LA RECTA Y SUS ECUACIONES

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1 UNIDAD LA RECTA Y SUS ECUACIONES Objetivo general. Al terminar esta Unidad resolverás ejercicios y problemas correspondientes a las rectas en el plano y sus ecuaciones. Objetivos específicos:. Recordarás a qué se llama sistema de coordenadas rectangulares, ejes coordenados y cuadrantes, y cómo se localizan los puntos del plano.. Recordarás y aplicarás las fórmulas para determinar la distancia entre dos puntos cualesquiera del plano coordenado y las coordenadas del punto que divide a un segmento en una razón r. 3. Recordarás la definición de línea recta y de pendiente de una recta. 4. Recordarás y aplicarás las diferentes formas de la ecuación de una recta dadas dos condiciones que la definen. 5. Recordarás y aplicarás la forma general de la ecuación de una recta y las condiciones necesarias y suficientes para las posiciones relativas entre dos rectas en el plano. 6. Recordarás la definición y aplicaciones de la expresión de una recta en la forma normal y cómo obtenerla a partir de la forma general.

2 . Objetivo. Recordarás a qué se llama sistema de coordenadas rectangulares, ejes coordenados y cuadrantes, y cómo se localizan los puntos en el plano. Una característica básica de la Geometría Analítica es el uso de un sistema coordenado. En los cursos de Álgebra y Trigonometría se ha utilizado el sistema de coordenadas rectangulares - llamado también sistema cartesiano en honor al filósofo y matemático René Descartes ( ) - que consiste en dos rectas, llamadas ejes, que se cruzan formando ángulos rectos. Generalmente un eje se coloca en forma horizontal y el otro vertical; el primero se llama eje de las abscisas y se representa con la letra x, y el segundo se denomina eje de las ordenadas y se representa con la letra y. El punto en que se cruzan las rectas define al origen del sistema. Eje de las ordenadas Eje y Origen Eje x Eje de las abscisas Figura. Cuando en cada eje coordenado se representan los números reales, cada punto del plano tiene asociada una y sólo una pareja ordenada de números, llamados coordenadas; y viceversa, a cada par de números le corresponde uno, y sólo un punto del plano. El primer número de la pareja es la abscisa del punto, e indica la distancia del eje y al punto; el segundo número es la ordenada, y corresponde a la distancia del punto al eje x. La pareja ordenada se denota como (x, y).

3 . 3 Sobre el eje de las abscisas, a la derecha del origen se localizan los reales positivos y a la izquierda los negativos. Sobre el eje de las ordenadas, los reales positivos se encuentran hacia arriba del origen y los negativos hacia abajo. Los ejes coordenados dividen al plano en cuatro partes llamadas cuadrantes, que se numeran del I al IV en sentido contrario a las manecillas del reloj (Figura.). Los puntos que se encuentran en el primer cuadrante tiene abscisa y ordenada positivas; los puntos en el segundo cuadrante tienen abscisa negativa y ordenada positiva; en el tercer cuadrante tanto la abscisa como la ordenada son negativas, y en el cuarto cuadrante la abscisa es positiva y la ordenada negativa. II x < 0 y > 0 I x > 0 y > 0 III x < 0 y < 0 IV x > 0 y < 0 Figura. Trazar un punto en el plano significa medir las distancias indicadas por sus coordenadas: a partir del eje y para la abscisa, y a partir del eje x para la ordenada. Ejemplos:.) Para localizar en el plano coordenado los puntos: P (, 3); P ( 3, 0); P 3 (, ); P 4 (, ),

4 . 4 e indicar el cuadrante en que se encuentran se debe partir del origen y ubicar en primer lugar la abscisa en el eje horizontal hacia la derecha del origen si es positiva, o hacia la izquierda si es negativa y después, a partir de tal punto sobre el eje x, subir, o bajar, el número de unidades que indique la ordenada del punto según sea positiva o negativa siempre en forma paralela al eje y. Así, para ubicar el punto P (, -3), a partir del origen se debe avanzar hacia la derecha unidades sobre el eje x, y de este punto bajar 3 unidades en paralelo con el eje y. El punto se localiza en el IV cuadrante. El punto P ( 3, 0) se encuentra retrocediendo 3 unidades desde el origen sobre el eje x y, como su ordenada es 0, no se separa de dicho eje. Del mismo modo, P 3 (, ) se localiza unidades a la izquierda del origen sobre el eje de las abscisas y subiendo una unidad en paralelo con el eje y. Finalmente, P 4 (, ) se encuentra unidades a la derecha del origen y una unidad hacia abajo del eje x. Los cuatro puntos mencionados se representan en la siguiente figura: Figura E.

