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Seminario de Resolución de Problemas: Vectores en geometría

Introducción

Anteriormente, comenzamos esta serie de entradas de geometría platicando de algunas técnicas euclideanas o sintéticas que se pueden usar para resolver problemas en el plano. Después, tomamos herramientas de la geometría analítica, las cuales nos permiten poner problemas en términos de coordenadas y ecuaciones. Lo que haremos ahora es ver varios ejemplos del uso de vectores en geometría.

A diferencia de la geometría analítica, cuando hablamos de soluciones por vectores estamos hablando de aquellas que aprovechan la estructura de espacio vectorial en \mathbb{R}^2. En otras palabras, usamos argumentos en los cuales pensamos a los puntos del plano como vectores, los cuales tienen una dirección y una magnitud. Los vectores tienen operaciones de suma y de producto por un escalar. Además, tienen producto punto, norma y transformaciones dadas por matrices. Apenas tocaremos la superficie del tipo de teoría que se puede usar. Un buen curso de álgebra lineal te puede dar más herramientas para resolver problemas geométricos.

Interpretar puntos como vectores

Pongamos un origen O en el plano. A cada punto P le corresponden ciertas coordenadas dadas por parejas de reales (x,y), que identificaremos con P. Al origen le corresponden las coordenadas (0,0). Si tenemos otro punto Q=(w,z), entonces su suma es el vector P+Q=(x+w,y+z). Si tomamos un real r, el vector rP es el vector de coordenadas (rx,ry).

Suma de vectores
Suma de vectores

La suma P+Q se puede encontrar mediante la ley del paralelogramo: los puntos O,P,P+Q,Q hacen un paralelogramo en ese orden cíclico. La resta Q-P está definida por Q+(-1)P, y la llamamos el vector PQ. Geométricamente coincide con el vector que va «de P a Q«. Observa que el orden es importante y que OP=P.

Resta de vectores
Resta de vectores

Proposición (de la razón). Si tenemos dos puntos P y Q distintos y m,n son reales, entonces podemos encontrar al único punto R en la recta por P y Q tal que

    \[\frac{PR}{RQ}=\frac{m}{n}\]

así:

    \[R=\frac{n}{m+n}P + \frac{m}{m+n} Q.\]

Punto en una recta con cierta razón
Punto en una recta con cierta razón

Veamos dos problemas en los que se usan estas ideas de vectores en geometría, en particular, la proposición de la razón.

Problema. En el triángulo ABC se toman puntos D,E,F sobre los segmentos BC,CA,AB tales que \frac{BD}{DC}=\frac{CE}{EA}=\frac{AF}{FB}=\frac{1}{4}. Muestra que ABC y DEF tienen el mismo gravicentro.

Sugerencia pre-solución. Encuentra una fórmula en términos vectoriales para el gravicentro de un triángulo ABC.

Solución. Tomemos un triángulo PQR y pensemos a sus vértices como vectores. Afirmamos que su gravicentro X es el punto correspondiente a \frac{P+Q+R}{3} Demostraremos esto.

El gravicentro está a un tercio del punto medio hacia el vértice correspondiente
Razón del gravicentro en la mediana

Primero haremos un argumento de geometría sintética. El gravicentro es por definición el punto de intersección de las medianas de un triángulo. Si L es el punto medio de QR y M es el punto medio de RP, entonces X es el punto de intersección de PL y QM. Tenemos que

    \[\frac{RL}{LQ}=1=\frac{RM}{MP},\]

así que por el teorema de Tales se tiene que la recta por L y M es paralela al lado PQ, y \frac{LM}{PQ}=\frac{1}{2}. Esto muestra que los triángulos XLM y XPQ son semejantes en razón 1 a 2. Por lo tanto, \frac{LX}{XP}=\frac{1}{2}.

Ahora hagamos el argumento vectorial, pensando a los puntos como vectores. El punto L está a la mitad de QR, así que por la proposición de la razón,

    \[L=\frac{Q+R}{2}.\]

El punto X cumple \frac{LX}{XP}=\frac{1}{2}, así que de nuevo por la proposición de la razón.

    \begin{align*}X&=\frac{2L+P}{2+1}\\&=\frac{Q+R+P}{3}\\&=\frac{P+Q+R}{3}.\end{align*}

Esto es el resultado auxiliar que queríamos mostrar. Regresemos al problema.

