Geometría Analítica I: Intersección de rectas

Introducción

En entradas anteriores hemos definido las rectas en formas distintas y hemos realizado algunos ejercicios. El siguiente paso en nuestro curso es buscar el punto de intersección de dos rectas, pues sabemos (por lo que hemos discutido) que si dos rectas no son paralelas, entonces estas se intersectan en algún punto. Buscamos esto ya que no hay que olvidar nuestro objetivo principal, el mostrar todos lo enunciado por Euclides en su geometría.

El procedimiento de esta entrada será un poco particular pues antes de comenzar con el tema principal, discutiremos el paralelismo, sin embargo interrumpiremos momentáneamente este tema para razonar cómo es que se encuentra la intersección de dos rectas $l_1$ y $l_2$. De manera intuitiva, podemos imaginar que el punto de intersección de dos rectas es aquel que cumple con la ecuación de cada una al mismo tiempo ; esta idea será nuestra guía para desarrollar la teoría. Una vez que hayamos razonado este tema, volveremos para concluir la parte de paralelismo.

Paralelismo

Iniciemos entonces hablando de cuando dos rectas no se intersectan, esto es que sean paralelas.

Definición. Dos rectas $l_1$ y $l_2$ $\in \mathbb{R}^2$ son paralelas, si no se intersectan, esto es que

$L_1 \cap l_2 = \emptyset$

donde $\emptyset$ denota al conjunto vacío. Denotaremos dos rectas paralelas como $l_1 \parallel l_2$.

Pero no sólo dos rectas pueden ser paralelas; seguramente mientras leías estas últimas palabras, pensabas en los planos que es análogo a la definición anterior, sin embargo me refiero a los vectores.

Definición. Dados dos vectores $u,v \in \mathbb{R}^2$ distintos de $0$, decimos que $u$ es paralelo a $v$ si existe un número real $t$ tal que

$u=tv$

Denotaremos el paralelismo entre dos vectores como $u \parallel v$.

A partir de estas dos definiciones podemos enunciar el siguiente lema, pero aún no tenemos la experiencia suficiente para demostrarlo de manera completa. Por ahora, enunciémoslo y demostremos la parte que nos es posible.

Lema. Dos rectas diferentes en forma paramétrica

$l=\{ p+rq : r \in \mathbb{R} \}$ y $m= \{ u+sv : r \in \mathbb{R} \}$

son paralelas si y sólo si los vectores directores $q$ y $v$ son paralelos.

Demostración.

«Regreso»: Comencemos suponiendo que los vectores son paralelos por lo que debemos demostrar que $l\cap m =\emptyset$.

Si $q$ y $v$ son paralelos, entonces existe un $t \in \mathbb{R}$ tal que

$q=tv$

Si suponemos que la intersección es no vacía (dem. por contradiccióon), entonces tendríamos un punto perteneciente a las dos rectas, esto es

$u+sv=p+rq$

Para algún $s$ y algún $r$. Recordemos que por hipótesis $q=tv$, por lo que al sustituir este valor en la igualdad anterior tenemos

$u+sv=p+r(tv)$

Utilizando los axiomas de los reales podemos acomodar esta igualdad a nuestra conveniencia

$u-p=rtv-sv$

Al despejar $p$ tenemos que

\begin{align*}
p&=u-rtv+sv \\
&=u-v(rt-s)
\end{align*}

Al sustituir $p$ y $q$ en la definición de la recta $l$ obtenemos que

\begin{align*}
l&=\{ ((u-v(rt-s))+r(tv) : r,s,t \in \mathbb{R} \} \\
&=\{ u-rtv+sv+rtv : r,s,t \in \mathbb{R} \} \\
&= \{ u+sv-rtv+rtv : r,s,t \in \mathbb{R} \} \\
&= \{ u+sv : s \in \mathbb{R} \}
\end{align*}

$\Rightarrow l=m$

Pero esto es una contradicción ya que claramente al inicio de este lema se menciona que $l \neq m$.

$\therefore$ si $q$ y $v$ son paralelos, entonces $l \parallel m$ pues al suponer que $l \cap m \neq \emptyset$, llegamos a una contradicción.