5 . 5.) Si A(, ) y B(5, ) son dos vértices de un cuadrado, se pueden encontrar las coordenadas de los otros dos vértices. (Dos soluciones posibles) Es conveniente localizar los puntos en el plano cartesiano para visualizar las condiciones del problema y lo que se pide determinar. Como los puntos A y B tienen la misma ordenada, el lado que definen es paralelo al eje x y su longitud es de 3 unidades. Figura E.a Con esta información se pueden encontrar los otros dos vértices y, como se puede ver en la Figura E.b, una posibilidad es que se encuentren arriba de A y de B, en cuyo caso sus coordenadas se obtienen sumando la longitud del lado a la ordenada de los vértices conocidos: C(, + 3) = (, 5) y D(5, + 3) = (5, 5) O bien que se ubiquen hacia abajo, para lo cual se deberá restar la longitud del lado a las ordenadas de A y de B: C (, 3) = (, ) y D (5, 3) = (5, )

6 . 6 Figura E.b 3.) Dados los puntos P (, 3) y P (4, 3), es posible encontrar las coordenadas del punto con el que P y P forman un triángulo isósceles, en el que P sea el vértice de un ángulo recto. (Dos soluciones posibles) Un triángulo isósceles tiene dos lados iguales y, si además tiene un ángulo recto, los dos lados iguales son los que forman dicho ángulo. Por las coordenadas de los puntos y al representarlos en una gráfica, se encuentra que la longitud de los lados iguales es 4 = 3. Como P es el vértice del ángulo recto, el tercer vértice P 3, se encuentra hacia arriba o hacia abajo de él, a 3 unidades de distancia. Por ello, las coordenadas de cada caso son: P 3 (4, 3 + 3) = (4, 0) ó P 3 (4, 3 3) = (4, 6)

7 . 7 Figura E.3 4.) Si se localizan los puntos ( 5, 7) y (3, 9) y se unen con una recta y se hace lo mismo con los puntos ( 3, 7) y (, 8), a partir de la gráfica se pueden encontrar las coordenadas del punto donde se intersectan. Figura E.4 Como se puede ver en la figura, las rectas que unen cada par de puntos se intersectan en el punto (, )

8 . 8 5.) Para localizar en el plano cartesiano el punto: A 9 7, 5 4 puesto que 9.8 y 7. 75, 5 4 las coordenadas de A son dos números racionales cuyo cociente es finito, es posible localizarlos en cada eje con cierta aproximación, considerando las coordenadas del punto como (.8,.75). Figura E.5 6.) Para localizar en el plano cartesiano el punto: B,, como se sabe que es un número irracional, también le corresponde un punto en el eje de los números reales. Para localizarlo en el eje de las ordenadas se puede recurrir al Teorema de Pitágoras ( c a b ), ya que en un triángulo rectángulo cuyos catetos midan, su hipotenusa medirá exactamente. En la Figura E.6 se localiza el punto B(, siguió para ello. ) y se muestra el procedimiento que se

9 . 9 Figura E.6 Objetivo. Recordarás y aplicarás las fórmulas para determinar la distancia entre dos puntos cualesquiera del plano coordenado y las coordenadas del punto que divide a un segmento en una razón r. a) Distancia entre dos puntos. Dados dos puntos cualesquiera del plano coordenado, uno de los siguientes tres casos puede ocurrir:. Que ambos puntos tengan la misma ordenada: A(x, y ), B(x, y ). La distancia entre tales puntos se determina tomando el valor absoluto de la diferencia de las abscisas: Figura.

10 . 0 d x x. Que los puntos tengan la misma abscisa: A(x, y ), B(x, y ). En este caso la distancia se obtiene tomando el valor absoluto de la diferencia de las ordenadas: Figura. d y y 3. Que A y B sean dos puntos cualesquiera en el plano cartesiano: A(x, y ), B(x, y ). Para calcular la distancia entre ellos, se considera el punto C(x, y ) que corresponde a la intersección de las rectas paralelas a los ejes que pasan por los puntos A y B, respectivamente (Figura.3), con las que se forma un triángulo rectángulo y C es el vértice del ángulo recto. La distancia d que se busca es la hipotenusa del triángulo, por lo que se utiliza el Teorema de Pitágoras: La suma de los cuadrados de los catetos es igual al cuadrado de la hipotenusa : d a b

11 . Figura.3 Las longitudes de los catetos a y b se obtienen aplicando los casos. y.: Al sustituir, queda: a = AC = x x, y b = BC = y y d x x y y y al tomar la raíz cuadrada, dado que se trata de una distancia, sólo se considera la raíz cuadrada positiva: d x x y y Ejemplos:.) Encontrar la distancia entre los puntos: A(9, ) y B(9, ) Como los puntos tienen la misma abscisa, su distancia se encuentra aplicando la expresión del caso : d = y y = = 3.) Encontrar el perímetro del triángulo que determinan los puntos A(, ), B(0, 5) y C(, )

12 . Figura E. El perímetro de un polígono es la suma de las longitudes de sus lados. El lado AC es paralelo al eje x. Su longitud se encuentra aplicando la fórmula del primer caso: AC x x = = 4 = 4 Los otros dos lados del triángulo no son paralelos a alguno de los ejes, por lo que se debe aplicar la fórmula del caso 3 para encontrar su longitud: 0 5 AB = 4 9 = BC = 4 9 = 3 Como el triángulo tiene dos lados iguales, es un triángulo isósceles. Su perímetro es: Perímetro = 4 3 ; aproximadamente. unidades 3.) Encontrar el área del triángulo que forman los puntos A(-, ), B(, 0) y C(0, 5) El área de un triángulo es la mitad del producto de la base por la altura: b h A

