Geometría Analítica I: Rectas y planos en el espacio

Introducción

Hasta ahora, describimos la recta de distintas maneras en el espacio $\mathbb{R}^2$. A partir de esto, es posible ampliar esas definiciones de recta al espacio $\mathbb{R}^n$, en especial a $\mathbb{R}^3$. Para este último caso, de manera escrita lo único que tendríamos que hacer sería establecer los puntos que definen a la recta dentro de $\mathbb{R}^3$; en la parte geométrica, estamos agregando una dimensión más al graficar, por lo que tenemos más opciones aún.

En esta entrada ampliaremos esas definiciones de recta al espacio vectorial $\mathbb{R}^3$ y el siguiente paso será definir el plano en este mismo espacio a partir de las definiciones mencionadas al inicio de este párrafo.

Rectas en $\mathbb{R}^3$

Comencemos esta entrada redefiniendo la recta en el espacio $\mathbb{R}^3$ a partir de las dos definiciones que tenemos de este elemento hasta ahora.

Definición. Una recta en forma paramétrica en $\mathbb{R}^3$ consiste de tomar un punto $P \in \mathbb{R}^3$ y otro punto (o vector) dirección $Q \in \mathbb{R}^3$ y considerar el conjunto

$L=\{ P+rQ : r \in \mathbb{R} \}$

Definición. Una recta en forma baricéntrica en $\mathbb{R}^3$ consta de tomar puntos distintos $P$ y $Q$ $\in \mathbb{R}^3$ y considerar al conjunto

$L=\{ rP+sQ : r,s \in \mathbb{R}, r+s=1 \}$

En el siguiente interactivo ponle Play a los delizadores para comprender mejor estas dos definiciones de recta en el espacio. Nota que $C$ es la definición paramétrica de la recta, cuyo parámetro es $a$; mientras que $F$ es la recta en forma baricéntrica que pasa por los puntos $A$ y $E$.

Si bien los deslizadores en este interactivo sólo corren de$-2$ a $2$, recuerda que tanto $a$ como $b$ $\in \mathbb{R}$.

En esta entrada comenzamos generalizando las definiciones de recta al espacio $\mathbb{R}^3. Por lo que (siguiendo esta lógica), el siguiente paso es plantear y trabajar la idea de un plano en el espacio.

Plano en forma paramétrica

Si el considerar un punto en $\mathbb{R}^3$ al cual se le suman multiplos de un punto director (también en $\mathbb{R}^3$) obtenemos una recta en este espacio, ¿entonces qué necesitamos para describir un plano en el espacio?

Definición. Un plano en forma paramétrica en $\mathbb{R}^3$ consiste de tomar un punto $P \in \mathbb{R}^3$ y dos puntos dirección $Q, R \in \mathbb{R}^3$ y considerar el conjunto

$\Pi = \{ P+rQ+sR : r,s \in\mathbb{R} \}$

Para continuar, analicemos esta definición por partes con ayuda de lo que hemos descrito hasta ahora en esta entrada. Al tomar $r$ fijo en la parte de la definición dada por $rQ+sR$, obtenemos una recta que pasa por $rQ$ con dirección $R$; . De manera análoga, al tomar $s$ fijo, obtenemos una recta que para por $sR$ y tiene dirección $Q$.

Tomando a $Q=(-2,5,1)$ y a $R=(3,4,5)$ como ejemplo, usa los deslizadores en el siguiente interactivo para notar qué pasa cuando fusionas las dos ideas que acabamos de discutir, al establecer un punto $C=rQ+sR$ (con $r$ y $s$ en $\mathbb{R}$).

Ojalá hayas notado que al dejar correr ambos deslizadores, el rastro del punto $C$ describe un plano que claro pasa por $Q$ y $R$, pero pasa por otro punto definido más. Dentro del mismo interactivo, utiliza la herramienta Plano por tres puntos para definir el plano del que hablamos; deja correr los deslizadores y confirma con esto que el rastro de $C$ es este plano.

