Demostraciones con coordenadas
Una paisajista marca un patio sobre una cuadrícula donde 1 unidad es 1 pie. Las cuatro estacas están en $(0, 0)$, $(12, 5)$, $(7, 17)$ y $(-5, 12)$. No tiene transportador. ¿Es el patio un rectángulo? ¿Podría ser incluso un cuadrado? Al final de esta página lo demostrarás usando solo números.
Un dibujo puede engañarte. Dos lados que parecen iguales pueden diferir por muy poco, y un ángulo que parece recto puede no serlo. Una demostración con coordenadas (coordinate proof) coloca la figura en el plano cartesiano y usa el álgebra para resolver la pregunta de forma exacta.
Distancia y punto medio
Dibuja un triángulo rectángulo debajo de cualquier segmento. El cateto horizontal mide $x_2 - x_1$ y el cateto vertical mide $y_2 - y_1$. El segmento es la hipotenusa, así que el teorema de Pitágoras da su longitud.
Dos antenas de celular están ubicadas en las coordenadas $P(-4, -2)$ y $Q(6, 8)$ de un mapa topográfico. La compañía de telecomunicaciones necesita instalar una estación…
Dos antenas de celular están ubicadas en las coordenadas $P(-4, -2)$ y $Q(6, 8)$ de un mapa topográfico. La compañía de telecomunicaciones necesita instalar una estación repetidora exactamente a mitad de camino entre ambas antenas. Calcula las coordenadas de la nueva estación utilizando la fórmula del punto medio.
Un aspersor de jardín está ubicado en el origen $(0, 0)$ y puede rociar agua hasta un radio máximo de $15$ pies. Demuestra algebraicamente si el agua alcanzará a un…
Un aspersor de jardín está ubicado en el origen $(0, 0)$ y puede rociar agua hasta un radio máximo de $15$ pies. Demuestra algebraicamente si el agua alcanzará a un rosal que está plantado en las coordenadas $(5, 12)$.
La tubería principal de agua de un vecindario sigue la línea recta que pasa por los puntos $(1, 4)$ y $(5, 2)$. El departamento de obras públicas necesita instalar una…
La tubería principal de agua de un vecindario sigue la línea recta que pasa por los puntos $(1, 4)$ y $(5, 2)$. El departamento de obras públicas necesita instalar una nueva tubería secundaria que sea exactamente perpendicular a la principal y que pase por la biblioteca pública situada en $(3, 6)$. Determina la ecuación de la línea que representa la nueva tubería.
Pendiente: rectas paralelas y perpendiculares
La pendiente (slope) mide la inclinación: $m = \dfrac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1}$, es decir, el cambio vertical sobre el cambio horizontal. La pendiente te dice cómo se relacionan dos rectas.
¿Por qué recíprocas opuestas? Al girar una recta $90^\circ$, se intercambian su cambio vertical y su cambio horizontal, y cambia un signo. Una recta de "sube 1, avanza 2" ($m = \tfrac12$) se convierte en una de "sube 2, avanza $-1$" ($m = -2$).
Un planificador urbano está diseñando dos calles rectas. La calle A pasa por los puntos $(0, 3)$ y $(2, 7)$. La calle B pasa por los puntos $(1, 0)$ y $(3, 4)$.…
Un planificador urbano está diseñando dos calles rectas. La calle A pasa por los puntos $(0, 3)$ y $(2, 7)$. La calle B pasa por los puntos $(1, 0)$ y $(3, 4)$. Demuestra algebraicamente, calculando y comparando sus pendientes, si estas dos calles son paralelas.
Un arquitecto revisa los planos de una nueva plaza. El borde de un jardín está definido por el segmento que une $M(-1, 1)$ y $N(2, 3)$. El borde de una acera adyacente…
Un arquitecto revisa los planos de una nueva plaza. El borde de un jardín está definido por el segmento que une $M(-1, 1)$ y $N(2, 3)$. El borde de una acera adyacente está definido por el segmento que une $N(2, 3)$ y $P(4, 0)$. Demuestra algebraicamente si estos dos bordes forman un ángulo recto perpendicular.
