Guía de Matemáticas Parte VI: Geometría analítica

Capítulo 31

La recta

UNAM IPN CENEVAL

La recta es una de las figuras fundamentales de la geometría analítica. Su posición en el plano puede describirse mediante una ecuación, mientras que su inclinación se representa mediante la pendiente.

En este capítulo estudiarás las principales formas de la ecuación de una recta, las condiciones de paralelismo y perpendicularidad, y las fórmulas para calcular la distancia de un punto a una recta y la distancia entre dos rectas paralelas.

31.1 Elementos de una recta#

Definición

Una recta es un conjunto infinito de puntos alineados que se extiende indefinidamente en dos direcciones.

En el plano cartesiano, una recta puede representarse mediante una ecuación de primer grado en las variables \(x\) y \(y\).

Definición

La pendiente de una recta no vertical mide su inclinación respecto del eje positivo \(x\).

Si una recta pasa por los puntos:

\[P_1(x_1,y_1)\]

y:

\[P_2(x_2,y_2),\]

con \(x_1\neq x_2\), su pendiente es:

\[m = \frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}.\]
Teorema Interpretación de la pendiente

El signo de la pendiente describe el comportamiento de la recta:

  • si: \[m>0,\] la recta es creciente;
  • si: \[m<0,\] la recta es decreciente;
  • si: \[m=0,\] la recta es horizontal;
  • si la recta es vertical, su pendiente no está definida.
Advertencia

La pendiente de una recta vertical no es infinita.

En una recta vertical:

\[x_2-x_1=0,\]

por lo que la fórmula de la pendiente produciría una división entre cero. Por esta razón, la pendiente no está definida.

31.2 Formas de la ecuación de la recta#

31.2.1 Forma punto-pendiente#

Teorema Forma punto-pendiente

Si una recta pasa por el punto:

\[P_1(x_1,y_1)\]

y tiene pendiente \(m\), su ecuación es:

\[y-y_1 = m(x-x_1).\]
Nota

La forma punto-pendiente es especialmente útil cuando se conoce:

  • un punto de la recta;
  • la pendiente de la recta.

31.2.2 Forma pendiente-ordenada al origen#

Teorema Forma pendiente-ordenada al origen

Si una recta no vertical tiene pendiente \(m\) y corta el eje \(y\) en el punto:

\[(0,b),\]

su ecuación es:

\[y=mx+b.\]

El número \(b\) se denomina ordenada al origen o intersección con el eje \(y\).

Nota

En la ecuación:

\[y=mx+b,\]

el coeficiente \(m\) determina la inclinación de la recta y el valor \(b\) determina el punto en el que la recta corta el eje \(y\).

31.2.3 Forma de dos puntos#

Teorema Recta que pasa por dos puntos

La recta que pasa por:

\[P_1(x_1,y_1)\]

y:

\[P_2(x_2,y_2),\]

con \(x_1\neq x_2\), tiene pendiente:

\[m = \frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}.\]

Por tanto, su ecuación puede escribirse como:

\[y-y_1 = \frac{y_2-y_1}{x_2-x_1} (x-x_1).\]
Advertencia

La fórmula anterior no se utiliza cuando:

\[x_1=x_2.\]

En ese caso, la recta es vertical y su ecuación es:

\[x=x_1.\]

31.2.4 Forma simétrica o de interceptos#

Teorema Forma simétrica

Si una recta corta el eje \(x\) en:

\[(a,0)\]

y el eje \(y\) en:

\[(0,b),\]

con:

\[a\neq0 \qquad\text{y}\qquad b\neq0,\]

su ecuación es:

\[\frac{x}{a} + \frac{y}{b} = 1.\]
Nota

En la forma simétrica:

\[\frac{x}{a} + \frac{y}{b} = 1,\]

el valor \(a\) es la intersección con el eje \(x\) y el valor \(b\) es la intersección con el eje \(y\).