De acuerdo al resultado auxiliar, el gravicentro de ABC es

    \[G:=\frac{A+B+C}{3}.\]

Usando una vez más la proposición de la razón, los puntos D, E y F los podemos calcular como sigue:

    \begin{align*}D&=\frac{4B+C}{4+1}=\frac{4B+C}{5}\\E&=\frac{4C+A}{4+1}=\frac{4C+A}{5}\\F&=\frac{4A+B}{4+1}=\frac{4A+B}{5}.\end{align*}

De esta forma, el gravicentro G' de DEF lo podemos encontrar como sigue:

    \begin{align*}G'&=\frac{D+E+F}{3}\\&=\frac{\frac{4B+C}{5}+\frac{4C+A}{5}+\frac{4A+B}{5}}{3}\\&=\frac{A+B+C}{3}\\&=G.\end{align*}

Esto termina la solución del problema.

\square

Problema. En el paralelogramo ABCD el punto F es el punto medio de CD. Muestra que el segmento AF corta a la diagonal BD en un punto E tal que \frac{DE}{DB}=\frac{1}{3}.

Sugerencia pre-solución. Hay varias formas de hacer las cuentas en este problema, pero el uso de una notación adecuada te hará simplificar muchas operaciones.

Solución. Pensemos a los puntos de la figura como vectores. Coloquemos al punto A en el origen. El punto C está dado por B+D, de modo que

    \[F:=\frac{C+D}{2}=\frac{B+2D}{2}.\]

Vectores en geometría: problema de paralelogramo
Figura auxiliar para problema de paralelogramo

Para encontrar al punto E, notemos que está en las rectas AF y BD. De esta forma, deben existir reales r y s tales que

    \[E=rF\]

y

    \[E=sB+(1-s)D.\]

Expresando F en términos de B y D en la primer ecuación, tenemos que

    \[E=\frac{rB+2rD}{2}=\frac{rB}{2}+rD.\]

De ambas expresiones para E, concluimos que

    \begin{align*}s=\frac{r}{2}\\1-s=r.\end{align*}

Este sistema de ecuaciones tiene solución r=\frac{2}{3}, s=\frac{1}{3}, y por lo tanto E=\frac{B+2D}{3}. De aquí se obtiene \frac{DE}{EB}=\frac{1}{2}, o bien \frac{DE}{DB}=\frac{DE}{DE+EB}=\frac{1}{3}, como queríamos mostrar.

\square

Producto punto, norma y ángulos

Para dos vectores P=(x,y) y Q=(w,z) definimos su producto punto como la cantidad P\cdot Q = xw+yz. El productos puntos es:

  • Conmutativo: P\cdot Q = Q\cdot P
  • Abre sumas: P\cdot (Q+R)=P\cdot Q + P\cdot R
  • Saca escalares: (rP)\cdot Q = r(P\cdot Q).

La norma de P se define como \norm{P}=\sqrt{P\cdot P}, y coincide con la distancia de P al origen. La norma de PQ es entonces \norm{PQ}=\sqrt{(Q-P)\cdot (Q-P)} y coincide con la distancia de P a Q.

El ángulo entre dos vectores PQ y RS se define como el ángulo cuyo coseno es

    \[\frac{PQ \cdot RS}{\norm{PQ}\norm{RS}},\]

y coincide precisamente con el ángulo (orientado) geométrico entre las rectas PQ y RS. De esta forma, las rectas PQ y RS son perpendiculares si y sólo si el producto punto PQ\cdot RS es cero.

Problema. Sea ABC un triángulo con sus vértices pensados como vectores. Sean H y O su ortocentro y circuncentro respectivamente. Supongamos que el circuncentro O está en el origen. Muestra que H=A+B+C.

Sugerencia pre-solución. Trabaja hacia atrás. Define al punto A+B+C y ve que las rectas que unen a los vértices con este punto en efecto son alturas. Para calcular los ángulos, usa el producto punto y sus propiedades.