Para continuar con nuestro análisis, agreguemos la parte faltante al conjunto $\Pi$, el punto $P$. Ojalá recuerdes que en la descripción paramétrica de una recta, el punto que no tiene un parámetro multiplicando es el punto por el que pasa la recta, si ese punto no está, significa que la recta pasa por el origen. Esta idea se repite análogamente en el caso del plano.

En el análisis que acabamos de realizar, el plano descrito por $rQ+sR$, es el plano que tiene como dirección a $Q$ y a $R$ y además pasa por el origen. Al agregar $P$ a la expresión, lo que se obtiene es un plano paralelo al descrito anteriormente, pero esta vez pasa por $P$, es decir, a cada punto del plano $rQ+sR$ se le sumará el punto fijo $P$.

Plano en forma baricéntrica

Continuemos con la lógica que hemos seguido hasta ahora, con lo cual el siguiente paso es definir el plano en forma baricéntrica.

Definición. Un plano en forma baricéntrica en $\mathbb{R}^3$ consta de tomar los puntos $P$, $Q$, y $R$ y considerar el conjunto

$\Pi= \{ pP+qQ+rR : p,q,r \in \mathbb{R}$ y $p+q+r=1 \}$

Al definir el plano de esta manera, lo que debes imaginar es algo distinto a la primera definición que establecimos. Piensa a $\Pi$ como un plano que pasa por los puntos $P$, $Q$ y $R$.

El siguiente interactivo sólo es la ilustración de un plano en su forma baricéntrica.

Ahora que ya definimos de maneras distintas el plano en el espacio, lo más natural sería encontrar la equivalencia entre estas dos definiciones así como lo vimos al hablar de la recta, sólo que en este caso lo formalizaremos con una proposición.

Relación entre las expresiones de un plano

Proposición. Todo plano en forma paramétrica puede expresarse en forma baricéntrica y viceversa.

Lo que nos gustaría hacer para la demostración, sería mostrar que siempre se pueden encontrar $P’$, $Q’$ y $R’$ con los cuales se puede definir un plano en forma baricéntrica de tal manera que ese conjunto sea el mismo que el conjunto que define a un plano en forma paramétrica.

Demostración.

Parte 1: Partamos de un plano en su forma paramétrica al tomar $P,Q,R \in \mathbb{R}^3$ tal que

$\Pi=\{ P+rQ+sR :r,s \in \mathbb{R} \}$

En esta parte de la demostración, nuestro objetivo es encontrar tres puntos en $\Pi$ muy específicos con los cuales podemos describir el mismo plano pero en su forma baricéntrica.

Por lo anterior y yendo directo al grano, busquemos dos puntos en el plano. Si bien podemos escoger cualesquiera valores de $r$ y $s$ para determinar ciertos puntos en el plano, facilitaremos el álgebra al escoger casos particulares de valores para $r$ y $s$ y así obtener tres puntos «prácticos» en el plano que nos servirán para la forma baricéntrica de este. Los valores de los parámetros no serán tomados de manera aleatoria. Por lo que discutimos anteriormente, podemos definir ciertos puntos (en nuestra demostración $P$’, $Q$’ y $R$’) como combinaciones lineales puntuales de $P$, $Q$, $R$.

  1. El caso más sencillo es tomar $r=s=0$ y así obtener el punto $P$’$=P \in \Pi$.
  2. Si ahora $r=0$ y $s=1$, tenemos $R$’$=P+R$
  3. Y si $r=1$ y $s=0$, obtenemos $Q$’$=P+Q$

Ya que tenemos estos 3 puntos en $\Pi$, podemos definir el plano en su forma baricéntrica:

$\Pi$’$=\{pP$’$+qQ$’$+rR$’$ : p,q,r \in \mathbb{R}\}$

Para continuar, afirmamos que $\Pi=\Pi$’, y para comprobarlo, tenemos que checar que cada elemento en $\Pi$, está en $\Pi$’. La manera más sencilla de hacerlo, es tomar un elemento genérico de $\Pi$ (i.e. un elemento que «represente» a todos) y mostrar que está en $\Pi$’.

Tomemos un elemento de $\Pi$, es decir un vector de la forma $P+rQ+sR$.

