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Note per Studenti Esercizio 101 · distanza punto-piano e retta parallela a un piano (appello 2/9/2021)

Esercizio 101distanza punto-piano e retta parallela a un piano (appello 2/9/2021)

Esame
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Testo (3° appello del 2 settembre 2021, esercizio 4). Nello spazio affine AR3\mathbb{A}^3_{\mathbb{R}} sono dati il punto A=(5,0,5)A = (5, 0, 5) e il piano π:2x−y+z=3\pi: 2x - y + z = 3.

(a) Determinare la distanza dist⁡(A,π)\operatorname{dist}(A, \pi) di AA dal piano π\pi e il punto A′∈πA' \in \pi di minima distanza da AA. (b) Determinare l'equazione cartesiana di un piano π′\pi' parallelo al piano π\pi e tale che dist⁡(A,π′)=12dist⁡(A,π)\operatorname{dist}(A, \pi') = \frac12 \operatorname{dist}(A, \pi). (c) Scrivere le equazioni parametriche della retta rr passante per AA, parallela al piano π\pi e ortogonale al vettore v=(1,2,−3)v = (1, 2, -3). (d) Dato il punto B=(7,−6,−2)B = (7, -6, -2) trovare il punto B′∈rB' \in r di minima distanza da BB.

Teoria usata: Distanze e angoli nello spazio affineLa distanza tra due punti è la norma del vettore che li unisce. La distanza di un punto Q da un sottospazio affine L si misura dal piede della perpendicolare H, l'unico punto di L con Q − H ortogonale allo spazio direttore. Per un iperpiano a·x = b vale la formula |a·Q − b|/‖a‖. Rette sghembe: perpendicolare comune. Angoli tra rette e piani dai vettori direttori e normali.Distanze e angoli nello spazio affine →, Spazi affini, rette e pianiNello spazio affine Aⁿ si distinguono punti e vettori (Q − P è il vettore da P a Q). Un sottospazio affine è L = P + W, un punto più un sottospazio vettoriale (lo spazio direttore): si descrive con equazioni parametriche X = P + t₁w₁ + … oppure cartesiane AX = B. Rette e piani di A³, passaggio tra i due tipi di equazioni, posizione reciproca: incidenti, paralleli, sghembi.Spazi affini, rette e piani →, Prodotto vettoriale e prodotto mistoIl prodotto vettoriale v × w di due vettori di R³ è ortogonale a entrambi, ha norma uguale all'area del parallelogramma che formano e verso dato dalla regola della mano destra; si calcola con un determinante simbolico. Il prodotto misto u · (v × w) = det(u, v, w) è il volume (con segno) del parallelepipedo. Applicazioni: normale a un piano per tre punti, direzione di una retta intersezione di due piani, aree, volumi, distanza tra rette sghembe.Prodotto vettoriale e prodotto misto →, Fasci di pianiI piani che contengono una retta r = {f₁ = 0, f₂ = 0} sono tutti e soli i piani λf₁ + μf₂ = 0, con (λ, μ) ≠ (0, 0): è il fascio di piani di asse r. Serve a trovare in un colpo il piano per r che passa per un punto, è parallelo a una direzione o è ortogonale a un altro piano. Varianti: fascio di piani paralleli, stella di piani per un punto.Fasci di piani →.


(a) Distanza da π\pi e punto più vicino

Idea. Il punto di π\pi più vicino ad AA è il piede della perpendicolare: si scende da AA lungo la normale di π\pi fino a toccare il piano.

La normale di π\pi si legge dai coefficienti: n=(2,−1,1)n = (2, -1, 1) (i coefficienti di x, y, z sono una normaleL'equazione ax + by + cz = d dice che (a, b, c) · (X − P) = 0 per ogni coppia di punti X, P del piano.Spazi affini, rette e piani →). La retta per AA ortogonale a π\pi ha direzione nn, cioè X=A+t nX = A + t\,n:

s: (x,y,z)=(5+2t, −t, 5+t).s: \ (x, y, z) = (5 + 2t, \ -t, \ 5 + t).