31.2.5 Forma general#

Teorema Forma general

Toda recta puede escribirse en la forma:

\[Ax+By+C=0,\]

donde \(A\), \(B\) y \(C\) son constantes reales y:

\[(A,B)\neq(0,0).\]
Teorema Pendiente en la forma general

Si:

\[Ax+By+C=0\]

y:

\[B\neq0,\]

entonces:

\[By=-Ax-C.\]

Por tanto:

\[y = -\frac{A}{B}x - \frac{C}{B}.\]

La pendiente es:

\[m=-\frac{A}{B},\]

y la ordenada al origen es:

\[b=-\frac{C}{B}.\]
Nota

Si \(B=0\), la ecuación general se reduce a:

\[Ax+C=0.\]

Por tanto:

\[x=-\frac{C}{A},\]

que representa una recta vertical.

31.2.6 Rectas horizontales y verticales#

Teorema Recta horizontal

Una recta horizontal tiene pendiente:

\[m=0.\]

Su ecuación es:

\[y=k,\]

donde \(k\) es una constante.

Teorema Recta vertical

Una recta vertical tiene pendiente no definida.

Su ecuación es:

\[x=k,\]

donde \(k\) es una constante.

31.3 Determinación de la ecuación de una recta#

Ejemplo 31.1

Encuentra la ecuación de la recta que pasa por:

\[P(2,1)\]

y tiene pendiente:

\[m=2.\]
Ver solución

Utilizamos la forma punto-pendiente:

\[y-y_1 = m(x-x_1).\]

Sustituimos:

\[y-1 = 2(x-2).\]

Desarrollamos:

\[\begin{aligned} y-1 &=2x-4,\\ y &=2x-3. \end{aligned}\]

La forma pendiente-ordenada es:

\[y=2x-3.\]

Pasamos todos los términos al primer miembro:

\[2x-y-3=0.\]

Por tanto, la forma general es:

\[2x-y-3=0.\]
Figura 31.1
Ejemplo 31.2

Encuentra la ecuación de la recta que pasa por:

\[A(-3,-2)\]

y:

\[B(3,4).\]
Ver solución

Calculamos la pendiente:

\[\begin{aligned} m &= \frac{4-(-2)}{3-(-3)}\\ &= \frac{6}{6}\\ &=1. \end{aligned}\]

Usamos la forma punto-pendiente con \(A(-3,-2)\):

\[y-(-2) = 1(x-(-3)).\]

Entonces:

\[\begin{aligned} y+2 &=x+3,\\ y &=x+1. \end{aligned}\]

La forma pendiente-ordenada es:

\[y=x+1.\]

La forma general es:

\[x-y+1=0.\]
Figura 31.2
Ejemplo 31.3

Encuentra la ecuación de la recta con pendiente:

\[m=-2\]

y ordenada al origen:

\[b=4.\]
Ver solución

Utilizamos:

\[y=mx+b.\]

Sustituimos:

\[y=-2x+4.\]

La forma general es:

\[2x+y-4=0.\]
Figura 31.3
Ejemplo 31.4

Encuentra la ecuación de la recta que corta el eje \(x\) en:

\[(3,0)\]

y el eje \(y\) en:

\[(0,-4).\]
Ver solución

Utilizamos la forma simétrica:

\[\frac{x}{a} + \frac{y}{b} = 1.\]

Sustituimos:

\[\frac{x}{3} + \frac{y}{-4} = 1.\]

Por tanto:

\[\frac{x}{3} - \frac{y}{4} = 1.\]

Multiplicamos por \(12\):

\[4x-3y=12.\]

La forma general es:

\[4x-3y-12=0.\]
Figura 31.4

31.4 Conversión entre las formas de una recta#

Ejemplo 31.5

Convierte la ecuación:

\[3x-2y+6=0\]

a la forma pendiente-ordenada al origen.