Demostrar propiedades de triángulos
Cada tipo de triángulo tiene una prueba con coordenadas:
| Para demostrar | Muestra que |
|---|---|
| Isósceles | dos lados tienen la misma longitud |
| Equilátero | los tres lados tienen la misma longitud |
| Rectángulo | dos lados tienen pendientes con producto $-1$, o $a^2 + b^2 = c^2$ para las longitudes de los lados (recíproco del teorema de Pitágoras) |
Un dron vuela en línea recta desde un punto de entrega $A(1, 2)$ hasta una base de recarga $B(4, 6)$ en un plano de coordenadas donde cada unidad representa $1$ milla.…
Un dron vuela en línea recta desde un punto de entrega $A(1, 2)$ hasta una base de recarga $B(4, 6)$ en un plano de coordenadas donde cada unidad representa $1$ milla. Utiliza la fórmula de la distancia para calcular exactamente cuántas millas recorre el dron. Muestra tu trabajo algebraico.
El punto medio de un túnel subterráneo está en las coordenadas $M(3, -1)$. Si la entrada este del túnel se encuentra en $E(5, 2)$, determina las coordenadas de la…
El punto medio de un túnel subterráneo está en las coordenadas $M(3, -1)$. Si la entrada este del túnel se encuentra en $E(5, 2)$, determina las coordenadas de la entrada oeste $W$ utilizando la fórmula del punto medio.
El diseño de un diamante de béisbol para una liga local se traza en un plano de coordenadas con las bases en $K(-3, 0)$, $L(0, 4)$, $M(3, 0)$ y $N(0, -4)$. Demuestra que…
El diseño de un diamante de béisbol para una liga local se traza en un plano de coordenadas con las bases en $K(-3, 0)$, $L(0, 4)$, $M(3, 0)$ y $N(0, -4)$. Demuestra que este cuadrilátero es un rombo comprobando que sus diagonales se intersecan en ángulos rectos y se bisecan mutuamente.
Demostrar que un cuadrilátero es un paralelogramo
Puedes elegir cualquiera de cuatro pruebas. Escoge la que requiera menos trabajo.
La prueba de las diagonales suele ser la más corta, pues solo requiere dos puntos medios. Un rectángulo es un paralelogramo con un ángulo recto; por eso, primero demuestra que es paralelogramo y luego verifica en un par de lados adyacentes que el producto de las pendientes sea $-1$.
Vértice faltante. En un paralelogramo $ABCD$, las diagonales $\overline{AC}$ y $\overline{BD}$ comparten el punto medio. Así que halla el punto medio de la diagonal que conoces y luego refleja el extremo conocido de la otra diagonal a través de él.
Verifica mediante la fórmula de la distancia si el punto de monitoreo $P(0, 5)$ es equidistante de dos sensores térmicos ubicados en $A(-3, 1)$ y $B(3, 1)$. ¿Qué indica…
Verifica mediante la fórmula de la distancia si el punto de monitoreo $P(0, 5)$ es equidistante de dos sensores térmicos ubicados en $A(-3, 1)$ y $B(3, 1)$. ¿Qué indica este resultado sobre la posición de $P$ respecto a la mediatriz del segmento $AB$?
Los vértices de un parque de la ciudad forman un triángulo en las coordenadas $P(-2, -1)$, $Q(2, 2)$ y $R(5, -2)$. Demuestra algebraicamente que el parque tiene forma de…
Los vértices de un parque de la ciudad forman un triángulo en las coordenadas $P(-2, -1)$, $Q(2, 2)$ y $R(5, -2)$. Demuestra algebraicamente que el parque tiene forma de triángulo rectángulo isósceles. Debes verificar tanto las longitudes de los lados como la perpendicularidad.
Una placa de metal tiene la forma de un cuadrilátero irregular con vértices en $A(0, 0)$, $B(8, 0)$, $C(6, 6)$ y $D(2, 8)$. Un ingeniero marca los puntos medios de cada…
Una placa de metal tiene la forma de un cuadrilátero irregular con vértices en $A(0, 0)$, $B(8, 0)$, $C(6, 6)$ y $D(2, 8)$. Un ingeniero marca los puntos medios de cada uno de los cuatro lados y los conecta para formar un nuevo cuadrilátero interno. Demuestra algebraicamente (encontrando los puntos medios y analizando sus pendientes) que este cuadrilátero interno es siempre un paralelogramo (Teorema de Varignon).