«Ida»: Aunque parece extraño, aquí es cuando debemos de cortar con el tema de paralelismo e indagar un poco sobre la intersección de rectas pues es necesario lo que trataremos a continuación para poder concluir nuestra demostración.

$\dots$

Intersección de rectas

De manera intuitiva sabemos que dos rectas no paralelas se intersectan en un punto. En esta parte de la entrada, queremos encontrar ese punto.

Antes de estudiar el procedimiento general, realicemos un ejemplo para obtener una visión de lo que nos espera.

Ejemplo:

Tomemos dos rectas en su forma paramétrica dadas por

$l_1=\{ (2,-8)+r(7,-3) : r \in \mathbb{R} \}, \text{ } l_2={ (7,-4)+s(1,2) : s \in \mathbb{R} }$

Nuestro objetivo en este ejemplo es encontrar el punto $p$ en el cual $l_1$ y $l_2$ se intersectan, esto es el punto que cumpla ambas ecuaciones

\begin{align*}
(2,-8)+r(7,-3)&=p=(7,-4)+s(1,2) \\
\Rightarrow 2,-8)+r(7,-3)&=(7,-4)+s(1,2)
\end{align*}

Al juntar los terminos que contienen un parámetro de un lado del igual y aquellos que son puntos definidos del otro y desarrollar obtenemos

\begin{align*}
(2,-8)-(7,-4)&=s(1,2)-r(7,-3) \\
\Leftrightarrow (2-7,-8+4)&=(s-7r,2s+3r) \\
\Leftrightarrow (-5,-4)&=(s-7r,2s+3r)
\end{align*}

Dado que son vectores que queremos sean iguales, entonces deben ser iguales entrada a entrada; por lo que tenemos un sistema de ecuaciones

\begin{cases}
-5=s-7r \dots (a)\\
-4=2s+3r \dots (b)
\end{cases}

Afortunadamente, ya sabemos como resolver sistemas de ecuaciones. En este caso en especial, podemos multiplicar la ecuación $a$ por $-2$ para obtener $10=-2s+14r$ y sumar este resultado a la ecuación $b$:

\begin{align*}
10&=-2s+14r\\
-4&=2s+3r \\
\hline
6&=17r
\end{align*}

$\Rightarrow r=\frac{6}{17}$

Ya que obtuvimos el valor de $r$, podemos sustituirlo en alguna de las ecuaciones principales para obtener $s$ y obtenemos su valor

$s=\frac{-43}{17}$

Usando cualquiera de los dos valores, encontramos que el punto de intersección es

$(2,-8+\frac{6}{17}(7,-3)\approx (4.4705,-9.0588)\approx (7,-4)+\frac{-43}{17}(1,2)$

Procedimiento general

Usemos como base el ejemplo pasado para establecer un procedimiento general para enconrar el punto de intersección de dos rectas.

Comencemos con las rectas

$l_1={ (p_1,p_2)+r(q_1,q_2) : r \in \mathbb{R} }, \text{ } l_2={ (u_1,u_2)+s(v_1,v_2) : s \in \mathbb{R} }$

Con base en el ejemplo, el siguietne paso es establecer un punto digamos $w$ que cumpla ambas ecuaciones

\begin{align*}
(p_1,p_2)+r(q_1,q_2)&=w=(u_1,u_2)+s(v_1,v_2) \\
(p_1,p_2)+r(q_1,q_2)&=(u_1,u_2)+s(v_1,v_2)
\end{align*}

Colocamos de un lado del igual los elementos que se multiplican por un parámetro y lo demás del otro lado y desarrollamos

\begin{align*}
r(q_1,q_2)-s(v_1,v_2)&=(u_1,u_2)-(p_1,p_2) \\
(rq_1-sv_1,rq_2-sv_2)&=(u_1-p_1,u_2-p_2)
\end{align*}

Como tenemos la igualdad de dos vectores, deben ser iguales entrada a entrada, esto es

\begin{cases}
rq_1-sv_1= u_1-p_1 \dots (a)\\
rq_2-sv_2= u_2-p_2 \dots (b)
\end{cases}

