Rectas que se cruzan

Dos rectas $r$ y $s$ en el espacio pueden ocupar cuatro posiciones relativas:

PosiciónCondición
ParalelasVectores directores proporcionales y sin puntos comunes
SecantesSe cortan en un punto (son coplanarias)
CoincidentesMismos puntos (misma recta)
Se cruzanNo son paralelas ni se cortan: no son coplanarias

Para comprobar que dos rectas se cruzan basta con ver que sus vectores directores no son proporcionales y que el sistema que iguala sus ecuaciones paramétricas no tiene solución.

Fórmula de la distancia

Sean $r$ y $s$ dos rectas que se cruzan, con vectores directores $\vec u$ y $\vec v$, y puntos $A \in r$ y $B \in s$. La distancia entre ellas es:

$$ d(r,s) = \frac{\left| [\vec u, \vec v, \overrightarrow{AB}] \right|}{\left| \vec u \times \vec v \right|} $$

donde $[\vec u, \vec v, \overrightarrow{AB}]$ es el producto mixto (el determinante de las tres coordenadas) y $\vec u \times \vec v$ es el producto vectorial.

Interpretación geométrica: el numerador es el volumen del paralelepípedo que generan los tres vectores y el denominador es el área de su base; el cociente da la altura, que es precisamente la longitud del segmento perpendicular común a ambas rectas.

Método alternativo

1. Se construye el plano $\pi$ que contiene a $r$ y es paralelo a $s$ (usando el punto de $r$ y los dos directores). 2. La distancia entre las rectas coincide con la distancia de un punto de $s$ al plano $\pi$:

$$ d(r,s) = d(P_s, \pi) = \frac{\left| ax_0 + by_0 + cz_0 + d \right|}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}} $$

Ejemplo resuelto

$r: (1,0,1) + t(1,1,0)$ y $s: (0,1,0) + s(0,0,1)$

Paso 1 — ¿Se cruzan? $\vec u = (1,1,0)$ y $\vec v = (0,0,1)$ no son proporcionales, luego no son paralelas. Igualando $1 + t = 0$ se obtiene $t = -1$, pero entonces $y = -1 \neq 1$: no se cortan. Se cruzan.

Paso 2 — Vectores. $A = (1,0,1)$, $B = (0,1,0)$, luego $\overrightarrow{AB} = (-1,1,-1)$.

Paso 3 — Producto vectorial:

$$ \vec u \times \vec v = \begin{vmatrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ 1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{vmatrix} = (1, -1, 0), \quad \left|\vec u \times \vec v\right| = \sqrt{1^2 + (-1)^2} = \sqrt{2} $$

Paso 4 — Producto mixto:

$$ [\vec u, \vec v, \overrightarrow{AB}] = \begin{vmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ -1 & 1 & -1 \end{vmatrix} = 1\cdot(0\cdot(-1) - 1\cdot 1) - 1\cdot(0\cdot(-1) - 1\cdot(-1)) = -1 - 1 = -2 $$

Paso 5 — Distancia:

$$ d(r,s) = \frac{|-2|}{\sqrt{2}} = \frac{2}{\sqrt{2}} = \sqrt{2} \approx 1{,}41 $$

Errores comunes

  • Usar la fórmula con $\vec u \times \vec v = \vec 0$: la fórmula solo vale para rectas que se cruzan (no paralelas).
  • Olvidar el valor absoluto del producto mixto: la distancia es siempre positiva.
  • Confundir la distancia entre rectas que se cruzan con la distancia entre rectas paralelas (que se calcula como la distancia de un punto de una recta a la otra).
  • No simplificar el resultado: $2/\sqrt{2} = \sqrt{2}$, no dejar la raíz en el denominador.

1. Dos rectas en el espacio que se cruzan cumplen que: (1 puntos)

2. La distancia entre dos rectas que se cruzan, con directores $\vec u$, $\vec v$ y puntos $A \in r$, $B \in s$, viene dada por: (1 puntos)

3. Sean $r: (1,0,1) + t(1,1,0)$ y $s: (0,1,0) + s(0,0,1)$. ¿Cuál es la distancia entre ellas? (1 puntos)

4. Si el producto mixto $[\vec u, \vec v, \overrightarrow{AB}] = 0$, entonces las rectas $r$ y $s$: (1 puntos)

5. Sean las rectas $r: (0,0,0) + t(1,0,0)$ (eje OX) y $s: (0,0,3) + s(0,1,0)$. Responde: (2 puntos)

a ) Apartado a): Con $\vec u = (1,0,0)$ y $\vec v = (0,1,0)$, ¿cuánto vale el módulo de $\vec u \times \vec v$?

b ) Apartado b): Si $A = (0,0,0) \in r$ y $B = (0,0,3) \in s$, calcula la distancia entre las rectas.

6. El segmento perpendicular común a dos rectas que se cruzan: (1 puntos)