Por Demostrar: Existen $a,b,c \in \mathbb{R}$, tales que $a+b+c=1$ y además

$P+rQ+sR=aP$’$+bQ$’$+cR$’

Encontremos entonces los valores de $a$,$b$, $c$.

Al sustituir los elementos primados, tenemos

\begin{align*}
P+rQ+sR&=aP+b(P+Q)+c(P+R) \\
&=aP+bP+bQ+cP+cR\\
&=(a+b+c)P+bQ+cR
\end{align*}

$\Rightarrow P+rQ+sR= (a+b+c)P+bQ+cR$

La igualdad nos lleva a un sistema de ecuaciones a partir del cual podremos obtener los valores de $a$, $b$, y $c$ para que esta se cumpla

\begin{align*}
a+b+c&=1 \\
b&=r \\
c&=s
\end{align*}

La primera condición ya cumple algo que queríamos y además, podemos despejar a $a=1-b-c$, que gracias a las otras igualdades que tenemos, conocemos su valor en términos de $r$ y $s$

$a=1-r-s$

Por lo que

$P+rQ+sR=(1-r-s)P+r(P+Q)+s(P+R)$

tal que $(1-r-s)+r+s=1$.

Hasta aquí, lo que hemos demostrado es que cualquier elemento en $\Pi$ lo podemos escribir como un elemento en $\Pi$’, esto es que $\Pi \subseteq Pi$’. Lo que sigue es realizar el camino contrario.

Ahora, lo que queremos es demostrar que $\Pi$’$\subseteq Pi$; para lo cual partiremos de un elemento en $\Pi$’ y buscaremos llegar a un elemento en $\Pi$.

Tomemos un elemento en $\Pi’$, esto es que es de la forma

$aP$’$+bQ$’$+cR$’$=aP+b(P+Q)+c(P+R)$

con $a+b+c=1$. Por medio de álgebra, queremos llegar a una expresión que represente un elemento de $\Pi$

\begin{align*}
aP+b(P+Q)+c(P+R) &= \\
&=aP+bP+bQ+cP+Cr \\
&=(a+b+c)P+bQ+cR \\
\end{align*}

Pero por hipótesis, $a+b+c=1$, por lo que

$=P+bQ+cR$

que efectivamente está en $\Pi$, pues es un elemento de la forma $P+rQ+sR$. Por lo que $\Pi$’ $\subseteq \Pi$.

$\therefore$ $\Pi \subseteq \Pi$’ y $\Pi$’ $\subseteq Pi$, entonces $\Pi=\Pi$’. Nota que concluimos esto partiendo de un plano en su forma paramétrica y al hacer el caso de la forma baricéntrica, utilizamos los puntos definidos a partir de la primera forma mencionada.

Parte 2. Para la parte 2, sólo te dare algunos consejos para que completes la demostración, pues es bastante parecida a lo que hicimos en la parte 1. Primero, tienes que partir del plano en su forma baricéntrica, es decir

$\Pi=\{ pP+qQ+rR : p+q+r=1 \text{ con }p,q,r \in \mathbb{R} \}$

Y buscar los puntos $P$’, $Q$’ y $R$’ tales que al tomar $P$’ como punto base y $Q$’ y $R$’ como direcciones, obtengas que $\Pi=\Pi’$.

Si realizas el procedimiento de la manera correcta, llegarás a que los puntos son :

\begin{align*}
P&=P’ \\
Q’&=Q-P \\
R’&=R-P
\end{align*}

Al completar esta segunda parte, entonces la demostración estará completa.

$\square$

Dimensiones mayores a 3

Para cerrar esta entrada, enunciaremos algunas definiciones que nos ayudarán en un futuro a definir cosas más complejas.

Definición. Sean $u_1$, $u_2$, $\dots$, $u_k$ puntos en $\mathbb{R}^n$. Sean $s_1$, $s_2$, $\dots$, $s_k$ números reales. A una expresión de la forma

$s_1u_2+s_2u_2+\dots+s_ku_k$

le llamamos una combinación lineal de $u_1$, $u_2$, $\dots$ $u_k$.