Solución. Como el circuncentro equidista de A. B y C, tenemos que

    \[\norm{A}=\norm{B}=\norm{C}.\]

Tomemos el punto H'=A+B+C.

Vectores en geometría para encontrar el ortocentro
Ortocentro con vectores

Calculemos el ángulo entre las rectas BC y AH', haciendo su producto punto:

(1)   \begin{align*}BC\cdot AH' &= (C-B)\cdot (H'-A)\\&=(C-B)\cdot(C+B)\\&=C\cdot C + C\cdot B - B\cdot C - B\cdot B\\&=\norm{C}^2 - \norm{B}^2\\&=0.\end{align**}

Observa que estamos usando la linealidad y conmutatividad del producto punto. Al final usamos que A y C tienen la misma norma.

Esto muestra que la recta AH' es la altura al lado BC. De manera análoga, BH' y CH' son las alturas a los lados CA y AB respectivamente. Por lo tanto, H' es el ortocentro, así que H=A+B+C.

\square

Cualquier triángulo ABC en el plano se puede trasladar para que su circuncentro O quede en el origen. El ortocentro estará en H=A+B+C y el gravicentro, como vimos antes, en G=\frac{A+B+C}{3}, que es un múltiplo escalar de H. Por lo tanto, O, H y G están alineados. Acabamos de demostrar con vectores en geometría un clásico resultado euclideano.

Teorema (recta de Euler). En cualquier triángulo ABC, el circuncentro O, el gravicentro G y el ortocentro H están alineados. Además,

    \[\frac{OG}{GH}=\frac{1}{2}.\]

Teorema de la recta de Euler
Teorema de la recta de Euler

Si el circuncentro no está en el origen, ahora podemos usar el teorema de la recta de Euler y la proposición de la razón para concluir que G=\frac{2O+H}{3}. Usando que G=\frac{A+B+C}{3}, obtenemos el siguiente corolario

Corolario. Sea ABC un triángulo en el plano, H su ortocentro y O su circuncentro. Entonces al pensar a los puntos como vectores tenemos que

    \[A+B+C=2O+H.\]

Más problemas

Puedes encontrar más problemas del uso de vectores en geometría en la sección 8.3 del libro Problem Solving through Problems de Loren Larson.

Álgebra Lineal I: Producto interior y desigualdad de Cauchy-Schwarz

Introducción

Anteriormente, platicamos acerca de formas bilineales y de formas cuadráticas. Ahora veremos un tipo de formas bilineales especiales: las positivas y las positivas definidas. Las formas positivas definidas nos ayudan a definir qué es un producto interior. Esta es una noción fundamental que más adelante nos ayudará a definir distancias y ángulos.

Formas bilineales positivas y positivas definidas

Para hablar de geometría en espacios vectoriales, la siguiente noción es fundamental. Es importante notar que es una definición únicamente para formas bilineales simétricas.

Definición. Sea b:V\times V\to \mathbb{R} una forma bilineal simétrica.

  • Diremos que b es positiva si b(x,x)\geq 0 para todo vector x de V.
  • Diremos que b es positiva definida si b(x,x)>0 para todo vector x\neq 0 de v.

Tenemos una noción análoga para formas cuadráticas.

Definición. Sea q:V\to \mathbb{R} una forma cuadrática con forma polar b. Diremos que q es positiva si b lo es, y diremos que es positiva definida si b lo es.

Ejemplo. Como ya vimos antes, el producto punto de \mathbb{R}^n es una forma bilineal simétrica. También es positiva definida, pues si tenemos x=(x_1,\ldots,x_n), tenemos que

    \[x\cdot x =  x_1^2+\ldots+x_n^2\geq 0,\]

y esta es una igualdad si y sólo si x_1=\ldots=x_n=0, lo cual sucede si y sólo si x=0.

