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Math III · Matemáticas
Geometría analítica · Geometría analítica

Transformaciones y traslaciones

Te conviene dominar: Traslaciones (Matemáticas Integradas I)
Te conviene dominar: Simetrías (Matemáticas Integradas I)

En un videojuego, tu personaje se desliza por la pantalla, se voltea para mirar hacia el otro lado o gira alrededor de un pivote. Un dron de entregas se mueve a otro lugar, un láser rebota en un espejo, un engranaje da vueltas. Todos estos son movimientos rígidos: mueven una figura sin cambiar su tamaño ni su forma. En esta página verás que cada uno se reduce a una regla sencilla sobre las coordenadas $(x, y)$.

Traslaciones: deslizar según un vector

Una traslación desliza todos los puntos de una figura la misma distancia y en la misma dirección. Esa dirección y esa distancia se describen con un vector $\vec v = (v_1, v_2)$: se mueve $v_1$ unidades en horizontal y $v_2$ unidades en vertical.

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Un dron de reparto está en la posición $A(3, 5)$ y se desplaza siguiendo el vector $\vec{v} = (-4, 2)$. ¿Cuáles son las coordenadas de su posición final $A'$?

Un dron de reparto está en la posición $A(3, 5)$ y se desplaza siguiendo el vector $\vec{v} = (-4, 2)$. ¿Cuáles son las coordenadas de su posición final $A'$?

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En un tablero de ajedrez gigante, una pieza se mueve desde la casilla con coordenadas $P(-1, -3)$ hasta la casilla $Q(4, 2)$. Determine las componentes del vector de…

En un tablero de ajedrez gigante, una pieza se mueve desde la casilla con coordenadas $P(-1, -3)$ hasta la casilla $Q(4, 2)$. Determine las componentes del vector de traslación $\vec{PQ}$.

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En un software de arquitectura (CAD), el plano de una ventana está definido por el polígono de vértices $A(1, 1)$, $B(4, 1)$, $C(4, 3)$ y $D(1, 3)$. El diseñador decide…

En un software de arquitectura (CAD), el plano de una ventana está definido por el polígono de vértices $A(1, 1)$, $B(4, 1)$, $C(4, 3)$ y $D(1, 3)$. El diseñador decide trasladar la ventana aplicando el vector $\vec{v} = (-3, 2)$. Calcule las coordenadas de los nuevos vértices $A'$, $B'$, $C'$ y $D'$.

X Y A A' v
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Suma de traslaciones y cálculo de distancias

Si haces un deslizamiento y luego otro, el resultado es un único deslizamiento cuyo vector es la suma de los dos vectores. El food truck de Mateo parte de $S(2, 1)$ en una cuadrícula de la ciudad (1 unidad = 1 cuadra). Recorre $\vec u = (3, 1)$ y después $\vec w = (1, 4)$.

Un food truck se mueve desde S según el vector (3, 1) y luego según el vector (1, 4); el único vector (4, 5) da el mismo desplazamiento total S(2, 1) (5, 2) (6, 6) u w u + w
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Un robot aspirador se mueve desde su base siguiendo el vector $\vec{u} = (2, 5)$ y luego sigue el vector $\vec{w} = (1, -3)$. Si la base está en el origen $O(0,0)$,…

Un robot aspirador se mueve desde su base siguiendo el vector $\vec{u} = (2, 5)$ y luego sigue el vector $\vec{w} = (1, -3)$. Si la base está en el origen $O(0,0)$, ¿cuáles son las coordenadas de su posición final y qué vector único $\vec{v}$ representa el desplazamiento total?

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Un velero se desplaza en el mar impulsado por el viento, lo que le confiere un desplazamiento según el vector $\vec{v} = (12, -5)$ millas. Simultáneamente, una corriente…

Un velero se desplaza en el mar impulsado por el viento, lo que le confiere un desplazamiento según el vector $\vec{v} = (12, -5)$ millas. Simultáneamente, una corriente marina lo arrastra según el vector $\vec{c} = (-3, -2)$ millas. Si el velero partió del puerto en $P(-4, 10)$, ¿cuál es su posición final $P'$ y a qué distancia en línea recta se encuentra del punto de partida?

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Reflexiones: respecto a un eje o a una recta

Una reflexión voltea una figura sobre una recta de reflexión, como un espejo. Cada punto y su imagen están a la misma distancia de la recta, en lados opuestos, y el segmento que los une es perpendicular a la recta.

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En el diseño de un logotipo, el punto $M(-4, 7)$ se refleja respecto al eje de ordenadas (eje Y). ¿Cuáles son las coordenadas del punto reflejado $M'$?

En el diseño de un logotipo, el punto $M(-4, 7)$ se refleja respecto al eje de ordenadas (eje Y). ¿Cuáles son las coordenadas del punto reflejado $M'$?

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En una fábrica de textiles, una máquina dobla una tela a lo largo de la recta horizontal $y = 2$. Si un patrón decorativo está impreso en el punto $P(3, -1)$, ¿cuáles…

En una fábrica de textiles, una máquina dobla una tela a lo largo de la recta horizontal $y = 2$. Si un patrón decorativo está impreso en el punto $P(3, -1)$, ¿cuáles serán las coordenadas del patrón $P'$ una vez doblada la tela?