Ejemplo: Sea el espacio $\mathbb{R}^5$, una combinaión lineal en este es

$-5(3,1,0,-2,7)+2(-3,6,8,1,9)+(-3)(3,9,0,-1,-2)$

Definición. A una combinación lineal en donde los coeficientes suman $1$, le llamamos una combinación afín. Esto es que

$s_1+s_2+\dots+s_k=1$

Ejemplo: La combinación del ejemplo anterior no es afín, pues

$-5+2+(-3)=-5+2-3=-8+2=-6 \neq 1$

Sin embargo, podemos obtener una combinación afín con los mismos vectores.

$-4(3,1,0,-2,7)+2(-3,6,8,1,9)+3(3,9,0,-1,-2)$

Es una combinación afín, pues

$-4+2+3=-4+5=1$

Definición. Al conjunto de todas las combinaciones lineales de ciertos vectores dados $u_1$, $u_2$, $\dots$ $u_k$ $\in \mathbb{R}^n$ se le conoce como el subespacio generado por $u_1$, $u_2$, $\dots$ $u_k$ y lo denotamos como

$\braket{u_1, u_2, \dots, u_k}$

esto es

$\braket{u_1, u_2, \dots, u_k}=\{ s_1u_2+s_2u_2+\dots+s_ku_k : s_1, \dots, s_k \in \mathbb{R} \}$

Veamos dos ejemplos de esta definición.

Ejemplo 1: Sea $v_1 \in \mathbb{R}^2$, $v_1 \neq 0$, el espacio generado por este vector es

$\braket{v_1}=\{ s_1v_1 : s_1 \in \mathbb{R} \}$

Ejemplo 2: Sea $v_1, v_2 \in \mathbb{R}^2$, $v_1 \neq 0$ y $v_2 \neq 0$, el espacio generado es

$\braket{v_1,v_2} = \{s_1v_1+s_2v_2 : s_1, s_2 \in \mathbb{R}\}$

Cerremos esta entrada con una última definición y su respectivo ejemplo.

Definición. Si $A$ es un subconjunto de $\mathbb{R}^n$y $p$ es un vector en $\mathbb{R}^n$, entonces el traslado de $A$ por el vector $p$ es el conjunto

$A+p=p+A= \{ x+p : x \in A \}$

Esta última definición nos es de utilidad para pasar de una recta o un plano que pasa por el orígen a otro que pasa por cualquier punto $p$.

Ejemplo: Sea $\Pi=\{r(5,3,2)+s(-1,7,0): s,r \in mathbb{R}$ el plano que pasa por el origen y que tiene como vectores directores a $(5,3,2$ y $(-1,7,0)$. Entonces el traslado de $\Pi$ por $p=(-2,3,9)$ es el conjunto

\begin{align*}
p+\Pi&=\Pi+p=\Pi+(-2,3,9) \\
&=\{r(5,3,2)+s(-1,7,0)+(-2,3,9): s,r \in \mathbb{R}\}
\end{align*}

Tarea moral

  • En el párrafo siguiente a la definición de un plano en el espacio:
    • ¿Cuál es el parámetro de la recta descrita al tomar $r$ fijo?
    • ¿Cuál es el parámetro de la recta descrita al tomar $s$ fijo?
  • Completa el interactivo de la sección Plano en el espacio al dibujar el plano definido por los puntos $Q$ y $R$ del interactivo y $P=(-3,2-6)$. Estarás en lo correcto si el plano que obtienes es paralelo al definido por $Q$, $R$ y el origen.
  • Completa la demostración de la proposición que trata la equivalencia entre las definiciones de plano en el espacio.
  • ¿Qué espacio geométrico define el primer ejemplo de subespacio generado? ¿y el ejemplo 2?
  • Da una expresión paramétrica para el plano que pasa por los puntos $P=(1,2,0)$, $Q=(1,0,1)$ y $R=(-1,0-2)$.

Más adelante

Con lo desarrollado en esta entrada seremos capaces de definir ciertos lugares geométricos ya no sólo en el plano, si no también eln el espacio. Además, desarrollamos una intuición lógica para continuar construyendo lo que resta del curso.

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