Vectores en R3

Puntos en R3

Para ubicar un punto en R3R3 usaremos como sistema de referencia una terna de ejes perpendiculares entre sí:

 eje xx (eje de abscisas, en rojo)  eje yy (eje de ordenadas, en verde)  eje zz (eje de cotas, en azul)

los cuales se cortan en el punto O (origen de coordenadas)

En el siguiente esquema se ven los tres planos que quedan determinados:

 el plano xyxy (en azul)  el plano xzxz ( en verde)  el plano yzyz (en rojo)

Estos planos se conocen como planos coordenados. El nombre del plano xyxy viene de que este plano contiene al eje xx y al eje yy. En forma análoga se derivan los nombres de los otros dos planos. Se puede demostrar que hay dos formas diferentes de armar un sistema de referencia con tres ejes perpendiculares. Una de esas formas se conoce con el nombre de terna derecha (que es la que usaremos en esta materia y la que hemos presentado recién) y la otra como terna izquierda:

Vectores en R3

Queda establecido un sistema de coordenadas donde todo punto de R3R3 se define mediante una terna ordenada de números reales: P(x,y,z)P(x,y,z), y tiene asociado un vector posición ⃗ p=−− →OP=(x,y,z)p→=OP→=(x,y,z). Para dar un ejemplo en el siguiente esquema graficamos al punto P(2,4,3)P(2,4,3), y su vector posición ⃗ p=−− →OPp→=OP→:

Operaciones y nociones básicas sobre vectores en R3

Sean ⃗ v=(vx,vy,vz)v→=(vx,vy,vz) y ⃗ w=(wx,wy,wz)w→=(wx,wy,wz) vectores

de R3R3. A continuación definimos algunas operaciones y nociones básicas:

 Igualdad: ⃗ v= ⃗ w⇔vx=wx,vy=wy,vz=wzv→=w→⇔vx=wx,vy=wy,vz=wz  Suma: ⃗ v+⃗ w=(vx+wx,vy+wy,vz+wz)v→+w→=(vx+wx,vy+wy,vz+wz)  Vector nulo: ⃗0=(0,0,0)0→=(0,0,0)  Opuesto de ⃗ vv→: –⃗ v=(–vx, –vy, –vz)–v→=(–vx,–vy,–vz)

 Resta: ⃗ v–⃗ w= ⃗ v+(–

⃗ w)=(vx–wx,vy–wy,vz–wz)v→–w→=v→+(–w→)=(vx–wx,vy–wy,vz–wz)

El producto de un escalar por un vector se define:

⃗ v=(vx,vy,vz),k∈R,k. ⃗ v=(k.vx,k.vy,k.vz)v→=(vx,vy,vz),k∈R,k.v→=(k.vx,k.vy ,k.vz)

k. ⃗ vk.v→ es un vector tal que:

 Tiene igual dirección que el vector ⃗ vv→

 Sentido: Si k>0k>0 entonces ⃗ vv→ y k. ⃗ vk.v→ tienen el mismo sentido, si k<0k<0entonces ⃗ vv→ y k. ⃗ vk.v→ tienen sentido opuesto. Si k=0k=0, entonces 0. ⃗ v= ⃗00.v→=0→ .  k. ⃗ v=|k|⃗ vk.v→=|k|v→ . El módulo del vector k. ⃗ vk.v→ es |k||k| veces el módulo del vector ⃗ vv→.

