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Bachillerato

Producto escalar y perpendicularidad

Sumar dos vectores da otro vector. El producto escalar hace algo distinto: combina dos flechas y devuelve un número que permite estudiar ángulos y cuánto avanza una en la dirección de la otra. Calcularemos sus piezas una a una y las conectaremos con un triángulo y una proyección.

Si necesitas repasar:

1. Multiplicamos componentes correspondientes y sumamos los productos

En una base ortonormal del plano, u · v = uₓvₓ + uᵧvᵧ.

En el espacio añadimos u_zv_z. El punto · nombra esta operación entre vectores; el resultado es un escalar real, no una nueva lista de componentes.

Por ejemplo, (2; −1) · (3; 4) = 2 · 3 + (−1) · 4 = 2.

Primero hacemos los productos y después la suma. Los signos de las componentes se conservan y conviene escribir paréntesis al multiplicar negativos.

Dos productos con signo

Calcula (−2; 3) · (4; −1).

  1. Componente x

    (−2) · 4 = −8.
  2. Componente y

    3 · (−1) = −3.
  3. Sumamos

    −8 + (−3) = −11.
Resultado

El escalar es −11.

Lo comprobamos

No se entrega (−8; −3): eso sería una lista de productos, no su suma.

También cuenta la tercera componente

Calcula (1; 2; −1) · (3; 0; 4).

  1. Productos

    1 · 3 = 3; 2 · 0 = 0; (−1) · 4 = −4.
  2. Suma

    3 + 0 − 4.

  3. Resultado

    −1.

Resultado

−1.

Lo comprobamos

Omitir z produciría otro cálculo.

2. La distributiva conecta el producto con sumas y con el módulo

El producto escalar real es simétrico: u · v = v · u.
También distribuye sobre la suma: u · (v + w) = u · v + u · w.

Un factor real puede sacarse del producto: (λu) · v = λ(u · v).

En particular u · u = uₓ² + uᵧ² + u_z² = ‖u‖².

Esta relación da un número no negativo y solo se anula para el vector cero. No confundimos u · u con el módulo: para obtener el módulo tomamos la raíz no negativa.

Producto de un vector consigo mismo

u = (−3; 4). Halla u · u y ‖u‖.

  1. Producto

    (−3)² + 4² = 9 + 16 = 25.
  2. Relación

    u · u es el cuadrado del módulo.

  3. Raíz

    ‖u‖ = 5.
Resultado

u · u = 25; ‖u‖ = 5.

Lo comprobamos

La raíz no se añade al producto escalar de dos vectores cualesquiera.

Comprobar la distributiva

u = (1; 2), v = (3; 0), w = (−1; 1).

  1. Suma interior

    v + w = (2; 1); u · (v + w) = 2 + 2 = 4.
  2. Productos separados

    u · v = 3; u · w = −1 + 2 = 1.
  3. Suma final

    3 + 1 = 4.
Resultado

Ambas rutas dan cuatro.

Lo comprobamos

La propiedad permite reorganizar sin cambiar el tipo de resultado.

3. El ángulo aparece al comparar el mismo triángulo de dos maneras

Para vectores no nulos, el triángulo formado por u, v y u − v cumple la ley de cosenos: ‖u − v‖² = ‖u‖² + ‖v‖² − 2‖u‖‖v‖ cos θ. Al expandir por producto escalar, el mismo lado es ‖u‖² + ‖v‖² − 2u · v.

Igualar ambas expresiones da u · v = ‖u‖‖v‖ cos θ.

Por tanto cos θ = (u · v)/(‖u‖‖v‖), y usamos arccos para el ángulo entre cero y 180°, o entre cero y π radianes. El denominador exige que ambos vectores sean no nulos.

Piezas separadas para un ángulo sencillo

Halla el ángulo entre (1; 0) y (1; √3).

  1. Producto

    Uno.

  2. Módulos

    Uno y √(1 + 3) = 2.
  3. Coseno

    1/(1 · 2) = 1/2.
  4. Ángulo

    60° o π/3 rad.

Resultado

60°.

Lo comprobamos

El segundo vector está en el primer cuadrante y tiene pendiente √3.

Sentido opuesto

Halla el ángulo entre (2; 0) y (−3; 0).

  1. Producto

    −6.

  2. Módulos

    Dos y tres.

  3. Coseno

    −6/6 = −1.
  4. Ángulo

    180° o π rad.

Resultado

180°.

Lo comprobamos

Los dos vectores comparten dirección geométrica y tienen sentidos contrarios.

4. El signo distingue ángulo agudo, recto y obtuso si las flechas no son nulas

Como el producto de módulos es positivo, el signo de u · v es el signo de cos θ. Si es positivo, el ángulo está entre cero y 90° sin llegar a 90°; si cero, es recto. Si es negativo, supera 90°: es obtuso antes de llegar a 180° y llano si vale exactamente 180°.