Intersezione con π\pi: 2(5+2t)−(−t)+(5+t)=10+4t+t+5+t=32(5 + 2t) - (-t) + (5 + t) = 10 + 4t + t + 5 + t = 3, cioè 15+6t=315 + 6t = 3, t=−2t = -2. Quindi

A′=(5−4, 2, 5−2)=(1,2,3),dist⁡(A,π)=∥A−A′∥=∥(4,−2,2)∥=16+4+4=24=26.A' = (5 - 4, \ 2, \ 5 - 2) = (1, 2, 3), \qquad \operatorname{dist}(A, \pi) = \|A - A'\| = \|(4, -2, 2)\| = \sqrt{16 + 4 + 4} = \sqrt{24} = 2\sqrt6 .

Controllo: A′∈πA' \in \pi perché 2−2+3=32 - 2 + 3 = 3 ✓.

Con la formula della distanza punto-pianoPer il piano a·x = b e il punto Q la distanza è il valore assoluto di a·Q − b diviso per ‖a‖.Distanze e angoli nello spazio affine → dist⁡(A,π)=∣2⋅5−0+5−3∣4+1+1=126=1266=26\operatorname{dist}(A, \pi) = \frac{|2 \cdot 5 - 0 + 5 - 3|}{\sqrt{4 + 1 + 1}} = \frac{12}{\sqrt6} = \frac{12\sqrt6}{6} = 2\sqrt6 ✓ (razionalizzando: si moltiplicano numeratore e denominatore per 6\sqrt6).

Osservazione utile per (b): A−A′=(4,−2,2)=2nA - A' = (4, -2, 2) = 2n, cioè A=A′+2nA = A' + 2n.

(b) Piani paralleli a π\pi a distanza dimezzata

I piani paralleli a π\pi hanno la stessa normale: 2x−y+z=k2x - y + z = k (fascio improprioI piani che contengono una retta r = {f₁ = 0, f₂ = 0} sono tutti e soli i piani λf₁ + μf₂ = 0, con (λ, μ) ≠ (0, 0): è il fascio di piani di asse r. Serve a trovare in un colpo il piano per r che passa per un punto, è parallelo a una direzione o è ortogonale a un altro piano. Varianti: fascio di piani paralleli, stella di piani per un punto.Fasci di piani →). La distanza richiesta è 12⋅26=6\frac12 \cdot 2\sqrt6 = \sqrt6:

dist⁡(A,π′)=∣10−0+5−k∣6=∣15−k∣6=6  ⟺  ∣15−k∣=6  ⟺  k=9  oppure  k=21.\operatorname{dist}(A, \pi') = \frac{|10 - 0 + 5 - k|}{\sqrt6} = \frac{|15 - k|}{\sqrt6} = \sqrt6 \iff |15 - k| = 6 \iff k = 9 \ \text{ oppure } \ k = 21 .

(Moltiplicando per 6\sqrt6: ∣15−k∣=6⋅6=6|15 - k| = \sqrt6 \cdot \sqrt6 = 6. Per il valore assolutoIl valore assoluto di un numero a vale 6 se e solo se a = 6 oppure a = −6.Valore assoluto (modulo) → ∣15−k∣=6|15 - k| = 6 significa 15−k=615 - k = 6, cioè k=9k = 9, oppure 15−k=−615 - k = -6, cioè k=21k = 21.)

π1′: 2x−y+z=9,π2′: 2x−y+z=21.\pi'_1: \ 2x - y + z = 9, \qquad \pi'_2: \ 2x - y + z = 21 .

Interpretazione. I due piani passano per A∓nA \mp n: A−n=(3,1,4)A - n = (3, 1, 4) (6−1+4=96 - 1 + 4 = 9 ✓), tra AA e π\pi; A+n=(7,−1,6)A + n = (7, -1, 6) (14+1+6=2114 + 1 + 6 = 21 ✓), dalla parte opposta di AA. Siccome AA dista 2∥n∥2\|n\| da π\pi, spostarsi di ∥n∥\|n\| lungo la normale dimezza la distanza. Il testo chiede "un piano": va bene uno qualsiasi dei due.

