 1).

Lo comprobamos

Los destinos cambian, pero ambos movimientos siguen siendo tres y dos.

2. Cada componente es un cambio con signo en un eje

En el plano, u = (uₓ; uᵧ).

En el espacio añadimos u_z: tres instrucciones independientes, una por eje. Un signo negativo pide moverse en el sentido negativo de ese eje; una componente cero pide no cambiar esa coordenada.

También se usan los vectores unitarios de los ejes: i = (1; 0; 0), j = (0; 1; 0), k = (0; 0; 1). Así 2i − 3j + k significa (2; −3; 1). Aquí i nombra un vector de base, no la unidad imaginaria del tema de complejos: el contexto distingue la notación.

Leer tres componentes

Describe u = (−2; 0; 5).

  1. Eje x

    Cambio −2.

  2. Eje y

    Ningún cambio.

  3. Eje z

    Cambio +5.

Resultado

Dos en sentido negativo de x, cero en y y cinco en sentido positivo de z.

Lo comprobamos

La componente cero no convierte al vector entero en cero.

Ordenar por ejes, no por posición de escritura

Escribe 4j − 2i + 3k por componentes.

  1. Coeficiente de i

    −2: primera componente.

  2. Coeficiente de j

    4: segunda.

  3. Coeficiente de k

    3: tercera.

Resultado

(−2; 4; 3).

Lo comprobamos

El orden escrito de los términos no cambia qué eje corresponde a cada coeficiente.

3. El vector de A a B resta destino menos origen

Para ir desde A hasta B buscamos u que cumpla A + u = B.

Restando la posición inicial, u = B − A.
Por componentes: AB = (bₓ − aₓ; bᵧ − aᵧ; b_z − a_z).

El orden de la resta importa.

El vector BA es el opuesto: A − B = −AB.

Tiene la misma longitud y dirección geométrica, pero sentido contrario. Comprobar A + AB = B ayuda a detectar una resta invertida.

Una resta con signos

A = (−2; 1), B = (3; −3). Halla AB.

  1. Horizontal

    3 − (−2) = 5.
  2. Vertical

    −3 − 1 = −4.
  3. Vector

    (5; −4).

Resultado

AB = (5; −4).

Lo comprobamos

(−2; 1) + (5; −4) = (3; −3).

Recorrer al revés

Para esos puntos, halla BA.

  1. Destino menos origen

    A − B.

  2. Componentes

    −2 − 3 = −5; 1 − (−3) = 4.
  3. Opuesto

    (−5; 4) = −(5; −4).
Resultado

BA = (−5; 4).

Lo comprobamos

Encadenar AB y BA devuelve al punto inicial: la suma es el vector cero.

4. Sumar encadena desplazamientos; restar añade el opuesto

Para sumar u y v colocamos el origen de la segunda flecha en la punta de la primera. El resultado va desde el inicio al destino final. Los cambios por eje se suman: (uₓ + vₓ; uᵧ + vᵧ). En el espacio se hace lo mismo con z.

Encadenamos los dos desplazamientos
u=(3,1)v=(−1,2)u+v=(2,3)El segundo empieza donde acaba el primero
Tres unidades a la derecha y una arriba; después una a la izquierda y dos arriba. El total es(2,3). Ejes ilustrativos, sin medir ángulos.

La resta u − v equivale a u + (−v). No se restan longitudes sin atender al sentido. El vector cero tiene todas sus componentes cero y representa no cambiar de posición.

Un recorrido con dos etapas

u = (3; 1) y v = (−1; 2). Halla el cambio total.

  1. Horizontal

    3 + (−1) = 2.
  2. Vertical

    1 + 2 = 3.
  3. Suma

    u + v = (2; 3).
Resultado

(2; 3).

Lo comprobamos

La primera flecha termina en (3; 1) si parte del origen; la segunda la lleva a (2; 3).

Restar conservando el signo de cada componente

u = (2; −1), v = (−3; 4). Calcula u − v.

  1. Opuesto de v

    (3; −4).

  2. Sumamos

    (2; −1) + (3; −4).

  3. Resultado

    (5; −5).

Resultado

(5; −5).

Lo comprobamos

(u − v) + v = (2; −1), que recupera u.

5. Un escalar multiplica cada componente y cambia longitud según su valor absoluto

Si λ es un número real, λu = (λuₓ; λuᵧ; λu_z).

Para λ > 0 conserva el sentido del vector no nulo; para λ < 0 lo invierte. La longitud se multiplica por |λ|, así que no se vuelve negativa.

Con λ = 0 obtenemos el vector cero.

Un factor entre cero y uno acorta la flecha. En operaciones como 2u − 3v calculamos cada múltiplo y después sumamos sus componentes con signo.

Invertir y duplicar

u = (2; −3). Calcula −2u.

  1. Primera componente

    −2 · 2 = −4.
  2. Segunda

    −2 · (−3) = 6.
  3. Interpretación

    Sentido opuesto y doble longitud.

Resultado

−2u = (−4; 6).

Lo comprobamos

Su módulo es dos veces el de u, no menos dos veces.

Una combinación

u = (1; 2), v = (3; −1). Calcula 2u − v.

  1. Primer múltiplo

    2u = (2; 4).
  2. Restamos

    (2 − 3; 4 − (−1)).

  3. Resultado

    (−1; 5).

Resultado

(−1; 5).

Lo comprobamos

Sumarle v devuelve 2u.

6. El módulo se obtiene con Pitágoras en ejes ortonormales

Con ejes perpendiculares y la misma unidad, las componentes forman los catetos de un triángulo rectángulo.

Por eso ‖u‖ = √(uₓ² + uᵧ²) en el plano.