Ver solución

Despejamos \(y\):

\[\begin{aligned} 3x-2y+6 &=0,\\ -2y &=-3x-6,\\ y &=\frac{3}{2}x+3. \end{aligned}\]

Por tanto:

\[m=\frac{3}{2}\]

y:

\[b=3.\]
Ejemplo 31.6

Convierte:

\[y=-\frac{2}{5}x+4\]

a la forma general.

Ver solución

Multiplicamos por \(5\):

\[5y=-2x+20.\]

Pasamos los términos al primer miembro:

\[2x+5y-20=0.\]

31.5 Paralelismo y perpendicularidad#

Teorema Rectas paralelas

Dos rectas no verticales distintas son paralelas si y solo si tienen la misma pendiente:

\[m_1=m_2.\]

Las rectas verticales también son paralelas entre sí.

Nota

Si dos rectas tienen la misma pendiente y la misma ordenada al origen, no son rectas paralelas distintas: son la misma recta.

Teorema Rectas perpendiculares

Dos rectas no verticales con pendientes distintas de cero son perpendiculares si y solo si:

\[m_1m_2=-1.\]

De manera equivalente:

\[m_2=-\frac{1}{m_1}.\]
Nota

Una recta horizontal y una recta vertical son perpendiculares, aunque la pendiente de la recta vertical no esté definida.

Ejemplo 31.7

Encuentra la pendiente de cualquier recta paralela a la que pasa por:

\[A(-3,-1)\]

y:

\[B(4,-3).\]
Ver solución

Calculamos la pendiente:

\[\begin{aligned} m &= \frac{-3-(-1)}{4-(-3)}\\ &= \frac{-2}{7}\\ &= -\frac{2}{7}. \end{aligned}\]

Toda recta paralela tiene la misma pendiente:

\[m=-\frac{2}{7}.\]
Ejemplo 31.8

Determina la pendiente de una recta perpendicular a la recta que pasa por:

\[A(-3,1)\]

y:

\[B(3,-3).\]
Ver solución

La pendiente de la recta dada es:

\[\begin{aligned} m &= \frac{-3-1}{3-(-3)}\\ &= \frac{-4}{6}\\ &= -\frac{2}{3}. \end{aligned}\]

La pendiente perpendicular es el recíproco negativo:

\[m_{\perp} = -\frac{1}{-\frac{2}{3}} = \frac{3}{2}.\]

Por tanto:

\[m_{\perp}=\frac{3}{2}.\]
Ejemplo 31.9

Encuentra la ecuación de la recta que pasa por:

\[(2,-1)\]

y es perpendicular a:

\[3x-4y-8=0.\]
Ver solución

Despejamos \(y\) en la recta dada:

\[\begin{aligned} 3x-4y-8 &=0,\\ -4y &=-3x+8,\\ y &=\frac{3}{4}x-2. \end{aligned}\]

La pendiente de la recta dada es:

\[m=\frac{3}{4}.\]

Por tanto, la pendiente perpendicular es:

\[m_{\perp} = -\frac{4}{3}.\]

Utilizamos la forma punto-pendiente:

\[y-(-1) = -\frac{4}{3}(x-2).\]

Entonces:

\[y+1 = -\frac{4}{3}(x-2).\]

Multiplicamos por \(3\):

\[3y+3 = -4x+8.\]

Pasamos todos los términos al primer miembro:

\[4x+3y-5=0.\]
Figura 31.5

31.6 Ángulo entre dos rectas#

Teorema Ángulo entre rectas

Sean dos rectas no verticales con pendientes \(m_1\) y \(m_2\).

