Matemáticas IIMedioProblema · 2,5 pts

Áreas, volúmenes y distancias

Andalucía · 2024 · Julio
Enunciado
Ejercicio 8 (bloque D). Considera los puntos A(4,0,0)A(4,0,0) y B(0,2,0)B(0,2,0). Calcula los puntos del plano OXZOXZ que forman un triángulo equilátero con AA y BB.
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Resultado
  P1(32, 0, 552)yP2(32, 0, −552)  \boxed{\;P_{1}\left(\frac{3}{2},\ 0,\ \frac{\sqrt{55}}{2}\right) \qquad\text{y}\qquad P_{2}\left(\frac{3}{2},\ 0,\ -\frac{\sqrt{55}}{2}\right)\;}
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Estrategia

"Punto del plano OXZOXZ" significa que su segunda coordenada es cero: el punto genérico es P(x, 0, z)P(x,\,0,\,z), con dos incógnitas. Y "triángulo equilátero" significa que los tres lados miden lo mismo; como el lado ABAB ya está fijado, las condiciones son∥PA→∥=∥PB→∥=∥AB→∥\lVert\overrightarrow{PA}\rVert = \lVert\overrightarrow{PB}\rVert = \lVert\overrightarrow{AB}\rVertDos ecuaciones, dos incógnitas. Y un consejo de método: trabaja siempre con los cuadrados de las distancias, para no arrastrar raíces. Además, al restar las dos ecuaciones los términos x2x^{2} y z2z^{2} se cancelan y queda una ecuación lineal en xx: primero sale xx, y después zz (con dos signos).
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Desarrollo

El lado conocido.AB→=B−A=(−4, 2, 0)  ⟹  ∥AB→∥2=16+4+0=20\overrightarrow{AB} = B - A = (-4,\ 2,\ 0) \;\Longrightarrow\; \lVert\overrightarrow{AB}\rVert^{2} = 16 + 4 + 0 = 20(el lado del triángulo mide 20=25≈4,47\sqrt{20} = 2\sqrt{5} \approx 4{,}47).

El punto genérico del plano OXZOXZ (el de ecuación y=0y=0) es P(x, 0, z)P(x,\,0,\,z). Las dos condiciones, en forma cuadrática:∥PA→∥2=(4−x)2+0+z2=20(1)\lVert\overrightarrow{PA}\rVert^{2} = (4-x)^{2} + 0 + z^{2} = 20 \qquad (1)∥PB→∥2=x2+(2−0)2+z2=x2+4+z2=20(2)\lVert\overrightarrow{PB}\rVert^{2} = x^{2} + (2-0)^{2} + z^{2} = x^{2} + 4 + z^{2} = 20 \qquad (2)De (2):x2+z2=16x^{2} + z^{2} = 16Llevándolo a (1), tras desarrollar el cuadrado:x2−8x+16+z2=20  ⟹  (x2+z2)⏟= 16−8x+16=20x^{2} - 8x + 16 + z^{2} = 20 \;\Longrightarrow\; \underbrace{\bigl(x^{2}+z^{2}\bigr)}_{=\,16} - 8x + 16 = 2016−8x+16=20  ⟹  −8x=−12  ⟹  x=3216 - 8x + 16 = 20 \;\Longrightarrow\; -8x = -12 \;\Longrightarrow\; x = \frac{3}{2}Y volviendo a x2+z2=16x^{2}+z^{2}=16:z2=16−94=554  ⟹  z=±552≈±3,71z^{2} = 16 - \frac{9}{4} = \frac{55}{4} \;\Longrightarrow\; z = \pm\frac{\sqrt{55}}{2} \approx \pm 3{,}71Hay, por tanto, dos puntos:P1(32, 0, 552)yP2(32, 0, −552)P_{1}\left(\frac{3}{2},\ 0,\ \frac{\sqrt{55}}{2}\right) \qquad\text{y}\qquad P_{2}\left(\frac{3}{2},\ 0,\ -\frac{\sqrt{55}}{2}\right)Comprobación (con P1P_{1}; para P2P_{2} es idéntica porque zz solo aparece al cuadrado):∥P1A→∥2=(4−32)2+554=254+554=804=20\lVert\overrightarrow{P_{1}A}\rVert^{2} = \left(4 - \frac{3}{2}\right)^{2} + \frac{55}{4} = \frac{25}{4} + \frac{55}{4} = \frac{80}{4} = 20∥P1B→∥2=94+4+554=644+4=20\lVert\overrightarrow{P_{1}B}\rVert^{2} = \frac{9}{4} + 4 + \frac{55}{4} = \frac{64}{4} + 4 = 20Los tres lados miden 20\sqrt{20}: el triángulo es equilátero.

Interpretación geométrica: los dos puntos son simétricos respecto del plano OXYOXY, uno "por encima" y otro "por debajo". Tiene sentido: el segmento ABAB está en el plano z=0z=0, y su mediatriz dentro del plano OXZOXZ es una recta vertical, que corta a la esfera de radio 252\sqrt{5} en dos puntos.
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Consejo

Traduce "plano OXZOXZ" a y=0y = 0 antes de escribir nada más: el punto genérico es P(x,0,z)P(x,0,z), con dos incógnitas y no tres. Buscarlo con tres coordenadas libres deja el sistema indeterminado.

Iguala cuadrados de distancias, no distancias: te ahorras las raíces y, al restar las dos ecuaciones, se cancelan x2x^{2} y z2z^{2} y sale xx de forma inmediata. Y da los dos puntos: el ±\pm de la raíz de zz no es opcional.
Paso 1 de 3
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