Vectores en el espacio


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1 Vectores en el espacio Un sistema de coordenadas tridimensional se construye trazando un eje Z, perpendicular en el origen de coordenadas a los ejes X e Y. Cada punto viene determinado por tres coordenadas P(x, y, z). Los ejes de coordenadas determinan tres planos coordenados: XY, XZ e YZ. Vector en el espacio Un vector en el espacio es cualquier segmento orientado que tiene su origen en un punto y su extremo en el otro. Componentes de un vector en el espacio Si las coordenadas de A y B son: A(x 1, y 1, z 1 ) y B(x 2, y 2, z 2 ) Las coordenadas o componentes del vector AAAA se obtienen restando a las coordenadas del extremo las del origen. 1

2 : Determinar la componentes de los vectores que se pueden trazar en el triángulo de vértices A( 3, 4, 0), B(3, 6, 3) y C( 1, 2, 1). Módulo de un vector El módulo de un vector es la longitud del segmento orientado que lo define. El módulo de un vector es un número siempre positivo y solamente el vector nulo tiene módulo cero. Cálculo del módulo conociendo sus componentes Dados los vectores y, hallar sus módulos Cálculo del módulo conociendo las coordenadas de los puntos 2

3 Distancia entre dos puntos La distancia entre dos puntos es igual al módulo del vector que determinan dichos puntos. Hallar la distancia entre los puntos A(1, 2, 3) y B(2, 3, 1). Vector unitario Un vector unitario tiene de módulo la unidad. Normalizar un vector consiste en asociarle otro vector unitario, de la misma dirección y sentido que el vector dado. Para ello se divide cada componente del vector por su módulo. Suma de vectores Operaciones con vectores en el espacio Para sumar dos vectores se suman sus respectivas componentes. s Dados = (2, 1, 3), = (1, 1, 0), = (1, 2, 3), hallar el vector XX = 2u + 3v w. XX = (4, 2, 6) + (3, 3, 0) (1, 2, 3) = (6, 3, 3) Dados los vectoresuu (2,4,5) yy vv (3,1,2) hallar el módulo del vector. uu vv 3

4 Propiedades de la suma de vectores Asociativa + ( + ) = ( + ) + Conmutativa + = + Elemento neutro + = Elemento opuesto + ( ) = vector. Producto de un número real por un vector El producto de un número real k Rpor un vector uu es otro vector: De igual dirección que el vector uu. Del mismo sentido que el vector uu si k es positivo. De sentido contrario del vector uu si k es negativo. De módulo Las componentes del vector resultante se obtienen multiplicando por K las componentes del Propiedades del producto de un número por un vector Asociativa k (k' ) uu = (k k') uu Distributiva respecto a la suma de vectores k (uu + vv ) = k uu + k vv 4

5 Distributiva respecto a los escalares (k + k') uu = k uu + k' uu Elemento neutro 1 = uu uu Dado vv = (6, 2, 0) determinar uu de modo que sea 3uu = vv. Dependencia e independencia lineal. Bases Combinación lineal Una combinación lineal de dos o más vectores es el vector que se obtiene al sumar esos vectores multiplicados previamente por escalares. : Cualquier vector se puede expresar como combinación lineal de un conjunto de vectores que tengan distinta dirección. Esta combinación lineal es única. 5

6 Vectores linealmente dependientes Un conjunto de vectores libres del plano se dice que son linealmente dependientes si hay una combinación lineal de ellos que es igual al vector cero, con la condición de que alguno de los coeficientes de la combinación lineal distinto de cero. Propiedades 1. Si un conjunto de vectores son linealmente dependientes, entonces al menos uno de ellos se puede expresar como combinación lineal de los demás. Si son linealmente dependientes Con alguno de los coeficientes distinto de cero. Despejando tendremos: También se cumple el reciproco: si un vector es combinación lineal de otros, entonces los vectores son linealmente dependientes. 2.Dos vectores del plano son linealmente dependientes si, y sólo si, son paralelos. 3.Dos vectores libres del plano uu dependientes si sus componentes son proporcionales. = (u 1, u 2 ) y vv = (v 1, v 2 ) son linealmente Por las propiedades de los determinantes, se cumplirá que: 6

7 Determinar los valores de k para que sean linealmente dependientes los vectores uu = (3, kk, 6), vv = ( 2,1, kk + 3) yy ww = (1, kk + 2,4),y escribir uu como combinación lineal de y, siendo k el valor calculado. Los vectores son linealmente dependientes si el determinante de la matriz que forman es nulo, es decir que el rango de la matriz es menor que 3. Vectores linealmente independientes Varios vectores libres son linealmente independientes si ninguno de ellos puede ser escrito con una combinación lineal de los restantes. a 1 = a 2 = = a n = 0 Los vectores linealmente independientes tienen distinta dirección y sus componentes no son proporcionales. 7

8 s 1. Estudiar si son linealmente dependientes o independientes los vectores: uu =(2, 3, 1), = (1, 0, 1), = (0, 3, 1) a (2, 3, 1) + b(1, 0, 1) + c (0, 3, 1) = (0, 0, 0) Como el rango es 2 y el número de incógnitas 3, resulta un indeterminado. Sistema compatible El sistema tiene infinitas soluciones, por tanto los vectores son linealmente dependientes. Base Tres vectores uu, vv yy ww,con distinta dirección forman una base, cuando cualquier vector del espacio se puede expresar como combinación lineal de ellos. Las coordenadas del vector respecto a la base son: Base ortogonal Una base es ortogonal si los vectores de la base son perpendiculares entre sí. Base normada Es aquella constituida por vectores unitarios, es decir, de módulo la unidad. Base ortonormal Una base es ortonormal si los vectores de la base son perpendiculares entre sí, y además tienen módulo 1. 8

