2.7.3 Plano que contiene a dos rectas paralelas

Enunciado del ejercicio

1. Construcción del plano de dos rectas paralelas distintas Dadas dos rectas paralelas distintas \(r\) y \(s\), con puntos base \(A_r\) y \(A_s\) y vectores directores proporcionales \(\vec{d}_r \parallel \vec{d}_s\), el plano común \(\pi\) queda determinado por el punto \(A_r\) y los vectores \(\vec{d}_r\) y \(\overrightarrow{A_r A_s} = A_s - A_r\), que es el vector transversal que une ambas rectas: \(\begin{vmatrix} x - x_{Ar} & y - y_{Ar} & z - z_{Ar} \\ d_{r1} & d_{r2} & d_{r3} \\ x_{As} - x_{Ar} & y_{As} - y_{Ar} & z_{As} - z_{Ar} \end{vmatrix} = 0\) Es imprescindible comprobar primero que las rectas son paralelas distintas y no coincidentes: los vectores deben ser proporcionales y el punto de una no debe pertenecer a la otra. Ejemplo: Las rectas paralelas distintas \(r: (0, 0, 0) + \lambda(1, 0, 0)\) y \(s: (0, 1, 0) + \mu(1, 0, 0)\) determinan el plano generado por el vector director común \((1, 0, 0)\) y el vector \(\overrightarrow{A_rA_s} = (0, 1, 0)\), es decir, el plano \(z = 0\) 2. Distancia entre dos rectas paralelas La distancia entre dos rectas paralelas \(r\) y \(s\) coincide con la distancia de cualquier punto de una de ellas a la otra recta. Tomando \(A_s \in s\) y el vector director \(\vec{d}_r\), la fórmula general con letras es: \(d(r, s) = \frac{|\overrightarrow{A_r A_s} \times \vec{d}_r|}{|\vec{d}_r|}\) El numerador es el área del paralelogramo formado por el vector transversal y el vector director, y al dividir por la base se obtiene la altura, que es la distancia buscada. Ejemplo: La distancia entre las rectas paralelas anteriores es \(d(r, s) = \frac{|(0, 1, 0) \times (1, 0, 0)|}{|(1, 0, 0)|} = \frac{|(0, 0, -1)|}{1} = 1\), la separación entre los puntos \((0, 0, 0)\) y \((0, 1, 0)\) Ejemplo 1: Plano común a dos rectas paralelas Halla el plano que contiene a las rectas paralelas \(r: \frac{x}{2} = \frac{y - 1}{1} = \frac{z + 2}{-1}\) y \(s: \frac{x - 1}{2} = \frac{y}{1} = \frac{z}{-1}\)

Explicación

Para resolver este apartado empezaremos por comprobar que las rectas son paralelas distintas. A continuación extraeremos los puntos base y el vector transversal. Para terminar plantearemos el determinante del plano y lo desarrollaremos.

PASO 1

Comprobación de paralelismo.

Los vectores directores son \(\vec{d}_r = (2, 1, -1)\) y \(\vec{d}_s = (2, 1, -1)\), proporcionales. Los puntos base son \(A_r(0, 1, -2)\) y \(A_s(1, 0, 0)\) Como \(\frac{1 - 0}{2} = \frac{1}{2} \neq \frac{0 - 1}{1} = -1\), \(A_r \notin s\): son paralelas distintas.

PASO 2

Vector transversal y determinante.