\square

Ejemplo. Considera V=\mathbb{R}_2[x] y consideremos la forma bilineal b dada por

    \[b(p,q)=p(0)q(1)+p(1)q(0).\]

Esta es una forma bilineal simétrica pues

    \begin{align*}b(p,q)&=p(0)q(1)+p(1)q(0)\\&=q(0)p(1)+q(1)p(0)\\&=b(q,p).\end{align*}

Notemos que

    \[b(p,p)=2p(0)p(1),\]

que no necesariamente es positivo. Por ejemplo, si tomamos el polinomio p(x)=x-\frac{1}{2}, tenemos que

    \begin{align*}b(p,p)&=2p(0)p(1)\\&=-2\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{2}\\&=-\frac{1}{2}.\end{align*}

Así, esta es una forma bilineal simétrica, pero no es positiva (y por lo tanto tampoco es positiva definida).

\square

Problema. Considera la forma cuadrática Q en M_{2}(\mathbb{R}) que suma el cuadrado de las entradas de la diagonal de una matriz, es decir, aquella dada por

    \[Q\begin{pmatrix} a & b\\c & d\end{pmatrix}=a^2+d^2.\]

Determina su forma polar y si es positiva o positiva definida.

Solución. Para encontrar la forma polar B de Q, usamos la identidad de polarización

    \begin{align*}B&\left(\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix},\begin{pmatrix} e & f\\ g & h \end{pmatrix}\right)\\&=\frac{(a+e)^2+(d+h)^2-a^2-e^2-d^2-h^2}{2}\\&=\frac{2ae+2dh}{2}\\&=ae+dh.\end{align*}

Como Q\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}=a^2+d^2\geq 0, tenemos que Q (y B) son positivas. Sin embargo, Q no es positiva definida (ni B), pues por ejemplo,

    \[Q\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix} = 0.\]

Producto interior

Estamos listos para definir aquellos espacios sobre los que podemos hacer geometría.

Definición. Sea V un espacio vectorial sobre \mathbb{R}

  • Un producto interior en V es una forma bilineal simétrica y positiva definida.
  • Decimos que V es un espacio Euclideano si es de dimensión finita y está equipado con un producto interior.

Estamos siguiendo la convención del libro de Titu Andreescu, en donde es importante pedir que V sea de dimensión finita para ser Euclideano.

Cuando estamos hablando de espacios con producto interior, o de espacios Euclideanos, tenemos una forma bilineal simétrica y positiva definida b. Sin embargo, en vez de usar constantemente b(x,y), para simplificar la notación usaremos simplemente \langle x, y\rangle.

Definición. Si V es un espacio con producto interior \langle \cdot,\cdot \rangle, definimos la norma de un vector x como

    \[\Vert x \Vert =\sqrt{\langle x, x \rangle}.\]

Ejemplo. Como dijimos arriba, el producto punto en \mathbb{R}^n es una forma bilineal simétrica, así que es un producto interior. Como \mathbb{R}^n es de dimensión finita, entonces es un espacio Euclideano.

La norma de un vector x=(x_1,\ldots,x_n) está dada por \Vert x \Vert = \sqrt{x_1^2+\ldots+x_n^2}, y geométricamente se interpreta como la distancia de x al origen.

Un ejemplo más concreto es \mathbb{R}^4, en donde la norma del vector (1,2,3,1) es \sqrt{1^2+2^2+3^2+1^2}=\sqrt{15}.

\square

La notación de producto interior quizás te recuerde la notación que se usa cuando hablamos de dualidad. Sin embargo, es muy importante que distingas los contextos. En el caso de dualidad, tenemos

    \[\langle \cdot, \cdot \rangle: V^\ast\times V \to \mathbb{R},\]

y en este contexto de producto interior tenemos

    \[\langle \cdot, \cdot \rangle: V\times V \to \mathbb{R}.\]

Más adelante, puede que te encuentres en tu preparación matemática con el teorema de representación de Riesz, a partir del cual tendrá sentido que se use la misma notación.

Desigualdad de Cauchy-Schwarz

A continuación presentamos un resultado fundamental es espacios con formas bilineales positivas y positivas definidas.

Teorema (desigualdad de Cauchy-Schwarz). Sea b:V\times V\to \mathbb{R} una forma bilineal simétrica y q su forma cuadrática asociada.