9 Esta base formada por los vectores ii, jj, k se denomina base canónica. Para qué valores de a los vectores uu (1,1,1), vv (1,a,1) y ww (1,1,a), forman una base? Para a 1, los vectores forman una base. Producto escalar El producto escalar de dos vectores es un número real que resulta al multiplicar el producto de sus módulos por el coseno del ángulo que forman. Expresión analítica del producto escalar Hallar el producto escalar de dos vectores cuyas coordenadas en una base ortonormal son: (1, 1/2, 3) y (4, 4, 1). (1, 1/2, 3) (4, 4, 1) = (1/2) ( 4) = = 5 Expresión analítica del módulo de un vector 9

10 : Hallar el valor del módulo de un vector de coordenadas uu = ( 3, 2, 5) en una base ortonormal. Expresión analítica del ángulo de dos vectores : Determinar el ángulo que forman los vectores uu = (1, 2, 3) y vv = ( 2, 4, 1). Vectores ortogonales Dos vectores son ortogonales si su producto escalar es 0. uu vv = 0 analíticamente uu 1 vv 1 + uu 2 vv 2 + uu 3 vv 3 = 0 Los vectores ortogonales son perpendiculares entre sí. Calcular los valores x e y para que el vector (x, y, 1) sea ortogonal a los vectores (3, 2, 0) y (2, 1, 1). Propiedades del producto escalar 1Conmutativa 10

11 2 Asociativa 3 Distributiva 4 El producto escalar de un vector no nulo por sí mismo siempre es positivo. Interpretación geométrica del producto escalar El producto de dos vectores no nulos es igual al módulo de uno de ellos por la proyección del otro sobre él. OA' es la proyección del vector uu sobre vv, que lo denotamos como Dados los vectores uu = (2, 3,5) yy vv = (6, 1,0) hallar: 1. Los módulos de uu y vv 11

12 2. El producto escalar de uu y vv 3. El ángulo que forman. 4. La proyección del vector uu sobre vv 5. La proyección del vector vv sobre uu 6. El valor de m para que los vectores uu = (2, 3,5) yy (mm, 2,3) sean ortogonales. Cosenos directores En una base ortonormal, se llaman cosenos directores del vector uu = (xx, yy, zz), a los cosenos de los ángulos que forma el vector uu con los vectores de la base. Se cumple que 12

13 Determinar los cosenos directores del vector (1, 2, 3). Producto vectorial El producto vectorial de dos vectores es otro vector cuya dirección es perpendicular a los dos vectores y su sentido sería igual al avance de un sacacorchos al girar de u a v. Su módulo es igual a: El producto vectorial se puede expresar mediante un determinante: s Calcular el producto vectorial de los vectores uu = (1, 2,3) yy vv = ( 1, 1, 2). 13

14 = ii +5 jj 3 kk Dados los vectores uu = 3ii jj + kk y vv = ii +jj + kk, hallar el producto vectorial de dichos vectores. Comprobar que el vector hallado es ortogonal a uu y vv. El producto vectorial de uu x vv es ortogonal a los vectores uu y vv. Área del paralelogramo Geométricamente, el módulo del producto vectorial de dos vectores coincide con el área del paralelogramo que tiene por lados a esos vectores. Dados los vectores uu = (3, 1, 1) yy vv = (2, 3, 4), hallar el área del paralelogramo que tiene por lados los vectores uu yy vv 14

15 Área de un triángulo Determinar el área del triángulo cuyos vértices son los puntos A(1, 1, 3), B(2, 1, 5) y C( 3, 3, 1). Propiedades del producto vectorial 1. Anticonmutativa uu xx vv = vv xx uu 2. Homogénea λ (uu xx vv ) = (λuu ) x vv = uu x (λ vv ) 3. Distributiva uu xx (vv + ww ) = uu xx vv + uu xx ww 4. El producto vectorial de dos vectores paralelos en igual al vector nulo. 15

16 uu vv entonces uu xx vv = 0 5. El producto vectorial uu xx vv es perpendicular a uu yy aa vv El producto mixto de los vectores uu, vv yy ww es igual al producto escalar del primer vector por el producto vectorial de los otros dos. Producto mixto El producto mixto se representa por [uu, vv yy ww ]. El producto mixto de tres vectores es igual al determinante que tiene por filas las coordenadas de dichos vectores respecto a una base ortonormal. s Calcular el producto mixto de los vectores: Volumen del paralelepípedo El valor absoluto del producto mixto representa el volumen del paralelepípedo cuyas aristas son tres vectores que concurren en un mismo vértice. Hallar el volumen del paralelepípedo formado por los vectores: 16

17 Volumen de un tetraedro El volumen de un tetraedro es igual a 1/6 del producto mixto, en valor absoluto. y D(1, 1, 7). Obtener el volumen del tetraedro cuyos vértices son los puntos A(3, 2, 1), B(1, 2, 4), C(4, 0, 3) Propiedades del producto mixto 1. El producto mixto no varía si se permutan circularmente sus factores, pero cambia de signo si éstos se trasponen. vale Si tres vectores son linealmente dependientes, es decir, si son coplanarios, producto mixto 17

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