El vector transversal es \(\overrightarrow{A_r A_s} = (1 - 0, 0 - 1, 0 - (-2)) = (1, -1, 2)\)

$$\begin{vmatrix} x & y - 1 & z + 2 \\ 2 & 1 & -1 \\ 1 & -1 & 2 \end{vmatrix} = x - 5(y - 1) - 3(z + 2) = 0$$

Operando:

$$x - 5(y - 1) - 3(z + 2) = 0 \rightarrow x - 5y - 3z - 1 = 0$$
Conclusión

El plano buscado es \(\pi: x - 5y - 3z - 1 = 0\)

Ejemplo 2: Distancia entre las rectas paralelas anteriores

Calcula la distancia entre las rectas \(r: \frac{x}{2} = \frac{y - 1}{1} = \frac{z + 2}{-1}\) y \(s: \frac{x - 1}{2} = \frac{y}{1} = \frac{z}{-1}\)

Explicación

Para resolver este apartado empezaremos por escribir la fórmula general de la distancia entre rectas paralelas. A continuación listaremos los datos particulares que vamos a sustituir. Para terminar calcularemos el producto vectorial y los módulos.

PASO 1

Fórmula general y datos particulares.

La fórmula general con letras es \(d(r, s) = \frac{|\overrightarrow{A_r A_s} \times \vec{d}_r|}{|\vec{d}_r|}\) Los datos particulares son \(\overrightarrow{A_r A_s} = (1, -1, 2)\) y \(\vec{d}_r = (2, 1, -1)\)

PASO 2

Producto vectorial y módulos.

Calculamos el producto vectorial:

$$\overrightarrow{A_r A_s} \times \vec{d}_r = \begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ 1 & -1 & 2 \\ 2 & 1 & -1 \end{vmatrix} = (-1, 5, 3)$$

Sus módulos son:

$$|\overrightarrow{A_r A_s} \times \vec{d}_r| = \sqrt{(-1)^2 + 5^2 + 3^2} = \sqrt{35}$$
$$|\vec{d}_r| = \sqrt{2^2 + 1^2 + (-1)^2} = \sqrt{6}$$

Sustituyendo en la fórmula:

$$d(r, s) = \frac{\sqrt{35}}{\sqrt{6} }= \frac{\sqrt{210}}{6}$$
Conclusión

La distancia entre las rectas es \(d(r, s) = \frac{\sqrt{210}}{6}\) unidades.

Ejemplo 3: Plano de rectas paralelas con puntos genéricos

Halla el plano que contiene a \(r: \frac{x}{1} = \frac{y - 1}{2} = \frac{z}{-1}\) y a \(s: \frac{x - 2}{1} = \frac{y}{2} = \frac{z - 3}{-1}\)

Explicación

Para resolver este apartado empezaremos por verificar el paralelismo y la distinción de las rectas. A continuación hallaremos el vector transversal. Para terminar desarrollaremos el determinante del plano.

PASO 1

Paralelismo y puntos base.

Los vectores \(\vec{d}_r = (1, 2, -1)\) y \(\vec{d}_s = (1, 2, -1)\) son proporcionales. Con \(A_r(0, 1, 0)\) y \(A_s(2, 0, 3)\), se tiene \(\frac{2 - 0}{1} = 2 \neq \frac{0 - 1}{2}\), luego \(A_s \notin r\): son paralelas distintas.

PASO 2

Determinante del plano.

El vector transversal es \(\overrightarrow{A_r A_s} = (2 - 0, 0 - 1, 3 - 0) = (2, -1, 3)\)

$$\begin{vmatrix} x & y - 1 & z \\ 1 & 2 & -1 \\ 2 & -1 & 3 \end{vmatrix} = 5x - 5(y - 1) - 5z = 0$$

Dividiendo por cinco:

$$5x - 5(y - 1) - 5z = 0 \rightarrow x - y - z + 1 = 0$$
Conclusión

El plano buscado es \(\pi: x - y - z + 1 = 0\)

Ejemplo 4: Rectas paralelas a un eje coordenado

Halla el plano determinado por las rectas \(r: (x, y, z) = (1, 2, 3) + \lambda(1, 0, 0)\) y \(s: (x, y, z) = (0, 0, 1) + \mu(1, 0, 0)\)

Explicación

Para resolver este apartado empezaremos por identificar la dirección común y los puntos base. A continuación comprobaremos que no son coincidentes. Para terminar calcularemos el plano con el determinante.

