Matemáticas I · Tema 4 · Sección 4.1

Ejercicios resueltos de operaciones con vectores

4 ejercicios resueltos paso a paso del tema 4 de Matemáticas I (Espacios vectoriales y geometría). El enunciado está a la vista y la solución, plegada: intenta cada ejercicio antes de abrirla.

  • vectores
  • suma
  • producto escalar
  • operaciones
  • R²
  • R³

Ejercicio 1

Dificultad: Básico

Dados los vectores u⃗=(3,−1,2)\vec{u} = (3, -1, 2), v⃗=(1,4,−3)\vec{v} = (1, 4, -3) y w⃗=(2,0,5)\vec{w} = (2, 0, 5), calcular:

a) 2u⃗−3v⃗+w⃗2\vec{u} - 3\vec{v} + \vec{w}

b) ∣u⃗∣|\vec{u}|, ∣v⃗∣|\vec{v}| y ∣w⃗∣|\vec{w}|

c) El vector unitario en la dirección de u⃗\vec{u}

d) u⃗+v⃗+w⃗\vec{u} + \vec{v} + \vec{w}

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  1. Paso 1
    Operación lineal con vectores

    2u⃗−3v⃗+w⃗=2(3,−1,2)−3(1,4,−3)+(2,0,5)2\vec{u} - 3\vec{v} + \vec{w} = 2(3, -1, 2) - 3(1, 4, -3) + (2, 0, 5)

    =(6,−2,4)−(3,12,−9)+(2,0,5)= (6, -2, 4) - (3, 12, -9) + (2, 0, 5)

    =(6−3+2,−2−12+0,4−(−9)+5)=(5,−14,18)= (6-3+2, -2-12+0, 4-(-9)+5) = (5, -14, 18)

  2. Paso 2
    Cálculo de módulos

    ∣u⃗∣=32+(−1)2+22=9+1+4=14|\vec{u}| = \sqrt{3^2 + (-1)^2 + 2^2} = \sqrt{9 + 1 + 4} = \sqrt{14}

    ∣v⃗∣=12+42+(−3)2=1+16+9=26|\vec{v}| = \sqrt{1^2 + 4^2 + (-3)^2} = \sqrt{1 + 16 + 9} = \sqrt{26}

    ∣w⃗∣=22+02+52=4+0+25=29|\vec{w}| = \sqrt{2^2 + 0^2 + 5^2} = \sqrt{4 + 0 + 25} = \sqrt{29}

  3. Paso 3
    Vector unitario

    u^=u⃗∣u⃗∣=(3,−1,2)14=(314,−114,214)\hat{u} = \frac{\vec{u}}{|\vec{u}|} = \frac{(3, -1, 2)}{\sqrt{14}} = \left(\frac{3}{\sqrt{14}}, \frac{-1}{\sqrt{14}}, \frac{2}{\sqrt{14}}\right)

  4. Paso 4
    Suma de vectores

    u⃗+v⃗+w⃗=(3,−1,2)+(1,4,−3)+(2,0,5)=(6,3,4)\vec{u} + \vec{v} + \vec{w} = (3, -1, 2) + (1, 4, -3) + (2, 0, 5) = (6, 3, 4)

Ejercicio 2

Dificultad: Intermedio

Para los vectores a⃗=(2,3,−1)\vec{a} = (2, 3, -1) y b⃗=(−1,2,4)\vec{b} = (-1, 2, 4), determinar:

a) 3a⃗−2b⃗3\vec{a} - 2\vec{b}

b) Un vector c⃗\vec{c} tal que a⃗+2c⃗=b⃗\vec{a} + 2\vec{c} = \vec{b}

c) Los vectores a⃗+tb⃗\vec{a} + t\vec{b} para t=0,1,2,−1t = 0, 1, 2, -1

d) El punto medio del segmento que une las puntas de a⃗\vec{a} y b⃗\vec{b}

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  1. Paso 1
    Operación lineal

    3a⃗−2b⃗=3(2,3,−1)−2(−1,2,4)3\vec{a} - 2\vec{b} = 3(2, 3, -1) - 2(-1, 2, 4)

    =(6,9,−3)−(−2,4,8)=(6+2,9−4,−3−8)=(8,5,−11)= (6, 9, -3) - (-2, 4, 8) = (6+2, 9-4, -3-8) = (8, 5, -11)

  2. Paso 2
    Despeje del vector desconocido

    a⃗+2c⃗=b⃗⇒2c⃗=b⃗−a⃗\vec{a} + 2\vec{c} = \vec{b} \Rightarrow 2\vec{c} = \vec{b} - \vec{a}