El ángulo cero corresponde a vectores del mismo sentido.

El vector cero tiene producto cero con todos. Se considera ortogonal algebraicamente, pero no tiene un ángulo geométrico definido. Por eso no calculamos un ángulo de 90° con una flecha de longitud cero ni dividimos entre su módulo.

Comprobar perpendicularidad sin arccos

u = (1; 2), v = (4; −2).

  1. Producto

    1 · 4 + 2 · (−2) = 4 − 4 = 0.
  2. Vectores no nulos

    Sus módulos son positivos.

  3. Ángulo

    Coseno cero: 90°.

Resultado

Son perpendiculares.

Lo comprobamos

La condición del producto sirve sin redondear ningún ángulo.

La excepción del vector cero

u = (0; 0), v = (1; 2). ¿Se puede obtener un ángulo con la fórmula?

  1. Producto

    Cero.

  2. Denominador

    ‖u‖‖v‖ = 0.
  3. Lectura

    No hay dirección de u que permita fijar un ángulo.

Resultado

El ángulo no está definido.

Lo comprobamos

Producto cero no autoriza aquí a informar noventa grados.

5. La proyección escalar mide una componente con signo

Elegimos una dirección v ≠ 0 y su unitario e = v/‖v‖.
La componente escalar de u en ese sentido es u · e = (u · v)/‖v‖.

Por la fórmula del ángulo también vale ‖u‖ cos θ.

La proyección escalar puede ser negativa
eu = (−2; 3)−2Escalar: −2 · vector: (−2; 0)
Se proyecta u igual a menos dos tres sobre la dirección unitaria e igual a uno cero. La componente paralela es menos dos cero y la perpendicular cero tres. La proyección escalar es menos dos: señala sentido opuesto al de e, no una longitud negativa.

Puede ser negativa: indica avance en sentido opuesto al de v. Su valor absoluto es la longitud de la parte proyectada. No llamamos longitud negativa al escalar con signo.

En el dibujo, u = (−2; 3) sobre e = (1; 0) tiene componente −2.

Una componente positiva

Proyecta escalarmente u = (3; 2) sobre v = (2; 0).

  1. Producto

    u · v = 6.
  2. Módulo de la dirección

    ‖v‖ = 2.
  3. Cociente

    6/2 = 3.
Resultado

Componente escalar tres.

Lo comprobamos

Cambiar v a (1; 0) conserva el mismo sentido unitario y la misma componente.

Una componente negativa

Proyecta escalarmente u = (−2; 3) sobre e = (1; 0).

  1. Dirección unitaria

    ‖e‖ = 1.
  2. Producto

    −2 · 1 + 3 · 0 = −2.
  3. Interpretación

    Dos unidades en sentido opuesto al eje positivo.

Resultado

Escalar −2; longitud proyectada dos.

Lo comprobamos

El signo describe sentido, no una distancia negativa.

6. La proyección vectorial recupera una flecha paralela y deja un resto perpendicular

Para convertir la componente en vector multiplicamos por el unitario de la dirección: proy_v(u) = [(u · v)/(v · v)]v, para v ≠ 0. El resultado es paralelo a v. El coeficiente puede ser negativo y entonces la flecha apunta en sentido contrario.

Parte paralela y parte perpendicular
u=(3,2)proyección: (3,0)2(3,2) = (3,0) + (0,2)
Sobre el eje horizontal, la proyección vectorial de(3,2) es(3,0). El resto(0,2) es perpendicular al eje. Cada unidad mide60 píxeles en ambos ejes.

El resto u − proy_v(u) es perpendicular a v: su producto con v vale u · v − [(u · v)/(v · v)](v · v) = 0. Así descomponemos u en parte paralela y parte perpendicular sin inventar una dirección nueva.

Sobre el eje horizontal

Halla la proyección vectorial de (3; 2) sobre (1; 0).

  1. Coeficiente

    Producto tres dividido entre v · v = 1: tres.
  2. Multiplicamos por v

    3(1; 0) = (3; 0).
  3. Resto

    (3; 2) − (3; 0) = (0; 2).
Resultado

Proyección (3; 0), resto (0; 2).

Lo comprobamos

El resto tiene producto cero con (1; 0).

Sobre una dirección inclinada

Proyecta u = (3; 1) sobre v = (1; 1).

  1. Producto y denominador

    u · v = 4; v · v = 2.
  2. Proyección

    (4/2)(1; 1) = (2; 2).
  3. Resto

    (1; −1).

  4. Comprobamos

    (1; −1) · (1; 1) = 0.
Resultado

Proyección (2; 2); resto (1; −1).

Lo comprobamos

Las dos flechas suman de nuevo (3; 1).

7. Las condiciones geométricas se convierten en ecuaciones de producto cero

Si una recta tiene normal n ≠ 0, los desplazamientos entre sus puntos son perpendiculares a n.