Tagliando con un piano che contiene la retta ss (la perpendicolare da AA), i tre piani paralleli diventano tre rette parallele: in questa sezione l'asse verticale misura la distanza da π\pi lungo nn (unità: la lunghezza vera), con A′A' nell'origine.

Grafico interattivo: Sezione con un piano che contiene la normale per A: π, π′₁ e π′₂ diventano rette parallele; A dista 2√6 ≈ 4,9 da π e √6 ≈ 2,45 da entrambi i piani trovati

(c) Retta per AA parallela a π\pi e ortogonale a vv

Il vettore direttore vrv_r deve essere:

  • parallelo a π\pi, cioè ortogonale alla normale: vr⋅n=0v_r \cdot n = 0;
  • ortogonale a vv: vr⋅v=0v_r \cdot v = 0.

Un vettore ortogonale a due vettori dati (non paralleli) è il loro prodotto vettoriale(a₁, a₂, a₃) × (b₁, b₂, b₃) = (a₂b₃ − a₃b₂, a₃b₁ − a₁b₃, a₁b₂ − a₂b₁), ortogonale a entrambi i fattori.Prodotto vettoriale e prodotto misto →:

vr=n×v=(2,−1,1)×(1,2,−3)=((−1)(−3)−1⋅2,  1⋅1−2⋅(−3),  2⋅2−(−1)⋅1)=(1,7,5).v_r = n \times v = (2, -1, 1) \times (1, 2, -3) = \big((-1)(-3) - 1 \cdot 2, \ \ 1 \cdot 1 - 2 \cdot (-3), \ \ 2 \cdot 2 - (-1) \cdot 1\big) = (1, 7, 5).

Controlli: (1,7,5)⋅(2,−1,1)=2−7+5=0(1, 7, 5) \cdot (2, -1, 1) = 2 - 7 + 5 = 0 ✓; (1,7,5)⋅(1,2,−3)=1+14−15=0(1, 7, 5) \cdot (1, 2, -3) = 1 + 14 - 15 = 0 ✓.

r:{x=5+ty=7tz=5+5tr: \begin{cases} x = 5 + t \\ y = 7t \\ z = 5 + 5t \end{cases}

(d) Punto di rr più vicino a BB

Punto generico di rr: R=(5+t, 7t, 5+5t)R = (5 + t, \ 7t, \ 5 + 5t). Il punto più vicino è il piede della perpendicolareL'unico punto H della retta con B − H ortogonale alla direzione della retta; per Pitagora ogni altro punto della retta è più lontano.Distanze e angoli nello spazio affine →, quello per cui R−BR - B è ortogonale alla direzione della retta:

R−B=(−2+t, 6+7t, 7+5t),(R−B)⋅(1,7,5)=(−2+t)+(42+49t)+(35+25t)=75+75t=0.R - B = (-2 + t, \ 6 + 7t, \ 7 + 5t), \qquad (R - B) \cdot (1, 7, 5) = (-2 + t) + (42 + 49t) + (35 + 25t) = 75 + 75t = 0 .

Quindi t=−1t = -1 e

B′=(5−1, −7, 5−5)=(4,−7,0),dist⁡(B,r)=∥B−B′∥=∥(3,1,−2)∥=9+1+4=14.B' = (5 - 1,\ -7,\ 5 - 5) = (4, -7, 0), \qquad \operatorname{dist}(B, r) = \|B - B'\| = \|(3, 1, -2)\| = \sqrt{9 + 1 + 4} = \sqrt{14} .

(Nel prodotto scalare i termini noti danno −2+42+35=75-2 + 42 + 35 = 75 e i coefficienti di tt danno 1+49+25=751 + 49 + 25 = 75.)

Controllo: (3,1,−2)⋅(1,7,5)=3+7−10=0(3, 1, -2) \cdot (1, 7, 5) = 3 + 7 - 10 = 0 ✓.

Errori comuni

  • Dimenticare uno dei due piani in (b): con il valore assoluto le soluzioni sono due.
  • Prendere come direttore di rr la normale nn in (c): una retta parallela al piano ha direttore ortogonale a nn.
  • In (d) imporre (R−B)⋅n=0(R - B) \cdot n = 0: l'ortogonalità va imposta rispetto alla direzione di rr, la retta su cui si cerca il punto.