    2c⃗=(−1,2,4)−(2,3,−1)=(−3,−1,5)2\vec{c} = (-1, 2, 4) - (2, 3, -1) = (-3, -1, 5)

    c⃗=(−32,−12,52)\vec{c} = \left(-\frac{3}{2}, -\frac{1}{2}, \frac{5}{2}\right)

  3. Paso 3
    Evaluación paramétrica

    Para t=0t = 0: a⃗+0b⃗=(2,3,−1)\vec{a} + 0\vec{b} = (2, 3, -1)

    Para t=1t = 1: a⃗+b⃗=(2,3,−1)+(−1,2,4)=(1,5,3)\vec{a} + \vec{b} = (2, 3, -1) + (-1, 2, 4) = (1, 5, 3)

    Para t=2t = 2: a⃗+2b⃗=(2,3,−1)+2(−1,2,4)=(0,7,7)\vec{a} + 2\vec{b} = (2, 3, -1) + 2(-1, 2, 4) = (0, 7, 7)

    Para t=−1t = -1: a⃗−b⃗=(2,3,−1)−(−1,2,4)=(3,1,−5)\vec{a} - \vec{b} = (2, 3, -1) - (-1, 2, 4) = (3, 1, -5)

  4. Paso 4
    Punto medio

    m⃗=a⃗+b⃗2=(2,3,−1)+(−1,2,4)2=(1,5,3)2=(12,52,32)\vec{m} = \frac{\vec{a} + \vec{b}}{2} = \frac{(2, 3, -1) + (-1, 2, 4)}{2} = \frac{(1, 5, 3)}{2} = \left(\frac{1}{2}, \frac{5}{2}, \frac{3}{2}\right)

Ejercicio 3

Dificultad: Avanzado

Sean p⃗=(1,−2,3)\vec{p} = (1, -2, 3), q⃗=(4,1,−1)\vec{q} = (4, 1, -1) y r⃗=(0,3,2)\vec{r} = (0, 3, 2). Calcular:

a) ∣p⃗−q⃗∣|\vec{p} - \vec{q}| y ∣q⃗−r⃗∣|\vec{q} - \vec{r}|

b) El vector s⃗\vec{s} tal que p⃗+q⃗+r⃗+s⃗=0⃗\vec{p} + \vec{q} + \vec{r} + \vec{s} = \vec{0}

c) La distancia entre los extremos de p⃗\vec{p} y r⃗\vec{r}

d) Verificar que ∣p⃗+q⃗∣≤∣p⃗∣+∣q⃗∣|\vec{p} + \vec{q}| \leq |\vec{p}| + |\vec{q}| (desigualdad triangular)

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  1. Paso 1
    Distancias entre vectores

    p⃗−q⃗=(1,−2,3)−(4,1,−1)=(−3,−3,4)\vec{p} - \vec{q} = (1, -2, 3) - (4, 1, -1) = (-3, -3, 4)

    ∣p⃗−q⃗∣=(−3)2+(−3)2+42=9+9+16=34|\vec{p} - \vec{q}| = \sqrt{(-3)^2 + (-3)^2 + 4^2} = \sqrt{9 + 9 + 16} = \sqrt{34}

    q⃗−r⃗=(4,1,−1)−(0,3,2)=(4,−2,−3)\vec{q} - \vec{r} = (4, 1, -1) - (0, 3, 2) = (4, -2, -3)

    ∣q⃗−r⃗∣=42+(−2)2+(−3)2=16+4+9=29|\vec{q} - \vec{r}| = \sqrt{4^2 + (-2)^2 + (-3)^2} = \sqrt{16 + 4 + 9} = \sqrt{29}

  2. Paso 2
    Vector para suma cero

    p⃗+q⃗+r⃗+s⃗=0⃗⇒s⃗=−(p⃗+q⃗+r⃗)\vec{p} + \vec{q} + \vec{r} + \vec{s} = \vec{0} \Rightarrow \vec{s} = -(\vec{p} + \vec{q} + \vec{r})

    p⃗+q⃗+r⃗=(1,−2,3)+(4,1,−1)+(0,3,2)=(5,2,4)\vec{p} + \vec{q} + \vec{r} = (1, -2, 3) + (4, 1, -1) + (0, 3, 2) = (5, 2, 4)

    s⃗=(−5,−2,−4)\vec{s} = (-5, -2, -4)

  3. Paso 3
    Distancia entre extremos

    p⃗−r⃗=(1,−2,3)−(0,3,2)=(1,−5,1)\vec{p} - \vec{r} = (1, -2, 3) - (0, 3, 2) = (1, -5, 1)