PASO 1

Dirección común y distinción.

Ambas rectas tienen dirección \(\vec{d} = (1, 0, 0)\), paralela al eje \(OX\) Los puntos base son \(A_r(1, 2, 3)\) y \(A_s(0, 0, 1)\) Como \(A_s\) no verifica \(y = 2\), no pertenece a \(r\): son paralelas distintas.

PASO 2

Determinante del plano.

El vector transversal es \(\overrightarrow{A_r A_s} = (0 - 1, 0 - 2, 1 - 3) = (-1, -2, -2)\)

$$\begin{vmatrix} x - 1 & y - 2 & z - 3 \\ 1 & 0 & 0 \\ -1 & -2 & -2 \end{vmatrix} = 2(y - 2) - 2(z - 3) = 0$$

Simplificando:

$$2(y - 2) - 2(z - 3) = 0 \rightarrow y - z + 1 = 0$$
Conclusión

El plano buscado es \(\pi: y - z + 1 = 0\)

Ejemplo 5: Distancia y plano en un caso completo

Dadas las rectas \(r: (x, y, z) = (1, 0, 2) + \lambda(2, 1, -1)\) y \(s: \frac{x - 3}{4} = \frac{y - 2}{2} = \frac{z - 1}{-2}\), estudia su posición relativa, halla el plano que las contiene y calcula la distancia entre ellas.

Explicación

Para resolver este apartado empezaremos por estudiar la posición relativa comparando los vectores directores y la pertenencia de puntos. A continuación hallaremos el plano común con el determinante. Para terminar aplicaremos la fórmula de la distancia entre rectas paralelas.

PASO 1

Posición relativa.

Los vectores son \(\vec{d}_r = (2, 1, -1)\) y \(\vec{d}_s = (4, 2, -2) = 2\vec{d}_r\), luego son paralelas. Con \(A_r(1, 0, 2)\) y \(A_s(3, 2, 1)\), si \(A_s\) estuviera en \(r\) sería \(1 + 2\lambda = 3\), es decir \(\lambda = 1\), pero entonces \(y = 1 \neq 2\) Son paralelas distintas.

PASO 2

Plano común.

El vector transversal es \(\overrightarrow{A_r A_s} = (3 - 1, 2 - 0, 1 - 2) = (2, 2, -1)\)

$$\begin{vmatrix} x - 1 & y & z - 2 \\ 2 & 1 & -1 \\ 2 & 2 & -1 \end{vmatrix} = (x - 1) + 2(z - 2) = 0$$

Operando: \((x - 1) + 2(z - 2) = 0 \rightarrow x + 2z - 5 = 0\)

PASO 3

Distancia entre las rectas.

Aplicamos la fórmula general \(d(r, s) = \frac{|\overrightarrow{A_r A_s} \times \vec{d}_r|}{|\vec{d}_r|}\) con los datos \(\overrightarrow{A_r A_s} = (2, 2, -1)\) y \(\vec{d}_r = (2, 1, -1)\)

$$\overrightarrow{A_r A_s} \times \vec{d}_r = \begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ 2 & 2 & -1 \\ 2 & 1 & -1 \end{vmatrix} = (-1, 0, -2)$$
$$|\overrightarrow{A_r A_s} \times \vec{d}_r| = \sqrt{1 + 0 + 4} = \sqrt{5}, \quad |\vec{d}_r| = \sqrt{4 + 1 + 1} = \sqrt{6}$$
$$d(r, s) = \frac{\sqrt{5}}{\sqrt{6} }= \frac{\sqrt{30}}{6}$$
Conclusión

Las rectas son paralelas distintas, el plano que las contiene es \(\pi: x + 2z - 5 = 0\) y la distancia entre ellas es \(d(r, s) = \frac{\sqrt{30}}{6}\) unidades.