El ángulo agudo \(\theta\) entre ellas satisface:

\[\tan\theta = \left| \frac{m_2-m_1} {1+m_1m_2} \right|,\]

si:

\[1+m_1m_2\neq0.\]
Nota

Si:

\[1+m_1m_2=0,\]

entonces:

\[m_1m_2=-1.\]

Por tanto, las rectas son perpendiculares y forman un ángulo de:

\[90^\circ.\]

31.7 Distancia de un punto a una recta#

Teorema Fórmula de distancia de un punto a una recta

La distancia del punto:

\[P(x_0,y_0)\]

a la recta:

\[Ax+By+C=0\]

es:

\[d = \frac{ |Ax_0+By_0+C| }{ \sqrt{A^2+B^2} }.\]
Nota

La distancia de un punto a una recta es la longitud del segmento perpendicular trazado desde el punto hasta la recta.

El valor absoluto del numerador garantiza que la distancia sea no negativa.

Ejemplo 31.10

Calcula la distancia del punto:

\[P(2,3)\]

a la recta:

\[3x-4y-9=0.\]
Ver solución

Identificamos:

\[A=3, \qquad B=-4, \qquad C=-9.\]

Sustituimos en la fórmula:

\[\begin{aligned} d &= \frac{ |3(2)-4(3)-9| }{ \sqrt{3^2+(-4)^2} }\\ &= \frac{ |6-12-9| }{ \sqrt{9+16} }\\ &= \frac{|-15|}{5}\\ &=3. \end{aligned}\]

La distancia es:

\[3\ \text{unidades}.\]
Figura 31.6

31.8 Distancia entre rectas paralelas#

Teorema Distancia entre rectas paralelas

Sean las rectas paralelas:

\[Ax+By+C_1=0\]

y:

\[Ax+By+C_2=0.\]

La distancia entre ellas es:

\[d = \frac{ |C_2-C_1| }{ \sqrt{A^2+B^2} }.\]
Advertencia

Antes de aplicar la fórmula, los coeficientes de \(x\) y \(y\) deben ser exactamente iguales en ambas ecuaciones.

Si las ecuaciones tienen coeficientes proporcionales, primero debe multiplicarse o dividirse una de ellas para igualar los coeficientes.

Ejemplo 31.11

Encuentra la distancia entre las rectas paralelas:

\[3x+4y-5=0\]

y:

\[3x+4y+10=0.\]
Ver solución

Identificamos:

\[A=3, \qquad B=4, \qquad C_1=-5, \qquad C_2=10.\]

Aplicamos la fórmula:

\[\begin{aligned} d &= \frac{ |C_2-C_1| }{ \sqrt{A^2+B^2} }\\ &= \frac{ |10-(-5)| }{ \sqrt{3^2+4^2} }\\ &= \frac{15}{5}\\ &=3. \end{aligned}\]

La distancia entre las rectas es:

\[3\ \text{unidades}.\]

La distancia debe medirse mediante un segmento perpendicular a ambas rectas:

Figura 31.7
Nota

El segmento de distancia no tiene que ser vertical ni horizontal.

Debe ser perpendicular a las dos rectas. En el ejemplo, el vector:

\[(3,4)\]

es normal a ambas rectas, pues coincide con los coeficientes de \(x\) y \(y\).

31.9 Resumen de fórmulas#

Las fórmulas principales del capítulo son:

  • Forma punto-pendiente

    \[y-y_1 = m(x-x_1).\]
  • Forma pendiente-ordenada

    \[y=mx+b.\]
  • Forma de dos puntos

    \[y-y_1 = \frac{y_2-y_1}{x_2-x_1} (x-x_1).\]
  • Forma simétrica

    \[\frac{x}{a} + \frac{y}{b} = 1.\]
  • Forma general

    \[Ax+By+C=0.\]
  • Pendiente de la forma general

    \[m=-\frac{A}{B}, \qquad B\neq0.\]
  • Rectas paralelas

    \[m_1=m_2.\]
  • Rectas perpendiculares

    \[m_1m_2=-1.\]
  • Distancia de un punto a una recta

    \[d = \frac{ |Ax_0+By_0+C| }{ \sqrt{A^2+B^2} }.\]
  • Distancia entre rectas paralelas

    \[d = \frac{ |C_2-C_1| }{ \sqrt{A^2+B^2} }.\]

