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T.10 · Geometría vectorial, proyecciones y área orientada

GRE Subject Test · GRE Mathematics · Tema 24

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Alcance y requisitos previos

Preparación de GRE para grado universitario. Objetivos locales dentro del alcance revisado de ETS; esto es enseñanza original, no una prueba oficial ni un predictor de puntuación.

Prerrequisitos: Vectores de coordenadas, productos punto/cruz y normas.

  • Usar productos punto para clasificar ángulos y calcular proyecciones
  • Calcular el área y la orientación de un triángulo mediante un producto cruz
  • Construir o descartar configuraciones de signo del producto punto planar

ortogonal: Que tiene un producto punto cero en un espacio real con producto interno.

producto cruz: Un vector perpendicular orientado en tres dimensiones cuya magnitud es igual al área del paralelogramo abarcado.

Vocabulario Entrenar
English Español
orthogonal/ɔːˈθɒɡənl/ ortogonal
cross product/krɒs ˈprɒdʌkt/ producto cruzado
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Elegir y justificar un método

Para vectores reales no nulos u,v, u·v=|u||v| cos θ. Un producto punto positivo, cero o negativo corresponde a un ángulo agudo, recto u obtuso más pequeño. La proyección escalar de v sobre u es (v·u)/|u|; su proyección vectorial es ((v·u)/(u·u))u. La diferencia respecto a esta proyección es ortogonal a u. No confunda un vector proyectado con su componente escalar signada. El vector cero es ortogonal a todo vector pero no tiene dirección de ángulo definida.

Para vectores tridimensionales, u×v es perpendicular a ambos con longitud |u||v| sin θ. El cálculo coordenado usa (u₂v₃−u₃v₂, u₃v₁−u₁v₃, u₁v₂−u₂v₁). Esta longitud es el área del paralelogramo, por lo que un triángulo formado por dos vectores borde tiene la mitad de esa área. Invertir su orden invierte el producto cruz pero preserva el área. Construya ambos vectores borde desde el mismo vértice; cruzar dos vectores de posición no relacionados generalmente mide el triángulo incorrecto.

El plano que pasa por un punto p con normal no nula n tiene ecuación n·(x−p)=0. La distancia de q al plano es |n·(q−p)|/|n|; el denominador normaliza la escala de la ecuación. Un producto triple escalar u·(v×w) da el volumen signed del paralelepípedo; su valor absoluto es el volumen geométrico. Un producto triple cero indica dependencia de los tres vectores borde, no necesariamente que cada par sea perpendicular o paralelo.

Para cuatro vectores planares, hay seis productos punto no ordenados. La configuración e₁,−e₁,e₂,−e₂ tiene dos productos negativos y cuatro ceros; e₁,e₁,e₂,e₂ tiene dos productos positivos y cuatro ceros. Cuatro vectores no nulos no pueden tener todos sus productos punto pareados negativos. Ordene sus direcciones alrededor del círculo: cada separación angular consecutiva debería exceder 90°, forzando la suma de cuatro separaciones por encima de 360°. Un vector cero no puede rescatar un requisito estrictamente negativo, porque sus productos punto se anulan.

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Razonamiento resuelto

Con p=(0,0,0), q=(2,0,0), r=(0,3,0), los bordes son u=(2,0,0), v=(0,3,0). Su producto cruzado es (0,0,6), dando área del triángulo 3. Para w=(3,4) y u=(1,0), la proyección vectorial es (3,0) y el resto ortogonal es (0,4). El plano 2x−y+2z=6 tiene longitud normal 3, por lo que su distancia al origen es 6/3=2.

Izquierda: el triángulo con lados u = (2, 0, 0) y v = (0, 3, 0), área 3. Derecha: los vectores unitarios ±e₁ y ±e₂
Área del triángulo = |u × v| / 2 = 6 / 2 = 3
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Condiciones y contraejemplos

La magnitud de un producto cruzado es el área de un paralelogramo, por lo que se divide entre dos para obtener el área de un triángulo. Producto escalar cero es una afirmación algebraica de ortogonalidad incluso para un vector nulo. La distancia al plano debe dividirse por la longitud del vector normal.

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Aplicación guiada

Proyecte $v=(2,3,6)$ sobre $u=(1,0,2)$. Encuentre el área del triángulo con vértices O, u y v. Verifique que el residuo de la proyección es ortogonal a u.

Solución resuelta

$v\cdot u=14$ y $u\cdot u=5$, por lo que la proyección vectorial es $(14/5)u=(14/5,0,28/5)$. El residuo es $(-4/5,3,2/5)$, cuyo producto punto con u es cero. El producto cruz es $u\times v=(-6,-2,3)$ con norma siete. El área del triángulo es la mitad del área del paralelogramo, o $7/2$. Ambos vectores borde comienzan en O; cruzar vectores de posición no relacionados no calcularía generalmente el triángulo solicitado.

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Transferencia independiente

¿Pueden cuatro vectores no nulos en $\mathbb R^2$ tener todos sus seis productos punto pareados estrictamente negativos? Dé una demostración. ¿Cómo cambian las posibilidades al permitir productos cero?

Verificar después de intentar

Ordena sus direcciones alrededor del círculo. Cada separación consecutiva debe exceder $\pi/2$: si una separación fuera como máximo $\pi/2$, ese par tendría producto escalar no negativo. Cuatro tales separaciones sumarían más de $2\pi$, lo cual es imposible. Por lo tanto, no todos los seis productos pueden ser estrictamente negativos. Con productos no positivos, $e_1,e_2,-e_1,-e_2$ funciona: los pares consecutivos son perpendiculares y los pares opuestos tienen productos negativos. Un vector nulo no puede satisfacer la negatividad estricta.

Lecciones interactivas sobre este tema

Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.

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