¿Cómo es la longitud del vector k. ⃗ vk.v→ respecto de la de ⃗ vv→? Si |k|>1|k|>1 entonces ∥k. ⃗ v∥>∥⃗v∥‖k.v→‖>‖v→‖ Si |k|<1|k|<1 entonces ∥k. ⃗ v∥<∥⃗v∥‖k.v→‖<‖v→‖ Si |k|=1|k|=1 entonces ∥k. ⃗ v∥=∥⃗v∥‖k.v→‖=‖v→‖

Notación

∥⃗v∥‖v→‖: módulo o norma de un vector |k|:|k|:módulo o valor absoluto de un número real La definición de producto de un escalar por un vector permite enunciar una condición para que dos vectores (no nulos) sean paralelos:

⃗ v∥⃗w⇔⃗v=k. ⃗wconk∈Rv→∥w→⇔v→=k.w→conk∈R

Ejemplo 1

Dados ⃗ u=(1,–1,1), ⃗ v=(2,0,2)y→w=(–1,3,–1)u→=(1,–1,1),v→=(2,0,2)yw→=(–1,3,–1) , ¿Existen α,β∈Rα,β∈R tales que ⃗ w=α. ⃗ u+β. ⃗ vw→=α.u→+β.v→?

Para responderlo escribiremos la igualdad y trataremos de calcular αα, y ββ: (–1,3,–1)=α.(1,–1,1)+β.(2,0,2)(–1,3,–1)=α.(1,–1,1)+β.(2,0,2) (–1,3,–1)=(α+2β, –α,α+2β)(–1,3,–1)=(α+2β,–α,α+2β)⎧⎪⎨⎪⎩–1=α+2β3=–α–1=α+2β⇒α=–3∧β=1{–1=α+2β3=–α–1=α+2β⇒α=–3∧β=1 (–1,3,–1)=–3.(1,–1,1)+1.(2,0,2)(–1,3,–1)=–3.(1,–1,1)+1.(2,0,2) Como existen α,β∈Rα,β∈R tales que ⃗ w=α. ⃗ u+β. ⃗ vw→=α.u→+β.v→ , diremos que ⃗ ww→ es combinación lineal de ⃗ uu→ y ⃗ vv→. Más adelante desarrollaremos el concepto de combinación lineal. Podemos visualizar esto en un gráfico:

Propiedades de la suma de vectores y del producto por un escalar

Sean ⃗ u, ⃗ v, ⃗ w∈R3yα,β∈Ru→,v→,w→∈R3yα,β∈R.

Vimos que: ⃗ u+⃗ v∈R3u→+v→∈R3 y α ⃗ u∈R3αu→∈R3. Estas operaciones verifican las siguientes propiedades:

1. ⃗ u+⃗ v=

⃗ v+⃗ uu→+v→=v→+u→ 2. (⃗ u+⃗ v)+⃗ w= ⃗ u+(⃗ v+⃗ w)(u→+v→)+w→=u→+(v→+w→) 3. ⃗ u+⃗0= ⃗0+⃗ u= ⃗ uu→+0→=0→+u→=u→ 4. ⃗ u+(–⃗ u)=(–⃗ u)+⃗ u= ⃗0u→+(–u→)=(–u→)+u→=0→ 5. α(⃗ u+⃗ v)=α ⃗ u+α ⃗ vα(u→+v→)=αu→+αv→ 6. (α+β)⃗ u=α ⃗ u+β⃗ u(α+β)u→=αu→+βu→ 7. α(β⃗ u)=(αβ)⃗ uα(βu→)=(αβ)u→ 8. 1⃗ u= ⃗ u

Módulo o norma de un vector en R3

Nos interesa hallar una fórmula para calcular el módulo o norma de un vector. En R3R3 el módulo es la longitud del vector. Para deducirla usaremos los triángulos rectángulos que quedan determinados tal como se muestra en la siguiente figura:

Aplicando el teorema de Pitágoras sobre el triángulo sombreado de naranja:

d2=v2x+v2y(1)d2=vx2+vy2(1)

Aplicando el teorema de Pitágoras sobre el triangulo sombreado de rosa:

∥⃗v∥2=d2+v2z(2)‖v→‖2=d2+vz2(2)

Sustituyendo (1)(1) en (2)(2): ∥⃗v∥2=v2x+v2y+v2z‖v→‖2=vx2+vy2+vz2

Aplicando raíz cuadrada a ambos miembros:

∥⃗v∥=√ v2x+v2y+v2z