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Bachillerato

Productos vectorial y mixto

El producto escalar devuelve un número. Ahora construiremos otra operación en el espacio: u × v devuelve una flecha perpendicular a las dos y su longitud mide un área. Después un tercer vector permitirá medir volumen. Separaremos tipo de resultado, signo de orientación y tamaño geométrico.

1. El vectorial se define en un espacio tridimensional con orientación elegida

Trabajamos en ℝ³ con una base ortonormal de orientación derecha e₁, e₂, e₃.

La convención fija e₁ × e₂ = e₃, e₂ × e₃ = e₁ y e₃ × e₁ = e₂.

Cambiar el orden invierte el signo. El dibujo es una proyección del espacio; sus ángulos aparentes no se miden como ángulos reales entre ejes.

Una base con orientación derecha
e₁e₂e₃e₁ × e₂ = e₃Orden invertido: −e₃
Proyección esquemática de tres ejes perpendiculares del espacio: e1 horizontal, e2 hacia el observador y e3 arriba. El producto e1×e2 apunta en e3.

Para dos vectores no paralelos, u × v es perpendicular a ambos, con sentido dado por la orientación y módulo ‖u‖‖v‖ sen θ. Si son paralelos o uno es cero, el resultado es cero y no tiene dirección definida. Aquí × no significa producto escalar.

El orden fija el sentido

Compara e₂ × e₃ y e₃ × e₂.

  1. Orden cíclico de la base

    e₂ × e₃ = e₁.
  2. Orden invertido

    Cambia el signo.

  3. Segundo resultado

    e₃ × e₂ = −e₁.
Resultado

Son e₁ y −e₁.

Lo comprobamos

Los dos son perpendiculares a los factores, pero apuntan en sentidos opuestos.

Dos factores paralelos

¿Qué da u × v si v = 4u?

  1. Ángulo de no nulos

    Son paralelos y sen θ = 0.
  2. Área

    El paralelogramo queda aplastado.

  3. Resultado

    Vector cero, también si u es cero.

Resultado

u × v = 0.

Lo comprobamos

No se elige una flecha perpendicular arbitraria cuando el área es cero.

2. La fórmula calcula tres diferencias de productos

Para u = (u₁; u₂; u₃) y v = (v₁; v₂; v₃), u × v = (u₂v₃ − u₃v₂; u₃v₁ − u₁v₃; u₁v₂ − u₂v₁).

El resultado tiene tres componentes. En la segunda, el orden de las restas es importante.

También se usa la expansión formal de un determinante con primera fila e₁, e₂, e₃. La componente central lleva el signo menos de los cofactores. Si todavía no se domina determinantes, calcular las tres diferencias por separado evita depender de una mnemotecnia sin comprenderla.

Tres componentes pequeñas

Calcula (1; 2; 0) × (0; 1; 3).

  1. Primera

    2 · 3 − 0 · 1 = 6.
  2. Segunda

    0 · 0 − 1 · 3 = −3.
  3. Tercera

    1 · 1 − 2 · 0 = 1.
  4. Resultado

    (6; −3; 1).

Resultado

(6; −3; 1).

Lo comprobamos

Su producto escalar con (1; 2; 0) es cero, y con (0; 1; 3) también.

Un caso en el plano z igual a cero

Calcula (3; 1; 0) × (1; 2; 0).

  1. Primeras dos componentes

    Valen cero por los factores z.

  2. Tercera

    3 · 2 − 1 · 1 = 5.
  3. Vector espacial

    (0; 0; 5).

Resultado

(0; 0; 5).

Lo comprobamos

El número cinco es la componente orientada perpendicular al plano, no una tercera coordenada de los puntos originales.

3. Es distributivo y antisimétrico, pero no asociativo

u × v = −v × u y u × u = 0.
Distribuye: u × (v + w) = u × v + u × w.

Un escalar real puede sacarse de cualquiera de los factores. Estas reglas permiten organizar cálculos conservando su orden.

No es asociativo: u × (v × w) puede ser distinto de (u × v) × w. Los paréntesis forman parte de la expresión. Tampoco se intercambia el punto por la cruz: uno devuelve un escalar y el otro un vector.

Usar un resultado ya calculado

Si u × v = (6; −3; 1), halla (−2v) × u.

  1. Escalar

    (−2v) × u = −2(v × u).
  2. Orden inverso

    v × u = −(u × v).
  3. Combinamos

    −2[−(6; −3; 1)] = (12; −6; 2).
Resultado

(12; −6; 2).

Lo comprobamos

Los dos cambios de signo se compensan.

Un contraejemplo de asociatividad

Compara e₁ × (e₁ × e₂) y (e₁ × e₁) × e₂.

  1. Primera expresión

    e₁ × e₂ = e₃; después e₁ × e₃ = −e₂.
  2. Segunda

    e₁ × e₁ = 0; después 0 × e₂ = 0.
  3. Comparación

    −e₂ no es cero.

Resultado

Los resultados son distintos.