13 . 3 Figura E.3 En la gráfica se observa que, aparentemente, el vértice A corresponde a un ángulo recto y, en un triángulo rectángulo, uno de los catetos es la base y el otro la altura. Para comprobar que efectivamente es un triángulo rectángulo se puede utilizar el Teorema de Pitágoras, verificando que la suma de los cuadrados de los catetos sea igual al cuadrado de la hipotenusa: 0 AB = 9 4 = AC = 4 9 = BC = 5 = 6 Como en un triángulo rectángulo la hipotenusa siempre es mayor que cualquiera de los catetos, se hace c 6 y: = Con lo que se demuestra que el triángulo efectivamente es rectángulo. Así, su área es igual a: b h A = = = 6.5 unidades

14 . 4 b) Coordenadas del punto que divide a un segmento en una razón dada. Por razón se entiende un cociente de dos números expresado en forma de fracción común, por ejemplo: ; ; ; 4 8 Cuando se dice que un punto P divide al segmento AB en la razón r, significa que AP r PB Figura.4 La razón es el cociente de la distancia que hay del inicio del segmento (A) al punto que lo divide (P), entre la distancia del mismo punto de división (P) al punto final del segmento (B). Obsérvese que si r BP PA y si P no es el punto medio del segmento, entonces r r, por lo que es importante conocer cuál es el punto de inicio del segmento y cuál el final.

15 . 5 Si A(x, y ) y B(x, y ) son los extremos de un segmento AB, las coordenadas de un punto P(x, y) que divide a este segmento en la razón dada AP r son: PB x rx x r ; y ry y r Cuando P es el punto medio del segmento, AP r = PB Y las fórmulas se reducen a x x x ; y y y Como se está considerando la dirección del segmento, las razones deben tomarse con el signo que resulte, positivo o negativo. La razón tiene signo negativo cuando el punto está fuera del segmento. Ejemplos:.) Si el punto medio de un segmento sobre el eje x es (7, 0) y uno de los extremos tiene abscisa, se pueden encontrar las coordenadas del otro extremo de la siguiente manera: Los datos del problema son las coordenadas de un extremo del segmento, el punto A(, 0) (porque el segmento está sobre el eje x), y las del punto medio (7, 0). Como la abscisa del punto medio es: Entonces: x x x x 7 ;

16 . 6 4 x ; x y, dado que el segmento está sobre el eje x, la ordenada del punto medio es 0, de modo que el otro extremo del segmento es B(, 0)..) Para encontrar las coordenadas de los puntos de trisección del segmento que va de A(, 3) a B(6, 3), es necesario recordar que los puntos de trisección son los que dividen al segmento en tres partes iguales, por lo tanto son dos puntos. Por la definición de razón, el primer punto P se encuentra a una parte de distancia del inicio del segmento, y a dos partes del final del segmento, por lo que Las coordenadas de P son: x rx x r = AP r = P B 6 = 3 3 = 3 3 y ry y r = 3 3 = = 3 3 = P, 3 Para encontrar las coordenadas del segundo punto P, se observa que ahora la distancia del punto de inicio a P es de dos partes y de P al punto final es de una parte, es decir

17 . 7 r y las coordenadas de este otro punto que divide al segmento son: x rx x r y ry y r = = P 3 3 0, 3 6 = = 3 Como se puede corroborar en la representación gráfica, estos puntos dividen al segmento en tres partes iguales. Figura E.4 3.) Si A( 4, ) y B(4, 6) son los extremos de un segmento dirigido de A a B, se pueden encontrar las coordenadas del punto P que divide a este segmento en una razón cualquiera, como podría ser la razón r = 3 AP r = 3 PB x rx x r = y ry y r = = = 8

18 . 8 Entonces P(8, 8) que, como se ve en la figura, está fuera del segmento. Esto se debe al hecho de que la razón sea negativa. Figura E.5 Objetivo 3. Recordarás la definición de pendiente de una recta y de línea recta. Se llama ángulo de inclinación de una recta al ángulo que se forma por la parte positiva del eje x y la recta, cuando ésta se considera dirigida hacia arriba. Se designa por la letra griega α. Figura 3.

19 . 9 Se llama pendiente o coeficiente angular de una recta, a la tangente de su ángulo de inclinación. Se designa comúnmente por la letra m, por lo tanto m = tan α. Figura 3. Se llama línea recta al lugar geométrico de los puntos tales que, tomados dos puntos diferentes cualesquiera del lugar, el valor de la pendiente m resulta siempre constante. Dados dos puntos de una recta, P x y P x, y m y y, y, x x x x, la pendiente se calcula como Por lo tanto, si x y satisfacen la ecuación P, es un punto cualquiera de dicha recta, las coordenadas del punto P o bien m y x y x x y y m x () que es la ecuación de la recta que pasa por x P y tiene pendiente m. Esta expresión se, y llama forma punto pendiente de la ecuación de una recta.