Para un punto fijo A y otro P de la recta: n · (P − A) = 0.

Esa condición traduce el dibujo a una ecuación en coordenadas.

El director sigue la recta; la normal sale perpendicular
(1,2)(3,6)n=(2,−1)y=2x ↔ 2x−y=0
Los puntos(1,2) y(3,6) pertenecen a y=2x. Un director es(1,2); la normal(2,−1) tiene producto escalar cero con él. Los ejes usan igual escala.

El producto escalar también calcula trabajo de una fuerza constante en un modelo: W = F · d. Solo contribuye la parte de la fuerza en la dirección del desplazamiento. Son aplicaciones de la misma operación, con unidades que corresponden a las magnitudes del problema.

De una normal a una recta

La recta pasa por A = (1; 2) y tiene normal n = (2; −1). Halla su ecuación.

  1. Desplazamiento genérico

    P − A = (x − 1; y − 2).
  2. Producto cero

    2(x − 1) − (y − 2) = 0.
  3. Simplificamos

    2x − y = 0.
Resultado

y = 2x.

Lo comprobamos

A satisface la ecuación y el director (1; 2) tiene producto cero con n.

Trabajo con signo

En un modelo, F = (5; 0) N es constante y d = (−2; 3) m. Calcula W.

  1. Producto

    5(−2) + 0 · 3 = −10.
  2. Unidades

    N · m = J.
  3. Interpretación

    La componente del desplazamiento va en sentido opuesto a la fuerza.

Resultado

W = −10 J.

Lo comprobamos

El desplazamiento vertical no aporta trabajo de una fuerza totalmente horizontal.

8. Comprobamos tipo, dominio y unidades antes de interpretar

El producto escalar devuelve un número; la proyección escalar otro número con signo; la proyección vectorial una flecha. Para ángulos exigimos ambos vectores no nulos; para proyectar, la dirección de proyección no puede ser cero.

El cociente del coseno debe quedar entre −1 y 1. Si queda fuera por mucho, hay un error de producto, módulos o redondeo. Conservar raíces exactas hasta el final evita errores innecesarios. En una base no ortonormal necesitamos tener en cuenta sus productos de base, no aplicar ciegamente la suma usual de componentes.

Un coseno imposible

Alguien obtiene 1,4 al dividir un producto por los módulos.

  1. Límite

    Un coseno real no supera uno.

  2. Conclusión

    La cuenta no puede aceptarse como ángulo.

  3. Revisión

    Producto con signos, cuadrados y raíces de ambos módulos.

Resultado

Hay que revisar las operaciones.

Lo comprobamos

No se introduce 1,4 en arccos como si fuera un valor válido.

Distinguir tres resultados

Para u = (−2; 3) y v = (2; 0), calcula producto, componente escalar y proyección vectorial.

  1. Producto

    −4.

  2. Escalar proyectado

    −4/2 = −2.
  3. Vector proyectado

    (−4/4)(2; 0) = (−2; 0).
Resultado

Producto −4; escalar −2; vector (−2; 0).

Lo comprobamos

Solo la tercera respuesta es una flecha; el módulo de esa flecha es dos.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Perpendicularidad

Comprueba u=(2,3) y v=(3,−2).

  1. Producto

    (2; 3) · (3; −2) = 6 − 6 = 0.
  2. No nulos

    Ambos tienen módulo √13.

  3. Ángulo

    cos θ = 0/(√13 · √13) = 0.
  4. Resultado

    θ = 90° o π/2 rad.
Resultado

Ángulo de 90°.

Lo comprobamos

La fórmula del coseno da cos θ=0.

EJEMPLO RESUELTO 2

Ángulo

Halla el ángulo entre (1,0) y (1,1).

  1. Producto

    (1; 0) · (1; 1) = 1.
  2. Módulos

    Uno y √2.

  3. Coseno

    1/√2 = √2/2.
  4. Ángulo

    45° o π/4 rad.

  5. Comprobación geométrica

    (1; 1) es la diagonal del primer cuadrante con componentes iguales.

Resultado

45° o π/4 rad.

Lo comprobamos

El vector (1,1) forma la diagonal del primer cuadrante.

Los símbolos que hemos usado

u·v
Producto escalar, número real obtenido al sumar productos de componentes correspondientes.
||u||
Módulo euclídeo de u.
θ
Ángulo no orientado entre dos vectores no nulos, en [0,π].
u·v=||u||||v||cos θ
Relación geométrica del producto escalar.
s=(u·v)/||v||
Proyección escalar de u sobre la dirección orientada por v≠0.
projᵥu
Vector proyectado: [(u·v)/(v·v)]v.
Ortogonales
Vectores de producto escalar cero; con ambos no nulos forman 90°.
w=u−projᵥu
Componente residual perpendicular a v.

Ahora te toca a ti.

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

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