31.10 Ejercicios propuestos#

Ejercicio 31.1

Encuentra la ecuación de la recta que pasa por:

\[(1,6)\]

y tiene pendiente:

\[\frac{1}{2}.\]
Ver solución
\[y - 6 = \frac{1}{2}(x - 1) \Longrightarrow 2y - 12 = x - 1 \Longrightarrow x - 2y + 11 = 0.\]
Ejercicio 31.2

Encuentra la ecuación de la recta que pasa por:

\[A(4,5)\]

y:

\[B(3,-2).\]
Ver solución

\[m = \frac{-2 - 5}{3 - 4} = \frac{-7}{-1} = 7.\] \[y - 5 = 7(x - 4) \Longrightarrow y - 5 = 7x - 28 \Longrightarrow 7x - y - 23 = 0.\]

Ejercicio 31.3

Encuentra la ecuación de la recta con pendiente:

\[5\]

y ordenada al origen:

\[3.\]
Ver solución
\[y = 5x + 3 \Longrightarrow 5x - y + 3 = 0.\]
Ejercicio 31.4

Encuentra la ecuación de la recta que corta el eje \(x\) en:

\[(6,0)\]

y el eje \(y\) en:

\[(0,-4).\]
Ver solución

Forma simétrica con \(a = 6\), \(b = -4\): \[\frac{x}{6} - \frac{y}{4} = 1 \Longrightarrow 2x - 3y - 12 = 0.\]

Ejercicio 31.5

Determina la pendiente de una recta paralela a la que pasa por:

\[A(2,-5)\]

y:

\[B(3,-4).\]
Ver solución

\[m = \frac{-4 - (-5)}{3 - 2} = 1.\] La paralela tiene la misma pendiente: \(m = 1\).

Ejercicio 31.6

Determina la pendiente de una recta perpendicular a la que pasa por:

\[A(-3,11)\]

y:

\[B(-1,7).\]
Ver solución

\[m = \frac{7 - 11}{-1 - (-3)} = \frac{-4}{2} = -2.\] La perpendicular tiene pendiente \(m_\perp = \dfrac{1}{2}\).

Ejercicio 31.7

Encuentra la ecuación de la recta que pasa por:

\[(2,7)\]

y es paralela a:

\[3x-5y+15=0.\]
Ver solución

\(3x - 5y + 15 = 0 \Longrightarrow y = \dfrac{3}{5}x + 3\). La paralela tiene pendiente \(m = \dfrac{3}{5}\): \[y - 7 = \frac{3}{5}(x - 2) \Longrightarrow 5y - 35 = 3x - 6 \Longrightarrow 3x - 5y + 29 = 0.\]

Ejercicio 31.8

Calcula la distancia del punto:

\[(2,3)\]

a la recta:

\[3x-4y-9=0.\]
Ver solución
\[d = \frac{|3(2) - 4(3) - 9|}{\sqrt{9 + 16}} = \frac{|{-15}|}{5} = 3.\]
Ejercicio 31.9

Calcula la distancia del punto:

\[(-1,1)\]

a la recta:

\[-3x+4y-8=0.\]
Ver solución
\[d = \frac{|-3(-1) + 4(1) - 8|}{\sqrt{9 + 16}} = \frac{|3 + 4 - 8|}{5} = \frac{1}{5} = 0.2.\]
Ejercicio 31.10

Encuentra la distancia entre las rectas paralelas:

\[2x+3y-6=0\]

y:

\[2x+3y+4=0.\]
Ver solución

Tomamos un punto de la primera recta, por ejemplo \((3, 0)\) (ya que \(2(3) + 3(0) - 6 = 0\)): \[d = \frac{|2(3) + 3(0) + 4|}{\sqrt{4 + 9}} = \frac{|{10}|}{\sqrt{13}} = \frac{10}{\sqrt{13}} \approx 2.77.\]