20 . 0 Figura 3.3 Objetivo 4. Recordarás y aplicarás las diferentes formas de la ecuación de una recta, dadas dos condiciones que la definen. Una recta en particular tiene una pendiente dada, pasa por un número infinito de puntos, e intersecta a cada uno de los ejes coordenados en un punto específico. Conocidas dos cualesquiera de estas condiciones, es posible determinar la ecuación de la recta que las cumple. Ejemplos:.) Para determinar la ecuación de la recta cuya pendiente es 3 y pasa por el punto (, 8): La ecuación de la recta que pasa por el punto P y tiene pendiente m está dada por la fórmula () y y m x x

21 . Entonces, la ecuación de la recta con pendiente 3 y que pasa por el punto P (, 8) se obtiene sustituyendo estos valores en la ecuación: la ecuación pedida es: y 8 3x y 8 3x 33 y 3x 5.) Para determinar la ecuación de la recta tal que el ángulo que forma con el eje x es de 7 y pasa por el punto (, ): Figura E4. Como la pendiente de la recta es la tangente del ángulo que forma con el eje x, se obtiene el valor de la tangente de 7º: tan 7 = = m

22 . Como en el ejemplo anterior, se sustituyen en la forma punto pendiente los valores de m y las coordenadas del punto: la ecuación pedida es: x y y x y x ) Para determinar la ecuación de la recta que pasa por los puntos (4, ) y ( 5, 7): Figura E4. Para aplicar la fórmula () se necesita conocer la pendiente y un punto; cualquiera de los dos puntos servirá para la ecuación. Sólo se requiere calcular la pendiente, la cual se puede determinar con los dos puntos dados. El cálculo se puede realizar directamente en la fórmula () sustituyendo la expresión de m: y y y y x x x x () Esta ecuación se llama forma dos puntos de la ecuación de una recta.

23 . 3 Si se utiliza P para sustituir en la ecuación: 7 y 4 x y x 4 9 y 5 x Y si se quita el denominador del segundo miembro para tener una ecuación con coeficientes enteros: 9y 8 5x 0 9y 5x 38 4.) Para determinar la ecuación de la recta cuya pendiente es 7 y su intersección con el eje y se encuentra a unidades del origen. Como no se precisa si la intersección con el eje y es en la parte positiva o en la parte negativa del eje, o bien el punto de intersección es P (0, ), o es P (0, ). En cualquier caso, se cuenta con las dos condiciones necesarias para determinar la ecuación de la recta: la pendiente y un punto. Si el punto es P (0, ), la ecuación es y x 0 7 y 7 Si esta ecuación se reacomoda de manera que en el primer miembro quede solamente la variable y, quedarán explícitos tanto el valor de la pendiente como la ordenada del punto donde la recta intersecta al eje y (esta intersección se denota por b y, en este caso, b = ): x

24 . 4 y x 7 Si se toma el punto P (0, ), la ecuación en la forma punto-pendientes es y x 0 7 Y si, como antes, se reacomoda de forma que aparezcan explícitamente la pendiente y la ordenada al origen, ahora b = y la ecuación es: y x 7 Debido a las dos condiciones que se requieren para utilizarla, la expresión y mx b se denomina forma pendiente ordenada al origen de la ecuación de una recta. 5.) Para determinar la ecuación de la recta tal que los segmentos que determina sobre los ejes x y y son y 3 respectivamente. A diferencia del ejemplo anterior, en éste, los signos de los segmentos indican que el punto de intersección sobre el eje x es hacia el lado positivo y el segmento medido sobre el eje y es hacia abajo. Figura E4.3

25 . 5 Los puntos en los que la recta intersecta a cada eje son P (, 0) y P (0, 3). Con ellos se emplea la forma dos puntos de la ecuación de una recta: y y y y x x x x Y tomando alguno, por ejemplo P, la ecuación de la recta es: 3 0 y 0 x 0 3 y x Si se toma el punto P : y 3 y x x 0 y 3 3 x 3 y x 3 Que, por supuesto, es la misma ecuación que se obtuvo con el punto P. Otra alternativa sería calcular la pendiente de la recta a partir de los dos puntos y después sustituir el valor de m y el de b (b= 3) en la forma pendiente ordenada al origen. Cuando, como en este ejemplo, se conocen la abscisa y la ordenada al origen, se utiliza la llamada forma simétrica de la ecuación de una recta, que se obtiene a partir de la forma dos puntos, igualando a el segundo miembro. Así, si la intersección con el eje x es el punto (a, 0) y la intersección con el eje y es el punto (0, b), la ecuación de la recta es: x a b y