Lo comprobamos

Quitar los paréntesis sin una regla válida cambiaría la operación.

4. El módulo del vectorial es el área del paralelogramo

Con base ‖u‖ y altura ‖v‖ sen θ, el área del paralelogramo es ‖u‖‖v‖ sen θ = ‖u × v‖. El área no tiene signo; el vector conserva además una orientación perpendicular al plano.

El vectorial mide la base por la altura
base: ‖u‖hvÁrea = ‖u‖ · h = ‖u×v‖
El módulo del producto vectorial es el área del paralelogramo; la distancia perpendicular h es‖v‖senθ.

Si los dos vectores salen de un vértice de un triángulo, ese triángulo ocupa la mitad del paralelogramo: área = ‖u × v‖/2. Elegimos desplazamientos con el mismo origen, no dos lados colocados sin atender a sus puntos.

Área y triángulo

u = (3; 0; 0), v = (1; 2; 0). Halla ambas áreas.

  1. Vectorial

    (0; 0; 6).

  2. Módulo

    Seis: área del paralelogramo.

  3. Mitad

    Área del triángulo tres.

Resultado

Paralelogramo 6; triángulo 3 unidades cuadradas.

Lo comprobamos

Base tres y altura dos producen seis, aunque v sea oblicuo.

Invertir el orden no vuelve negativa el área

Se sabe u × v = (0; 0; −5).

  1. Orientación

    La componente apunta al sentido negativo del eje z.

  2. Módulo

    √25 = 5.
  3. Orden contrario

    Da (0; 0; 5), cuyo módulo también es cinco.

Resultado

Área cinco en ambos órdenes.

Lo comprobamos

El signo pertenece al vector orientado, no a una medida negativa de área.

5. El mixto combina una cruz y un punto y devuelve un número

Definimos [u,v,w] = u · (v × w).

Primero calculamos v × w, una flecha; después su producto escalar con u, un número. Es igual al determinante de las tres componentes ordenadas y también a (u × v) · w.

Permutar cíclicamente u, v, w conserva el valor. Intercambiar dos invierte el signo. El signo registra orientación; el valor absoluto tendrá interpretación de volumen. Escribimos los paréntesis para no intentar multiplicar vectorialmente un escalar.

Calcular desde dentro

u = (1; 1; 0), v = (0; 2; 0), w = (0; 0; 3). Halla [u,v,w].

  1. Primero v × w

    (6; 0; 0).

  2. Después el punto con u

    (1; 1; 0) · (6; 0; 0) = 6.
  3. Tipo

    El resultado final es un escalar.

Resultado

[u,v,w] = 6.

Lo comprobamos

(u × v) · w = (0; 0; 2) · (0; 0; 3) también vale seis.

Cambiar orientación

Si [u,v,w] = 6, ¿cuánto vale [v,u,w]?

  1. Intercambio

    Se permutan las dos primeras posiciones.

  2. Signo

    Se invierte.

  3. Resultado

    −6.

Resultado

−6.

Lo comprobamos

Una permutación cíclica [v,w,u] daría seis, porque no es un solo intercambio.

6. El valor absoluto del mixto mide volumen; cero indica dependencia

v × w es perpendicular a la base del paralelogramo formado por v y w. Al hacer el producto con u se toma su componente normal por el área de esa base.

El valor absoluto es base por altura: V = |u · (v × w)|.
Tres direcciones perpendiculares construyen una caja
u: 2w: 4v: 3Volumen = 2 · 3 · 4 = 24
Proyección esquemática de una caja rectangular de aristas dos tres y cuatro en direcciones mutuamente perpendiculares. Los ángulos aparentes del dibujo se deben a la proyección. El volumen es veinticuatro unidades cúbicas; coincide con el valor absoluto del producto mixto.

Si vale cero, los tres vectores son linealmente dependientes y pueden quedar en un mismo plano vectorial, o incluso en una recta. No encierran volumen tridimensional. La afirmación se refiere a vectores con origen común; para puntos construimos primero los desplazamientos.

Una caja

u = (2; 0; 0), v = (0; 3; 0), w = (0; 0; 4).

  1. Base orientada

    v × w = (12; 0; 0).
  2. Mixto

    u · (12; 0; 0) = 24.
  3. Volumen

    Valor absoluto: veinticuatro.

Resultado

24 unidades cúbicas.

Lo comprobamos

Las tres aristas perpendiculares también dan 2 · 3 · 4.

Tres vectores en un mismo plano

u = (1; 0; 0), v = (0; 1; 0), w = (2; 3; 0).

  1. Combinación

    w = 2u + 3v.
  2. Normal de u y v

    u × v = (0; 0; 1).
  3. Mixto

    (u × v) · w = 0.
Resultado

Volumen cero: los tres quedan en el plano z = 0.

Lo comprobamos

No se concluye que los tres vectores sean cero o paralelos entre sí.

7. Con puntos restamos un origen común antes de calcular normales y tetraedros

Tres puntos no alineados A, B, C definen un plano.

Dos direcciones son AB = B − A y AC = C − A.