Versione ripasso

Testo. Nello spazio affine AR3\mathbb{A}^3_{\mathbb{R}} sono dati il punto A=(5,0,5)A = (5, 0, 5) e il piano π:2x−y+z=3\pi: 2x - y + z = 3.

(a) Determinare la distanza dist⁡(A,π)\operatorname{dist}(A, \pi) di AA dal piano π\pi e il punto A′∈πA' \in \pi di minima distanza da AA. (b) Determinare l'equazione cartesiana di un piano π′\pi' parallelo al piano π\pi e tale che dist⁡(A,π′)=12dist⁡(A,π)\operatorname{dist}(A, \pi') = \frac12 \operatorname{dist}(A, \pi). (c) Scrivere le equazioni parametriche della retta rr passante per AA, parallela al piano π\pi e ortogonale al vettore v=(1,2,−3)v = (1, 2, -3). (d) Dato il punto B=(7,−6,−2)B = (7, -6, -2) trovare il punto B′∈rB' \in r di minima distanza da BB.


(a) Distanza e punto più vicino

Normale n=(2,−1,1)n = (2, -1, 1). Retta per AA ortogonale a π\pi: s:(5+2t,−t,5+t)s: (5+2t, -t, 5+t).

  1. Intersezione con π\pi: 2(5+2t)−(−t)+(5+t)=3⇒15+6t=3⇒t=−22(5+2t) - (-t) + (5+t) = 3 \Rightarrow 15 + 6t = 3 \Rightarrow t = -2.
  2. Punto A′=(1,2,3)A' = (1, 2, 3).
  3. Distanza: dist⁡(A,π)=∥A−A′∥=42+(−2)2+22=24=26\operatorname{dist}(A, \pi) = \|A - A'\| = \sqrt{4^2 + (-2)^2 + 2^2} = \sqrt{24} = 2\sqrt{6}.

(b) Piani paralleli a distanza dimezzata

Piani del fascio: 2x−y+z=k2x - y + z = k. Distanza richiesta: 6\sqrt{6}.

  1. ∣2(5)−0+5−k∣22+(−1)2+12=6⇒∣15−k∣=6\frac{|2(5) - 0 + 5 - k|}{\sqrt{2^2 + (-1)^2 + 1^2}} = \sqrt{6} \Rightarrow |15 - k| = 6.
  2. k1=9,k2=21⇒π1′:2x−y+z=9k_1 = 9, k_2 = 21 \Rightarrow \pi'_1: 2x - y + z = 9, π2′:2x−y+z=21\pi'_2: 2x - y + z = 21.

(c) Retta rr

Direttore vr=n×v=(2,−1,1)×(1,2,−3)=(1,7,5)v_r = n \times v = (2, -1, 1) \times (1, 2, -3) = (1, 7, 5). r:{x=5+ty=7tz=5+5tr: \begin{cases} x = 5 + t \\ y = 7t \\ z = 5 + 5t \end{cases}

(d) Punto B′∈rB' \in r più vicino a BB

R(t)=(5+t,7t,5+5t)R(t) = (5+t, 7t, 5+5t). Imporre (R−B)⋅vr=0(R-B) \cdot v_r = 0:

  1. R−B=(−2+t,6+7t,7+5t)R-B = (-2+t, 6+7t, 7+5t).
  2. (−2+t)+7(6+7t)+5(7+5t)=0⇒75t+75=0⇒t=−1(-2+t) + 7(6+7t) + 5(7+5t) = 0 \Rightarrow 75t + 75 = 0 \Rightarrow t = -1.
  3. B′=(4,−7,0)B' = (4, -7, 0).

Errori comuni

  • (b) Dimenticare il valore assoluto perdendo una delle due soluzioni.
  • (c) Usare nn come direttore di rr invece di n×vn \times v.
  • (d) Usare la normale nn invece del direttore di rr per il prodotto scalare.

Teoria collegata