En tres dimensiones añadimos u_z² bajo la raíz.

Las componentes forman los catetos; el módulo es la hipotenusa
u = (3; 4)345‖u‖ = √(3² + 4²) = 5
El vector tres cuatro avanza tres unidades horizontales y cuatro verticales. La escala es sesenta unidades de dibujo por unidad en ambos ejes. El triángulo rectángulo tiene catetos tres y cuatro; la hipotenusa, el módulo del vector, vale cinco.

El módulo es un número, no un vector. Una componente negativa se eleva al cuadrado con paréntesis: (−3)² = 9. Solo el vector cero tiene módulo cero. Estas fórmulas por componentes suponen una base ortonormal; con otra base no se suman cuadrados sin más.

Una componente negativa

Halla el módulo de (−3; 4).

  1. Cuadrados

    (−3)² = 9 y 4² = 16.
  2. Suma

    25.

  3. Raíz no negativa

    5.

Resultado

Módulo cinco.

Lo comprobamos

El signo horizontal cambia el sentido, no su contribución cuadrada a la longitud.

Tres dimensiones

Halla ‖(2; −3; 6)‖.

  1. Cuadrados

    4, 9 y 36.

  2. Suma

    49.

  3. Raíz

    7.

Resultado

Siete unidades.

Lo comprobamos

Omitir la tercera componente habría dado √13 y mediría otro vector.

7. Los múltiplos describen una dirección; combinar dos puede abrir un plano

Dos vectores no nulos son paralelos si uno es un múltiplo real del otro. El mismo factor debe servir en todas las componentes. No dividimos por una componente cero; comprobamos directamente las ecuaciones de componentes.

Una combinación αu + βv reúne múltiplos de dos vectores. Si son no paralelos en el plano, permite expresar cualquier vector de ese plano. Si son paralelos, sus combinaciones siguen en la misma dirección. El vector cero no tiene una dirección definida, aunque sea múltiplo de cualquier vector con factor cero.

Comprobar el mismo factor

¿Son paralelos (2; −1; 0) y (−6; 3; 0)?

  1. Primera componente

    −6 = −3 · 2.
  2. Segunda

    3 = −3 · (−1).
  3. Tercera

    0 = −3 · 0.
Resultado

Sí: el segundo es −3 veces el primero.

Lo comprobamos

El signo negativo indica sentidos opuestos.

Expresar mediante dos direcciones

u = (1; 1), v = (1; −1). Expresa (3; 1) como αu + βv.

  1. Ecuaciones

    α + β = 3; α − β = 1.
  2. Sumamos

    2α = 4, luego α = 2.
  3. Volvemos

    β = 1; 2u + v = (3; 1).
Resultado

(3; 1) = 2u + v.

Lo comprobamos

El cálculo conserva las dos componentes, no solo la longitud.

8. Normalizar divide por una longitud positiva

Un vector unitario tiene módulo uno. Para u ≠ 0, u/‖u‖ conserva su sentido y dirección, porque dividimos por un número positivo, y su módulo pasa a ser uno. Cada componente se divide por el mismo módulo.

El vector cero no se puede normalizar: su módulo es cero y no tiene dirección única. Para el sentido opuesto al de u usamos −u/‖u‖. No normalizamos dividiendo cada componente por su propio valor absoluto, porque cambiaría las proporciones.

Una dirección de longitud uno

Normaliza (3; 4) conservando sentido.

  1. Módulo

    Cinco.

  2. División común

    (3/5; 4/5).

  3. Comprobación

    √(9/25 + 16/25) = 1.
Resultado

(3/5; 4/5).

Lo comprobamos

Es un múltiplo positivo del vector original.

Una dirección opuesta

Halla un unitario de sentido opuesto a (0; −5).

  1. Módulo

    Cinco.

  2. Mismo sentido

    (0; −1).

  3. Opuesto

    (0; 1).

Resultado

(0; 1).

Lo comprobamos

Tiene módulo uno y apunta hacia arriba, opuesto al vector dado.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Desplazamiento

De A=(1,−2,3) a B=(4,2,3), halla vector y módulo.

  1. Destino menos origen

    B − A = (4 − 1; 2 − (−2); 3 − 3).
  2. Componentes

    (3; 4; 0).

  3. Módulo

    √(3² + 4² + 0²) = √25 = 5.
  4. Comprobación

    (1; −2; 3) + (3; 4; 0) = (4; 2; 3).
Resultado

Vector (3,4,0); módulo 5.

Lo comprobamos

A+(3,4,0)=B.

EJEMPLO RESUELTO 2

Normalizar

Obtén un vector unitario con el mismo sentido que (6,8).

  1. Módulo original

    √(6² + 8²) = √100 = 10.
  2. Dividimos cada componente

    (6/10; 8/10) = (3/5; 4/5).
  3. Sentido

    El factor 1/10 es positivo.

  4. Comprobación

    √(9/25 + 16/25) = 1.
Resultado

(3/5,4/5).

Lo comprobamos

Su módulo es √(9/25+16/25)=1.

Los símbolos que hemos usado

u, v
Vectores del mismo espacio, de dos o tres componentes.
v=(v₁,v₂,v₃)
Componentes de v en una base cartesiana del espacio; en el plano se usan dos.
AB=B−A
Vector que lleva desde el punto A al punto B.
λ
Escalar real que multiplica un vector.
||v||
Módulo o norma euclídea: longitud no negativa del vector.
0
Vector nulo, con todas sus componentes iguales a cero.
u=v/||v||
Vector unitario de igual sentido, definido para v≠0.
Combinación lineal
Suma de múltiplos escalares de vectores.

Ahora te toca a ti.

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

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