En este punto, debemos solucionar el sistema de ecuaciones de manera general, para lo cual multiplicaremos $(a)$ por $q_2$ y $(b)$ opr $q_1$ y restaremos las expresiones resultantes

\begin{align*}
rq_1q_2-sv_1q_2&=u_1q_2-p_1q_2 \\
rq_2q_1-sv_2q_1&=u_2q_1-p_2q_1\\
\hline
sv_2q_1-sv_1q_2&=u_1q_2-p_1q_2-u_2q_1+p_2q_1
\end{align*}
A partir de esta última expresión podemos despejar el parámetro $s$ para obtener

$s=\frac{u_1q_2-p_1q_2-u_2q_1+p_2q_1}{v_2q_1-v_1q_2}$

Notemos que $s$ se puede indefinir si $v_2q_1-v_1q_2=0$, esto es que

$v_2q_1=v_1q_2$

pero la única manera de que esto suceda es si $l_1 \parallel l_2$, que no es el caso que estamos tratando. Por lo tanto, el sistema siempre tiene solución. Así, el punto de intersección $w$ está dado por

\begin{align*}
w&=(u_1,u_2)+s(v_1,v_2) \\
&=(u_1,u_2)+\frac{u_1q_2-p_1q_2-u_2q_1+p_2q_1}{v_2q_1-v_1q_2}(v_1,v_2)
\end{align*}

Es posible encontrar el punto $w$ al encontrar el valor del parámetro $r$ y es de manera análoga a lo que cabamos de realizar.

Recapitulemos ligeramente lo que acaba de pasar, pues acabamos de demostrar la parte faltante del lema enunciado en la sección de paralelismo. Por lo descrito arriba, resulta que si las rectas son paralelas, entonces no hay un punto de intersección, esto es que el sistema de ecuaciones no tiene solución, pero esto pasa solamente si los vectores son paralelos.

$\square$

Podemos enunciar esto último como una proposición.

Proposición. Si los vectores directores de dos rectas en su forma paramétrica no son paralelos, entonces las rectas se intersectan.

Continuación paralelismo

Concluyamos esta entrada con la teoría faltante de paralelismo.

Teorema. Dada una recta $l \in \mathbb{R}^2$ y un punto $p$ fuera de ella, siempre existe una recta $m$ que pasa por $p$ y es paralela a $l$.

Demostración.

Sea la recta $l$ en su forma paramétrica

$l=\{ u+rv : r \in \mathbb{R} \}$

Proponemos a la recta

$m=\{ p+rv : r \in \mathbb{R} \}$

como una recta que pasa por $p$ y es paralela a $l$. Por como $m$ está definida, esta recta cumple que pasa por $p$. Además, sabemos que $1\dot v=v$, por lo que (por definición de vectores paralelos) $v$ es paralelo a $v$ y esto implica que $m$ es paralela a $l$ (por el lema).

$\therefore$ Existe una recta que pasa por $p$ y es paralela a $l$.

El siguiente corolario es lo última de esta entrada y la demostración se deja como tarea moral ya que hemos desarrolado las herramientas suficientas para probarlo.

Corolario. Dada una recta $l$ y $p$ un punto fuera de ella, la recta que pasa por $p$ y es paralela a $l$ es única.

Tarea moral

  • En el desarrollo general para encontrar la intersección de dos rectas, existe un caso en el que el sistema de ecuaciones no tiene solución, esto es cuando $v_2q_1=v_1q_2$. Justifica porqué este caso no es posible si dos rectas se intersectan.
  • Encuentra el parámetro $r$ en esta la sección antes mencionada, para encontrar a $w$ en términos de la otra recta.
  • Demuestra el corolario.
  • Encuentra las intersecciones de las rectas
    • $l_1=\{ (3,2)+t(2,0) : t \in \mathbb{R} \}$
    • $l_2=\{ (5,1)+s(-4,3) : s \in \mathbb{R} \}$
    • $l_3=\{ (-6,-1)+r(0,-7) : r \in \mathbb{R} \}$
  • Prueba que las rectas $l=\{(-1,5)+t(4,-2) : t \in \mathbb{R}\}$ y $m=\{ (0,2)+s(-20,10) : s \in \mathbb{R} \}$

Más adelante…

En esta entrada tratamos la intersección de rectas en su forma paramétrica, conforme avancemos en el curso, hablaremos de la recta en otras formas a partir de las cuales también nos será posible encontrar la intersección entre rectas.

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