Rombos, cuadrados y trapecios
Cada cuadrilátero especial tiene su propia lista de verificación.
| Figura | Qué mostrar |
|---|---|
| Rombo | los cuatro lados congruentes (o un paralelogramo con diagonales perpendiculares) |
| Rectángulo | un paralelogramo con un ángulo recto (o un paralelogramo con diagonales congruentes) |
| Cuadrado | cuatro lados congruentes y un ángulo recto (rombo + rectángulo) |
| Trapecio | exactamente un par de lados paralelos |
| Trapecio isósceles | un trapecio cuyos lados no paralelos son congruentes |
| Cometa | dos pares de lados adyacentes congruentes |
Los cimientos de un nuevo edificio de oficinas están marcados en las coordenadas $A(-2, 1)$, $B(1, 3)$, $C(5, -3)$ y $D(2, -5)$. Demuestra que la base del edificio es un…
Los cimientos de un nuevo edificio de oficinas están marcados en las coordenadas $A(-2, 1)$, $B(1, 3)$, $C(5, -3)$ y $D(2, -5)$. Demuestra que la base del edificio es un rectángulo. Debes probar que es un paralelogramo y que sus diagonales son congruentes, o que sus lados consecutivos son perpendiculares.
Un camión de reparto sale de un almacén en $W(2, 1)$, viaja a la tienda A en $A(8, 9)$ y luego se dirige a la tienda B en $B(14, 1)$. Cada unidad en el mapa representa…
Un camión de reparto sale de un almacén en $W(2, 1)$, viaja a la tienda A en $A(8, 9)$ y luego se dirige a la tienda B en $B(14, 1)$. Cada unidad en el mapa representa $5$ millas. Calcula algebraicamente cuántas millas extra recorre el camión siguiendo esta ruta en lugar de viajar directamente desde el almacén $W$ hasta la tienda $B$.
La trayectoria de un satélite está programada para seguir la línea recta $y = 2x - 1$. Existen dos estaciones de control en la Tierra ubicadas en las coordenadas…
La trayectoria de un satélite está programada para seguir la línea recta $y = 2x - 1$. Existen dos estaciones de control en la Tierra ubicadas en las coordenadas relativas $A(1, 5)$ y $B(5, 3)$. Demuestra algebraicamente que cualquier punto $(x, y)$ que se encuentre sobre la trayectoria del satélite es equidistante de ambas estaciones de control.
El cuadrilátero de los puntos medios
Toma cualquier cuadrilátero y conecta en orden los puntos medios de sus lados. El nuevo cuadrilátero siempre es un paralelogramo.
Por qué funciona. $\overline{PQ}$ une los puntos medios de dos lados de $\triangle ABC$, así que es paralelo a $\overline{AC}$ y mide la mitad. Comprobación: $AC = \sqrt{36 + 64} = 10$ y $PQ = \sqrt{9 + 16} = 5$ ✓. De la misma manera, $\overline{QR}$ es paralelo a la diagonal $\overline{BD}$ y mide la mitad. Así que los lados del cuadrilátero de los puntos medios son paralelos a las diagonales y miden la mitad. Esto te dice qué figura esperar:
-
Si las diagonales del cuadrilátero grande son congruentes (por ejemplo, un rectángulo), los cuatro lados de $PQRS$ son congruentes, así que $PQRS$ es un rombo.
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Si las diagonales son perpendiculares (por ejemplo, un rombo), los lados adyacentes de $PQRS$ son perpendiculares, así que $PQRS$ es un rectángulo.
Cuatro drones deben posicionarse en el aire formando un paralelogramo perfecto para un espectáculo de luces. Tres de los drones ya están en las posiciones $A(-1, 2)$,…
Cuatro drones deben posicionarse en el aire formando un paralelogramo perfecto para un espectáculo de luces. Tres de los drones ya están en las posiciones $A(-1, 2)$, $B(3, 1)$ y $C(4, -2)$. Encuentra las coordenadas del cuarto dron $D$ (asumiendo que $D$ es opuesto a $B$) y demuestra algebraicamente que la figura resultante $ABCD$ es un paralelogramo.
Realiza una demostración general con coordenadas. Coloca un triángulo isósceles genérico en el plano cartesiano con vértices en $A(-2a, 0)$, $B(2a, 0)$ y $C(0, 2b)$.…
Realiza una demostración general con coordenadas. Coloca un triángulo isósceles genérico en el plano cartesiano con vértices en $A(-2a, 0)$, $B(2a, 0)$ y $C(0, 2b)$. Demuestra algebraicamente que las medianas trazadas hacia los dos lados congruentes (desde $A$ hasta el punto medio de $BC$, y desde $B$ hasta el punto medio de $AC$) tienen exactamente la misma longitud.