Su cruz es una normal no nula. Si la cruz es cero, los puntos no determinan un plano único por este procedimiento.

Para cuatro puntos A, B, C, D, el volumen del tetraedro es |AB · (AC × AD)|/6. El divisor seis corresponde al tetraedro frente al paralelepípedo con esas aristas. Mantener A como origen común evita usar coordenadas absolutas de puntos donde hacen falta diferencias.

Una normal desde tres puntos

A = (0; 1; 0), B = (2; 1; 0), C = (0; 1; 3).

  1. Direcciones desde A

    AB = (2; 0; 0); AC = (0; 0; 3).
  2. Cruz

    AB × AC = (0; −6; 0).
  3. Interpretación

    Normal al plano y = 1.
Resultado

Una normal es (0; −6; 0), o cualquier múltiplo no nulo.

Lo comprobamos

Su producto con las dos direcciones es cero y la normal no se anula.

Un tetraedro trasladado

A = (1; 1; 1), B = (3; 1; 1), C = (1; 4; 1), D = (1; 1; 5).

  1. Desplazamientos

    AB = (2; 0; 0), AC = (0; 3; 0), AD = (0; 0; 4).
  2. Paralelepípedo

    Mixto en valor absoluto: 24.

  3. Tetraedro

    24/6 = 4.
Resultado

Volumen cuatro unidades cúbicas.

Lo comprobamos

Trasladar el mismo conjunto de puntos no cambia sus desplazamientos ni su volumen.

8. Perpendicularidad sola es una comprobación parcial del vectorial

El resultado de una cruz debe ser perpendicular a ambos factores; además tiene un módulo y un sentido determinados. Cualquier múltiplo de una perpendicular también tendría producto escalar cero, así que esa prueba sola no demuestra que se haya calculado exactamente u × v.

Si las componentes de los factores miden longitud, la cruz tiene componentes con unidades cuadradas y el mixto unidades cúbicas. Al informar un área o volumen tomamos módulo o valor absoluto; al informar un vector o determinante conservamos su signo.

Una perpendicular de longitud equivocada

Para e₁ y e₂ se propone (0; 0; 7) como producto vectorial.

  1. Perpendicularidad

    Tiene producto cero con los dos.

  2. Módulo exigido

    ‖e₁‖‖e₂‖ sen90° = 1.
  3. Módulo propuesto

    Siete: no coincide.

Resultado

No es el producto vectorial correcto.

Lo comprobamos

El correcto es e₃; la perpendicularidad detecta algunos errores, pero no todos.

Mixto negativo y volumen positivo

Un cálculo produce [u,v,w] = −12 en unidades cúbicas.

  1. Orientación

    El signo es negativo para el orden dado.

  2. Volumen

    |−12| = 12.
  3. Intercambiar dos

    Cambia el mixto a doce, con el mismo volumen.

Resultado

Mixto −12; volumen 12.

Lo comprobamos

No se cambia el signo del determinante al informar ese determinante, solo al convertirlo en volumen.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Una perpendicular

Calcula (1,0,0)×(0,1,0).

  1. Factores

    u = (1; 0; 0), v = (0; 1; 0).
  2. Tres componentes

    (0 · 0 − 0 · 1; 0 · 0 − 1 · 0; 1 · 1 − 0 · 0).

  3. Resultado

    (0; 0; 1).

  4. Comprobaciones

    Es perpendicular a cada factor, tiene módulo uno y corresponde a la orientación derecha e₁ × e₂ = e₃.

Resultado

(0,0,1).

Lo comprobamos

Su escalar con cada factor es cero.

EJEMPLO RESUELTO 2

Volumen

u=(2,0,0),v=(0,3,0),w=(0,0,4). Halla el volumen del paralelepípedo.

  1. Producto vectorial interior

    v × w = (0; 3; 0) × (0; 0; 4) = (12; 0; 0).
  2. Producto escalar

    u · (v × w) = (2; 0; 0) · (12; 0; 0) = 24.
  3. Volumen

    |24| = 24 unidades cúbicas.
  4. Comprobación geométrica

    La caja tiene lados perpendiculares dos, tres y cuatro: producto veinticuatro.

Resultado

24 unidades cúbicas.

Lo comprobamos

Es una caja de lados 2,3,4: producto 24.

Los símbolos que hemos usado

u, v, w
Vectores de R³ en una base cartesiana ortonormal de orientación derecha.
u×v
Producto vectorial de u y v, otro vector de tres componentes.
θ
Ángulo entre vectores no nulos, de 0 a π.
||u×v||
Módulo del vector producto; área del paralelogramo generado.
[u,v,w]=(u×v)·w
Producto mixto o triple escalar, número real con signo.
det(u,v,w)
Determinante con las tres filas en ese orden; coincide con el producto mixto.
e₁,e₂,e₃
Vectores unitarios de los tres ejes, elegidos con orientación derecha.
Coplanarios
Vectores contenidos en un mismo plano que pasa por el origen.

Ahora te toca a ti.

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

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