26 . 6 6.) Para encontrar la ecuación de la recta en la forma simétrica, si los segmentos que determina sobre los ejes x y y son y 3 respectivamente: En el ejemplo 5, se aplicó la forma dos puntos obteniendo: 3 y x 3 Si se multiplica por para tener sólo coeficientes enteros: y 3x 6 La forma simétrica se obtiene igualando a la ecuación, de modo que deberán dejarse los términos en x y en y en el primer miembro y dividir entre 6 toda la ecuación: 3x 6 y Para que la ecuación muestre claramente las intersecciones con los ejes, conviene que en la segunda fracción se deje el signo menos en el denominador: x y 3 Como se puede ver, cada variable está dividida por la intersección de la recta con el eje correspondiente. 7.) Para encontrar la ecuación de la recta que pasa por los puntos ( 3, 0) y (0, 5): Es claro que los puntos dados son las intersecciones con el eje x y con el eje y, respectivamente. La forma de la ecuación de la recta que se puede utilizar directamente cuando se conocen sus intersecciones con los ejes coordenados es la forma simétrica: x a b y

27 . 7 donde: a intersección con el eje x, b intersección con el eje y, Entonces, la ecuación de la recta es x y 3 5 Resumen de fórmulas: Si se conocen: La forma que conviene emplear es: La pendiente m y un punto y y mx x Dos puntos y y y y x x x x La pendiente m y la intersección b con el eje y y mx b Las intersecciones a con el eje x, y b con el eje y x a b y Objetivo 5. Recordarás y aplicarás la forma general de la ecuación de una recta y las condiciones necesarias y suficientes para las posiciones relativas entre dos rectas en el plano. Generalmente la ecuación de una recta se expresa igualando a cero el segundo miembro. En los ejemplos del objetivo anterior, el resultado se daría como sigue:

28 . 8 En el Ejemplo : y 8 3x 33 3x y 5 0 En el Ejemplo : y x x y En el Ejemplo 3: 9y 8 5x 0 5x 9y 38 0 En el Ejemplo 4: y x x y x 7y 4 0 En el Ejemplo 5: 3 3 y x 3 x y 3 0 3x y 6 0 En el Ejemplo 6: x y 3 3x y 6 0 En el Ejemplo 7: x y 3 5 5x 3y 5 0 5x 3y 5 0 Una ecuación en una o dos variables de primer grado igualada a cero, se llama forma general de la ecuación de una recta. Su expresión genérica es: Ax By C 0

29 . 9 donde al menos uno de los coeficientes, A ó B, debe ser diferente de cero y C puede o no ser cero. Esta expresión también se denomina ecuación lineal. Dada una ecuación lineal en la forma general con B 0, al expresarla en la forma puntopendiente se encuentra que: Ax By C 0 By Ax C y A B x C B la pendiente m de la recta está dada por el cociente m A B y su ordenada al origen, b, es el cociente C b B Si ahora se expresa en la forma simétrica para conocer sus intersecciones con los ejes coordenados: Ax By C 0 Ax By C Ax C By C C C x C A y C B La intersección con el eje x es C a, y la intersección con el eje y es A C b B

30 . 30 Ejemplos:.) Dada la ecuación de la recta 6x 5y 8 0, se pueden encontrar su pendiente y el punto de intersección con el eje y. Como la ecuación está dada en la forma general donde A = 6; B = 5; C = 8, la solución se encuentra aplicando las fórmulas anteriores. La pendiente de la recta es: A m = B 6 6 = 5 5 Y el punto de intersección con el eje y es: C b = B 8 = ) Dada la recta 3y x 4, se pueden encontrar la pendiente, sus intersecciones con los ejes coordenados y representarla en el plano cartesiano. La ecuación de la recta no está en la forma punto-pendiente ni en la forma pendiente-ordenada al origen; de manera que lo más conveniente es expresarla en la forma general y aplicar las fórmulas para determinar la pendiente y las intersecciones con los ejes. Para ello, se multiplica la ecuación por el denominador de la fracción, se iguala a cero y se reducen términos semejantes: 3 3y x 4 6y 3x 8 3x 6y 8 0

31 . 3 3x 6y 0 0 Con la ecuación de la recta en la forma general, donde A = 3; B = 6 y C = 0, se encuentra que A m = B C a A C b B 3 = La representación en el plano se puede hacer fácilmente con las dos intersecciones sobre los ejes: Figura E5. 3.) Al analizar la ecuación: x 6y xx 5 y operaciones indicadas queda:, si se efectúan las x 4x 4 6y x 5x y Si se pasan todos los términos al primer miembro y se reducen términos semejantes:

32 . 3 x x 4x 5x 6y y 0 9x 7y 0 lo que se obtiene es la ecuación de una recta en la forma general 9x 7y 0 Por tanto, la expresión x 6y xx 5 y representa una recta. Dadas dos rectas, puede ocurrir uno y sólo uno de los siguientes casos:. Las rectas son paralelas. Las rectas son coincidentes (es la misma recta) 3. Las rectas se cortan en uno y solamente un punto y, al cruzarse, el ángulo que forman es a) de 90º, por lo tanto son perpendiculares b) diferente de 90º Conocidas las rectas Ax By C 0 y A ' x B' y C' 0, la(s) condición(es) necesaria(s) y suficiente(s) para estos casos son:. Paralelas Para esto se requiere que sus pendientes sean iguales, m = m. m = m A A' B B' A B A' B' lo cual ocurre cuando los coeficientes de x y de y son proporcionales.. Coincidentes Para esto se necesita que tengan la misma pendiente y un punto común, es decir: m = m y, que por ejemplo, para el punto en que cada recta intersecta al eje x se tenga:

33 . 33 C, 0 A C' =, 0 A' Por la igualdad de pendientes: A A' A B B B' A' B ' y, por la igualdad del punto: C C' A C A A' A' C ' Como dos cantidades iguales a una tercera son iguales entre sí, se tiene que: A B C A' B' C' Por lo tanto, para que dos rectas coincidan, sus coeficientes correspondientes deben ser proporcionales. 3. Se intersecten en un punto y sólo uno: Dos rectas se intersectan solamente en un punto cuando no son paralelas. Entonces, por el caso, dos rectas se intersectan en un punto cuando los coeficientes de x y de y no son proporcionales: AB ' A' B 0 a) Formando un ángulo de 90º (rectas perpendiculares). Dos rectas son perpendiculares si sus pendientes son recíprocas y de signo contrario: m = m' m m = A ' A B B'

34 . 34 AA' BB' AA' BB' AA ' BB' 0 Y esto ocurre cuando la suma de los productos de los coeficientes respectivos de x y de y, es cero. b) Formando un ángulo diferente de 90º. Si AB ' A' B 0 y AA' BB ' 0.Ejemplos:.) Para encontrar el valor de k para que la recta k y 8 0 kx sea paralela a la recta 4x 3y 7 0, como dos rectas son paralelas si los coeficientes de x y y son proporcionales, es decir, si A B AB ' A' B 0, se pueden A' B' tomar los coeficientes de la primera recta como A y B: A = k y B = k ; y los de la segunda como A y B : A = 4 y B = 3. Entonces: y AB ' A' B 0 k 0 3k 4 3k 4k 4 0 k 4 0 k 4 k 3 La recta es: 4x 3y 8 0

35 . 35 Se puede observar que los coeficientes de x y de y son iguales en las dos rectas y que AB ' A' B Las dos rectas sólo difieren en el término independiente..) Para determinar si las rectas R que pasa por los puntos (, ) y (4, 4) y R que pasa por (0, 4) y (3, ) son perpendiculares entre sí conviene analizar los datos que se proporcionan para resolver el problema de la manera más eficiente. Si los datos fueran las ecuaciones de las rectas, lo más sencillo sería verificar si la condición AA ' BB' 0 se cumple o no. Pero como la información son dos puntos de cada recta, lo mejor es utilizar la condición de que las rectas serán perpendiculares si m = y m R. Entonces: m' y = x x y = 3 Por lo que m 4 3 m R = R ; m R m R, " m R y las rectas sí son perpendiculares. 3.) Si la ecuación de la recta R es 5x 7y 0, se puede escribir la ecuación de todas las rectas paralelas a ella de la siguiente manera:

36 . 36 Como dos rectas son paralelas cuando sus pendientes son iguales, o sea que sus coeficientes de x y de y son tales que: A B A' B' y si la ecuación de todas las rectas paralelas a R se representa como Ax By C 0, los coeficientes de R serán A = 5 y B = 7, de modo que de donde A B A B A' B' 5 7, 5 A B 7 Al sustituir A por su equivalente en Ax By C 0 : 5B x By C 0 7 Que también puede expresarse como: Dado que anterior queda como 5Bx 7By 7C 0 5B 7B 7C x y B B B 7C 5x 7y 0 B 0 7C es una constante arbitraria, se le puede llamar k y la ecuación B 5x 7y k 0 De modo que todas las rectas paralelas a R : 5x 7y 0, son aquellas que difieren de ésta únicamente en el término independiente. Como una recta está determinada unívocamente por dos condiciones independientes, cuando sólo se establece una única condición geométrica existe

37 . 37 una infinidad de rectas que la satisfacen a las que se llama familia o haz de rectas. En este ejemplo, la familia de rectas con pendiente 5x 7y k m es: ) Para comprobar que cada una de las rectas: a) 65x 9y b) x y c) x 4y son paralelas a la recta R : 5x 7y 9 0 basta encontrar expresiones equivalentes para ellas con los coeficientes de x y de y iguales o proporcionales a los de R. a) 65x 9y 7 0 Como 65 es múltiplo de 5 (ya que 65 = 5 x 3), y 9 es múltiplo de 7 en la misma proporción (9 = 7 x 3) se tiene: y entonces: y las rectas son paralelas. A 5 A' B 7 B ' A B A' B' 7 b) x y 5 0 5