  • Si b es positiva, entonces para todo x y y en V tenemos que

        \[b(x,y)^2\leq q(x)q(y).\]

    Si x y y son linealmente dependientes, se alcanza la igualdad.
  • Además, si b es positiva definida y x y y son linealmente independientes, entonces la desigualdad es estricta.

Demostración. Supongamos primero solamente que b es positiva. Consideremos la función f:\mathbb{R}\to \mathbb{R} dada por f(t)=q(x+ty). Como q es forma cuadrática positiva, tenemos que f(t)\geq 0 para todo real t. Por otro lado, expandiendo y usando que b es simétrica, tenemos que

    \begin{align*}f(t)&=q(x+ty)\\&=b(x+ty,x+ty)\\&=b(x,x)+2b(x,y)\cdot t + b(y,y) \cdot t^2\\&=q(x) + 2b(x,y)\cdot t + q(y) \cdot t^2.\end{align*}

En esta expresión, q(x), 2b(x,y) y q(y) son reales, así que f(t) es un polinomio cuadrático en t. Como f(t)\geq 0 para todo t en \mathbb{R}, el discriminante de este polinomio es no positivo, en otras palabras,

    \[(2b(x,y))^2-4q(x)q(y)\leq 0.\]

Sumando 4q(x)q(y) y dividiendo entre 4 ambos lados de la desigualdad, obtenemos que

    \[b(x,y)^2\leq q(x)q(y),\]

la cual es la desigualdad que queremos.

Si x y y son linealmente dependientes, podemos despejar a uno en términos del otro. Sin perder generalidad, podemos suponer que x=\alpha y. En este caso,

    \[b(\alpha y,y)^2=\alpha^2 b(y,y)=q(\alpha(y))q(y),\]

así que se da la igualdad.

Ahora, supongamos además que b es positiva definida y que se da la igualdad. Si esto sucede, el discriminante del polinomio cuadrático de arriba es igual a 0 y por lo tanto el polinomio tiene una raíz t. En otras palabras, q(x+ty)=0. Pero como q es positiva definida, esto implica que x+ty=0, de donde x y y son linealmente dependientes. Así, si x y y son linealmente independientes, tenemos que la desigualdad es estricta.

\square

El siguiente caso particular es uno de los más importantes y los más usados, por lo cual amerita que lo enunciemos separadamente.

Corolario. Sea V un espacio vectorial sobre \mathbb{R} equipado con un producto interior \langle \cdot, \cdot \rangle. Para cualesquiera x,y en V se cumple |\langle x, y \rangle| \leq \Vert x \Vert \cdot \Vert y \Vert.

Puede que te preguntes por qué enfatizamos los resultados de desigualdades. En varias partes de tu formación matemática trabajarás con espacios vectoriales en donde quieres hacer cálculo. Ahí, se define la convergencia y los límites en términos de una norma. Las desigualdades que probemos para espacios vectoriales son útiles para cuando se quiere demostrar la validez de ciertos límites. Más adelante mencionaremos algunas cosas adicionales al respecto.

Tarea moral

Los siguientes ejercicios no forman parte de la evaluación del curso, pero te servirán para entender mucho mejor los conceptos vistos en esta entrada, así como temas posteriores.

  • Considera la función q(w,x,y,z)=wx+yz. Muestra que es una forma cuadrática en \mathbb{R}^4. Encuentra su forma polar y determina si es una forma cuadrática positiva y/o positiva definida.
  • Muestra que

        \[q(w,x,y,z)=x^2+y^2+z^2+xy+yz+zx\]

    es una forma cuadrática en \mathbb{R}^4 y determina si es positiva y/o positiva definida.
  • Considera V=\mathcal{C}[0,1] el espacio vectorial de funciones continuas en el intervalo [0,1]. Muestra que

        \[\langle f,g\rangle = \int_0^1 f(x)g(x)\, dx\]

    define un producto interior en V. ¿Es V un espacio Euclideano? Determina la norma de la función f(x)=x^3.
  • Sea V=\mathbb{R}_2[x] el espacio vectorial de polinomios con coeficientes reales y de grado a lo más 1. Muestra que

        \[\langle p,q\rangle = p(0)^2+p(1)^2+p(2)^2\]

    hace a V un espacio Euclideano.