    ∣p⃗−r⃗∣=12+(−5)2+12=1+25+1=27=33|\vec{p} - \vec{r}| = \sqrt{1^2 + (-5)^2 + 1^2} = \sqrt{1 + 25 + 1} = \sqrt{27} = 3\sqrt{3}

  4. Paso 4
    Verificación de desigualdad triangular

    p⃗+q⃗=(1,−2,3)+(4,1,−1)=(5,−1,2)\vec{p} + \vec{q} = (1, -2, 3) + (4, 1, -1) = (5, -1, 2)

    ∣p⃗+q⃗∣=25+1+4=30|\vec{p} + \vec{q}| = \sqrt{25 + 1 + 4} = \sqrt{30}

    ∣p⃗∣=1+4+9=14|\vec{p}| = \sqrt{1 + 4 + 9} = \sqrt{14}, ∣q⃗∣=16+1+1=18|\vec{q}| = \sqrt{16 + 1 + 1} = \sqrt{18}

    ∣p⃗∣+∣q⃗∣=14+18≈3.74+4.24=7.98|\vec{p}| + |\vec{q}| = \sqrt{14} + \sqrt{18} \approx 3.74 + 4.24 = 7.98

    ∣p⃗+q⃗∣=30≈5.48|\vec{p} + \vec{q}| = \sqrt{30} \approx 5.48

    Se cumple: 5.48≤7.985.48 \leq 7.98 ✓

Ejercicio 4

Dificultad: Experto

Dados los vectores x⃗=(a,2,−1)\vec{x} = (a, 2, -1), y⃗=(1,b,3)\vec{y} = (1, b, 3) y z⃗=(2,1,c)\vec{z} = (2, 1, c):

a) Determinar aa para que ∣x⃗∣=3|\vec{x}| = 3

b) Encontrar bb para que x⃗⊥y⃗\vec{x} \perp \vec{y} (cuando a=2a = 2)

c) Calcular c>0c > 0 para que ∣z⃗∣=3|\vec{z}| = 3

d) Con los valores encontrados (a=2a = 2), verificar que x⃗+y⃗−z⃗=(1,32,0)\vec{x} + \vec{y} - \vec{z} = \left(1, \frac{3}{2}, 0\right)

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  1. Paso 1
    Determinación de aa para módulo específico

    ∣x⃗∣2=a2+4+1=a2+5=9|\vec{x}|^2 = a^2 + 4 + 1 = a^2 + 5 = 9

    a2=4⇒a=±2a^2 = 4 \Rightarrow a = \pm 2

  2. Paso 2
    Determinación de bb para perpendicularidad (con a=2a = 2)

    x⃗=(2,2,−1)\vec{x} = (2, 2, -1) y y⃗=(1,b,3)\vec{y} = (1, b, 3)

    x⃗⋅y⃗=2(1)+2(b)+(−1)(3)=2+2b−3=2b−1=0\vec{x} \cdot \vec{y} = 2(1) + 2(b) + (-1)(3) = 2 + 2b - 3 = 2b - 1 = 0

    b=12b = \frac{1}{2}

  3. Paso 3
    Determinación de cc para que ∣z⃗∣=3|\vec{z}| = 3

    ∣z⃗∣2=4+1+c2=5+c2=9|\vec{z}|^2 = 4 + 1 + c^2 = 5 + c^2 = 9

    c2=4⇒c=2c^2 = 4 \Rightarrow c = 2 (tomando c>0c > 0)

    (Observación: z⃗\vec{z} no puede ser unitario para ningún cc, porque ∣z⃗∣2=5+c2≥5|\vec{z}|^2 = 5 + c^2 \geq 5.)

  4. Paso 4
    Verificación con a=2a = 2, b=12b = \frac{1}{2}, c=2c = 2

    x⃗=(2,2,−1)\vec{x} = (2, 2, -1), y⃗=(1,12,3)\vec{y} = \left(1, \frac{1}{2}, 3\right), z⃗=(2,1,2)\vec{z} = (2, 1, 2)

    x⃗+y⃗−z⃗=(2,2,−1)+(1,12,3)−(2,1,2)\vec{x} + \vec{y} - \vec{z} = (2, 2, -1) + \left(1, \frac{1}{2}, 3\right) - (2, 1, 2)

    =(2+1−2,2+12−1,−1+3−2)=(1,32,0)= \left(2+1-2, 2+\frac{1}{2}-1, -1+3-2\right) = \left(1, \frac{3}{2}, 0\right) ✓