38 . 38 Por comodidad, puede encontrarse una expresión equivalente con coeficiente 5 (para eliminar la fracción en el coeficiente de y). Al multiplicar por 5 ambos miembros de la ecuación y simplificar, queda: 7 5 x y x 7y 5 0 Se obtiene que A = A, B = B y las rectas son paralelas. 0 c) x 4y Como en el anterior, en este caso es sencillo encontrar las operaciones que se deben efectuar para llegar a una ecuación equivalente con coeficientes proporcionales a 5 para x y a 7 para y al eliminar el denominador del coeficiente de x: x y Puesto que 0x 8y 8 0 A B A' B' se corrobora que R y la recta propuesta son paralelas. Objetivo 6. Recordarás la definición y aplicaciones de la expresión de una recta en la forma normal y cómo obtenerla a partir de la forma general. La forma normal de la ecuación de una recta se obtiene conociendo su distancia al origen, la cual se mide trazando una perpendicular -llamada normal- a la recta, desde el origen y el ángulo de inclinación de dicha normal. La distancia se designa por p y el ángulo por ω, como se ilustra en la Figura 6..

39 . 39 Figura 6. A partir de estos datos, la forma normal de la ecuación de una recta se escribe como x cos ysen p 0 Donde p es un número positivo igual a la longitud de la normal, desde el origen hasta la recta, y ω es el ángulo positivo (menor de 360º), medido desde la parte positiva del eje x hasta la normal. Ejemplos:.) Para encontrar la ecuación de una recta, si la longitud de su normal es 8 y su ángulo de inclinación ω = 60º se tienen los dos datos que se requieren para determinarla. Sólo hace falta calcular el valor del coseno y del seno de 60º, lo cual se puede hacer con ayuda de unas tablas o de una calculadora.

40 . 40 Como sen 60º = cos 60º = 0.5 Al sustituir los valores correspondientes en la forma que tiene la ecuación normal se obtiene: 3 x y 8 0 Si se eliminan los denominadores, multiplicando por a todos los términos, se obtiene la ecuación de la misma recta en su forma general: x 3y 6 0.) Para obtener la ecuación en la forma normal de la recta que es tangente en el punto ( 3, 4) a una circunferencia con centro en el origen y radio 5, es posible auxiliarse con la figura que se muestra: Figura E6.a Como en cualquier circunferencia el radio es perpendicular a las tangentes, entonces la normal es el radio y p = 5.

41 . 4 Los valores del seno y del coseno de ω se obtienen directamente considerando el punto de tangencia ( 3, 4) y el punto ( 3, 0) que proyecta en el eje x ese punto de tangencia: Figura E6.b Entonces, sen ω = p y = 5 4 x y cos ω = 3 = p 5 y la ecuación en forma normal de la recta tangente al círculo en el punto ( 3, 4) es: x y Para expresarla en la forma general conviene multiplicar por 5 para eliminar los denominadores y dejar el primer término positivo: 3x 4y 5 0 Suele ser preferible manejar la ecuación de una recta en la forma general. Sin embargo, la forma normal es especialmente útil para resolver algunos problemas, como por ejemplo el cálculo de la distancia de una recta a un punto dado, o las ecuaciones de las bisectrices de

42 . 4 los ángulos que forman dos rectas al cortarse. La distancia de una recta a un punto es la longitud del segmento perpendicular a la recta que va desde dicha recta hasta el punto. Para estas aplicaciones se utilizan los siguientes teoremas, cuya demostración se puede consultar en algún libro de Geometría Analítica. Teorema. La forma general de la ecuación de una recta, Ax By C 0, puede reducirse a la forma normal dividiéndola por el radical r A B : Ax By C 0 A B o bien: A A B x A B B y A C B 0 donde el signo que antecede al radical se elige de la siguiente manera: a) Si C 0, r es de signo contrario a C b) Si C = 0 y B 0, r es del mismo signo de B c) Si C = B = 0, r y A tienen el mismo signo Teorema. La distancia d (en valor absoluto) de una recta Ax By C 0 a un punto dado P (x, y, ), puede obtenerse con la siguiente expresión: d Ax By C A B Teorema 3. La distancia dirigida d de la recta Ax By C 0 al punto P (x, y ) se obtiene de la fórmula d Ax By A B C donde el signo del radical se elige de acuerdo con lo establecido en el Teorema.