Mediatrices e intersecciones
La mediatriz (perpendicular bisector) de un segmento pasa por su punto medio formando un ángulo recto. Todo punto sobre ella está a la misma distancia de ambos extremos, y todo punto equidistante de ambos extremos está sobre ella.
Para escribir su ecuación:
-
Halla el punto medio del segmento.
-
Halla la pendiente del segmento y toma su recíproco opuesto.
-
Escribe la recta en forma punto-pendiente, $y - y_1 = m(x - x_1)$, usando el punto medio.
Intersección de dos rectas. Escribe ambas rectas como $y = mx + b$. (Para una recta que pasa por dos puntos, halla primero $m$ y luego sustituye un punto para obtener $b$.) Iguala los lados derechos, despeja $x$ y luego halla $y$. Pendientes diferentes significan exactamente un punto de intersección.
Para mostrar que dos rectas no son paralelas ni perpendiculares, calcula ambas pendientes y observa que no son iguales y que su producto no es $-1$.
Las cuatro esquinas de una parcela de terreno agrícola en Nebraska están en las coordenadas $A(0, 0)$, $B(4, 0)$, $C(5, 3)$ y $D(1, 3)$. Demuestra que la parcela tiene…
Las cuatro esquinas de una parcela de terreno agrícola en Nebraska están en las coordenadas $A(0, 0)$, $B(4, 0)$, $C(5, 3)$ y $D(1, 3)$. Demuestra que la parcela tiene forma de paralelogramo verificando que ambos pares de lados opuestos son paralelos.
Una ciudad planea construir una nueva carretera que actúe como mediatriz (perpendicular bisector) del segmento que conecta el hospital central en $H(-2, 4)$ y la…
Una ciudad planea construir una nueva carretera que actúe como mediatriz (perpendicular bisector) del segmento que conecta el hospital central en $H(-2, 4)$ y la estación de policía en $S(6, -2)$. Determina la ecuación exacta de esta nueva carretera en la forma $y = mx + b$.
El borde de una piscina circular está modelado por una circunferencia con centro en el origen $(0, 0)$ y radio $5$ yardas. Una pasarela recta de madera pasa por los…
El borde de una piscina circular está modelado por una circunferencia con centro en el origen $(0, 0)$ y radio $5$ yardas. Una pasarela recta de madera pasa por los puntos $P(3, 4)$ y $Q(7, 1)$. Demuestra algebraicamente que esta pasarela es tangente a la piscina en el punto $P(3, 4)$. (Pista: demuestra que la línea $PQ$ es perpendicular al radio en el punto $P$).
Centros de un triángulo
Tres rectas de un triángulo se cortan cada vez en un solo punto. Hallas ese punto intersecando dos de las rectas y luego verificas con la tercera.
| Centro | Rectas | Significado |
|---|---|---|
| Centroide | medianas (del vértice al punto medio del lado opuesto) | promedio de los tres vértices |
| Circuncentro | mediatrices de los lados | equidistante de los tres vértices |
| Ortocentro | alturas (del vértice, perpendiculares al lado opuesto) | donde se cortan las rectas de las alturas |
El centroide tiene un atajo: $\left(\dfrac{x_1 + x_2 + x_3}{3}, \dfrac{y_1 + y_2 + y_3}{3}\right)$.
El soporte principal del techo de un estadio forma un triángulo con vértices en $A(0, 0)$, $B(4, 3)$ y $C(-3, 4)$. Primero, demuestra algebraicamente que $\triangle ABC$…
El soporte principal del techo de un estadio forma un triángulo con vértices en $A(0, 0)$, $B(4, 3)$ y $C(-3, 4)$. Primero, demuestra algebraicamente que $\triangle ABC$ es un triángulo rectángulo. Luego, encuentra la longitud exacta de la altura trazada desde el vértice del ángulo recto hasta la hipotenusa.
Tres postes de luz de alta tensión están programados para ser instalados en las coordenadas $A(-2, -5)$, $B(1, 1)$ y $C(4, 7)$ de un mapa topográfico. Utiliza…
Tres postes de luz de alta tensión están programados para ser instalados en las coordenadas $A(-2, -5)$, $B(1, 1)$ y $C(4, 7)$ de un mapa topográfico. Utiliza estrictamente la fórmula de la distancia para demostrar que estos tres puntos son colineales (es decir, demuestra que $AB + BC = AC$).
Una compañía petrolera necesita construir una estación de bombeo $P$ para conectar dos instalaciones ubicadas en $A(-5, 3)$ y $B(7, 9)$. Por regulaciones de presión, la…
Una compañía petrolera necesita construir una estación de bombeo $P$ para conectar dos instalaciones ubicadas en $A(-5, 3)$ y $B(7, 9)$. Por regulaciones de presión, la estación $P$ debe estar situada exactamente sobre la mediatriz del segmento $AB$. Además, por logística, $P$ debe construirse sobre una carretera existente cuya ecuación es $3x - y = 5$. Encuentra las coordenadas exactas de la estación de bombeo $P$.
Demostraciones con variables
Comprobar un triángulo con números no demuestra un teorema para todos los triángulos. Para una demostración general, usa letras para las coordenadas.
Coloca la figura con inteligencia. Pon un vértice en el origen y un lado sobre un eje. Cuando vayan a aparecer puntos medios, usa coordenadas pares como $2a$ y $2b$, para que las mitades salgan limpias.
Para aplicar la misma estrategia a un segmento medio, calcula los dos puntos medios y luego usa la pendiente para "paralelo" y la distancia para "la mitad de largo". Cuando un problema tiene un punto libre $P(x, y)$, conserva $x$ y $y$ como letras y desarrolla con cuidado cada diferencia al cuadrado.
Un terreno de inversión está delimitado por los vértices $W(-4, 3)$, $X(1, 4)$, $Y(2, -1)$ y $Z(-3, -2)$. El agente inmobiliario afirma que el terreno es un cuadrado…
Un terreno de inversión está delimitado por los vértices $W(-4, 3)$, $X(1, 4)$, $Y(2, -1)$ y $Z(-3, -2)$. El agente inmobiliario afirma que el terreno es un cuadrado perfecto y por lo tanto vale $\$1,250,000.00$. Clasifica este cuadrilátero de la manera más específica posible (paralelogramo, rectángulo, rombo o cuadrado) demostrando algebraicamente tus conclusiones. ¿Tiene razón el agente inmobiliario?
Un arquitecto paisajista está diseñando una plaza cuadrada. Hasta ahora, ha fijado las posiciones de dos vértices consecutivos en $P(-1, 2)$ y $Q(2, 6)$. Determina…
Un arquitecto paisajista está diseñando una plaza cuadrada. Hasta ahora, ha fijado las posiciones de dos vértices consecutivos en $P(-1, 2)$ y $Q(2, 6)$. Determina algebraicamente las coordenadas de los otros dos vértices, $R$ y $S$. (Nota: existen dos posibles ubicaciones para el cuadrado, encuentra al menos un conjunto válido de coordenadas para $R$ y $S$).
De vuelta al patio
Ahora responde la pregunta de la paisajista. Estacas: $A(0, 0)$, $B(12, 5)$, $C(7, 17)$, $D(-5, 12)$.
Resumen
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Una demostración con coordenadas usa álgebra exacta en un plano. Ubica los puntos, elige la herramienta adecuada, calcula con exactitud y concluye con una definición o un teorema.
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La distancia $\sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2}$ muestra lados congruentes. El punto medio (promedio de las coordenadas) muestra que algo se biseca. La pendiente muestra rectas paralelas ($m_1 = m_2$) y perpendiculares ($m_1 m_2 = -1$).
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Triángulos: isósceles con dos lados iguales; rectángulo con pendientes perpendiculares o con $a^2 + b^2 = c^2$.
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Cuadriláteros: paralelogramo mediante pendientes, longitudes de lados o diagonales con el mismo punto medio. Agrega un ángulo recto para un rectángulo, cuatro lados iguales para un rombo, y ambas cosas para un cuadrado. Un trapecio tiene exactamente un par de lados paralelos, y es isósceles si sus lados no paralelos son congruentes.
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Mediatriz: punto medio más pendiente recíproca opuesta. Las intersecciones salen de resolver ecuaciones $y = mx + b$. El circuncentro, el ortocentro y el centroide salen de dos rectas, y se verifican con la tercera o con distancias.
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Para las demostraciones generales, usa letras (como $2a$, $2b$) para las coordenadas, y nunca te apoyes en un solo ejemplo numérico.