43 . 43 La interpretación del signo de d en el cálculo de una distancia dirigida es ésta: a) Si la recta pasa por el origen: Si d es positiva, el punto P está arriba de la recta. Si d es negativa, P está abajo de la recta. b) Si la recta dada no pasa por el origen: Si d es positiva, el punto P y el origen están en lados opuestos de la recta. Si d es negativa, el punto P y el origen están del mismo lado de la recta. Ejemplos: 3.) Para determinar la forma normal de la ecuación de la recta x 3y 6 basta aplicar la expresión del Teorema : A A B x A B B 0 y A C B 0 y recordar que el signo del radical, si C 0, como en este caso, se elige contrario al de C, de modo que la ecuación de la recta en la forma normal es: 3 x 3 3 y x y x 3y ) Para encontrar la distancia de la recta 5x y 60 0 al punto (3, ), como sólo se pide la distancia (no dirigida), se utiliza el Teorema : d Ax By C A B

44 . 44 donde A = 5, B = y C = 60, en tanto que x = 3 y y =. Al sustituir estos valores en la expresión para d, se encuentra que: d = = = 99 unidades lineales 3 5.) Para encontrar la distancia entre las rectas R : 3x 4y 8 0 y R : 6x 8y 9 0 se observa, primero, que R y R son paralelas porque los coeficientes de las variables x, y en la segunda ecuación son múltiplos de los respectivos coeficientes en la primera: 6 = (3), y 8 = ( 4), de modo que la distancia entre ellas se puede determinar con la expresión del Teorema conociendo un punto de alguna y utilizando la ecuación de la otra. Puesto que es indistinto, se puede tomar a R para la ecuación y determinar un punto de R lo cual se logra dando un valor arbitrario a una de las variables. Así, si se despeja y en la recta R : 6x 8y 9 0 se tiene: 8y 9 6x 8y 9 6x 9 6x y 8 Ahora dando a x cualquier valor, por ejemplo x = : 9 6 y = Entonces,, 5 8 es un punto de la recta R y lo que sigue es aplicar la fórmula correspondiente para la distancia, 3x 4y 8 0. d Ax By C, con la ecuación de R : A B

45 Como A = 3, B = 4, C = 8 y, además, x =, y =, al sustituir estos valores 8 se obtiene: d = = 7 5 = 0 7 La distancia entre las rectas R : 3x 4y 8 0 y R : 6x 8y 9 0 es de siete décimos (unidades de longitud). 6.) La ecuación de la recta paralela a la recta 5x y 0 y distante 4 unidades de ella tiene dos soluciones posibles debido a que a cada lado de dicha recta se encuentra una paralela a 4 unidades de distancia. Los datos del problema son: A = 5, B =, C =, d = ±4 (dado que no se especifica cuál de las dos paralelas se busca, se deben considerar las dos posibilidades para d, es decir que sea igual a +4 o a 4). El punto P (x, y, ) se tomará como un punto cualquiera, arbitrario, de la recta buscada, es decir se tomará como P x, y. Además, en la fórmula d Ax By, el signo del radical será positivo puesto que C < 0. A B C Sustituyendo los datos: 5x y 5 4 5x y ( 4)(3)

46 . 46 Al tomar el signo positivo la ecuación que resulta es: 5x y 5 0 5x y 64 0 y, con el signo negativo: 5x y 5 0 5x y 40 0 Entonces las ecuaciones de las dos rectas paralelas a 5x y 0 y distantes 4 unidades de ella son: 5x y 64 0 y 5x y ) Dadas las rectas R : x y 3 0 y R : x y 0, es posible encontrar la ecuación de la bisectriz del ángulo agudo entre ellas utilizando la fórmula de la distancia de una recta a un punto. La bisectriz de un ángulo es la recta que lo divide en dos ángulos iguales. Como se puede observar en la figura E6.a, las rectas al cruzarse definen dos ángulos que son suplementarios, uno menor de 90º y otro mayor de 90º; se pide encontrar la bisectriz del primero (el señalado como en la figura). Figura E6.a

47 . 47 Dado que los puntos de la bisectriz se encuentran a la misma distancia de ambas rectas, entonces para un punto cualquiera P(x, y) de la bisectriz, se debe cumplir que: Distancia del punto P(x, y) a R = Distancia del punto P(x, y) a R y se puede aplicar el Teorema 3 teniendo en cuenta el signo de la distancia dirigida, para saber si en esta igualdad los dos miembros son del mismo signo o si tienen signos diferentes. El signo de la distancia dirigida dependerá de que los puntos de la bisectriz y el origen se encuentren del mismo lado o en lados opuestos con respecto a cada recta. En la figura E6.b se muestra un punto arbitrario de la bisectriz. Como las rectas no pasan por el origen, la distancia dirigida d es positiva tanto para R como para R, porque el punto P y el origen se encuentran en lados opuestos de cada recta, de modo que en la igualdad los dos miembros tendrán el mismo signo. Figura E6.b Tomando en cuenta que para R, A=, B=, C= 3 y, para R, A=, B=, C= :

48 . 48 x y 3 = x y y por ser C 0 en ambas rectas, el signo del radical en cada miembro se elige contrario al de C. x y 3 x y = 5 5 al eliminar los denominadores queda: x y 3 x y 4y 0 que es la ecuación de la bisectriz pedida. Vale la pena notar que si se hubiera escogido otro punto arbitrario de la bisectriz, como el que se muestra en la figura E6.c, entonces las dos distancias dirigidas hubieran sido negativas, porque el punto P y el origen estarían del mismo lado para cada recta y, de cualquier forma, al hacer la igualdad los dos miembros tendrían el mismo signo, por lo que se obtiene el mismo resultado para cualquier. Figura E6.c