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Una tubería recta de suministro de agua pasa por los puntos $A(0, 4)$ y $B(4, 0)$. Por motivos de redundancia en el diseño, se construye una segunda tubería que es…

Una tubería recta de suministro de agua pasa por los puntos $A(0, 4)$ y $B(4, 0)$. Por motivos de redundancia en el diseño, se construye una segunda tubería que es exactamente simétrica a la primera respecto al eje de abscisas (eje X). Halle las coordenadas de los puntos simétricos $A'$ y $B'$, y determine la ecuación explícita de la recta que define la trayectoria de esta segunda tubería.

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Reflexiones respecto a un punto: media vuelta

Una reflexión respecto a un punto envía $P$ al punto $P'$ del lado opuesto de un centro $C$, a la misma distancia. Es decir, $C$ es el punto medio de $\overline{PP'}$. Equivale a una rotación de $180^\circ$ alrededor de $C$ (media vuelta). Algunos problemas la llaman simetría central o piden el centro de simetría.

El punto P en (5, 2) se envía a través del centro C en (1, 1) a P prima en (-3, 0), de modo que C es el punto medio del segmento P P prima P(5, 2) C(1, 1) P′(−3, 0)
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Un jardinero quiere plantar un árbol en el punto $B'$, que debe ser simétrico al árbol situado en $B(2, -6)$ respecto al centro del jardín $C(0, 0)$. Calcule las…

Un jardinero quiere plantar un árbol en el punto $B'$, que debe ser simétrico al árbol situado en $B(2, -6)$ respecto al centro del jardín $C(0, 0)$. Calcule las coordenadas de $B'$.

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Dos postes de luz están situados en los puntos $F_1(-2, 8)$ y $F_2(6, -2)$. Se quiere colocar un transformador eléctrico en el centro de simetría de ambos. ¿Cuáles son…

Dos postes de luz están situados en los puntos $F_1(-2, 8)$ y $F_2(6, -2)$. Se quiere colocar un transformador eléctrico en el centro de simetría de ambos. ¿Cuáles son las coordenadas de dicho centro?

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Un brazo robótico articula en el punto $C(2, 1)$. Su pinza se encuentra inicialmente en $P(5, 3)$. Si el brazo realiza un giro de $180^\circ$ alrededor de la…

Un brazo robótico articula en el punto $C(2, 1)$. Su pinza se encuentra inicialmente en $P(5, 3)$. Si el brazo realiza un giro de $180^\circ$ alrededor de la articulación $C$, ¿cuáles serán las nuevas coordenadas $P'$ de la pinza?

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Rotaciones: centro y ángulo

Una rotación hace girar una figura un ángulo dado alrededor de un punto fijo, el centro de rotación. Los ángulos positivos van en sentido contrario a las manecillas del reloj.

El punto P en (3, 1) rotado alrededor del origen 90, 180 y 270 grados en sentido contrario a las manecillas del reloj queda en (-1, 3), (-3, -1) y (1, -3) P(3, 1) 90°: (−1, 3) 180°: (−3, −1) 270°: (1, −3)
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Una pieza de un engranaje situada en el punto $K(5, 0)$ gira $90^\circ$ en sentido antihorario alrededor del origen de coordenadas $O(0, 0)$. ¿En qué posición $K'$…

Una pieza de un engranaje situada en el punto $K(5, 0)$ gira $90^\circ$ en sentido antihorario alrededor del origen de coordenadas $O(0, 0)$. ¿En qué posición $K'$ quedará la pieza tras el giro?

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Practica★☆☆Sin empezar
Se aplica un giro de $180^\circ$ a una señal de tránsito circular con centro en el punto $C(3, 4)$ y radio $2$. ¿Qué punto exacto de la señal permanece en la misma…

Se aplica un giro de $180^\circ$ a una señal de tránsito circular con centro en el punto $C(3, 4)$ y radio $2$. ¿Qué punto exacto de la señal permanece en la misma posición (es invariante) tras el movimiento?

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Una cámara de seguridad montada en un poste en $C(1, 2)$ enfoca inicialmente a una puerta situada en $P(4, 2)$. Para cubrir un pasillo, la cámara gira $90^\circ$ en…

Una cámara de seguridad montada en un poste en $C(1, 2)$ enfoca inicialmente a una puerta situada en $P(4, 2)$. Para cubrir un pasillo, la cámara gira $90^\circ$ en sentido antihorario alrededor de su eje en $C$. ¿Cuáles son las coordenadas del nuevo punto $P'$ al que apuntará la cámara? (Asuma que la distancia focal se mantiene constante).

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Transformaciones en 3D

Todo se extiende a tres coordenadas $(x, y, z)$, donde $z$ es la altura (o la profundidad). Solo necesitamos tres herramientas.

Vista lateral de una reflexión respecto al plano horizontal z igual a menos 2: un punto a altura 3 y su imagen a altura menos 7 están a la misma distancia del plano z = 0 plano z = −2 z = 3 z = −7
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En un almacén automatizado, un paquete se mueve en línea recta desde el estante $A(10, 5, 2)$ hasta la zona de carga $B(2, 8, 0)$. Determine el vector de traslación…

En un almacén automatizado, un paquete se mueve en línea recta desde el estante $A(10, 5, 2)$ hasta la zona de carga $B(2, 8, 0)$. Determine el vector de traslación $\vec{AB}$. Si otro paquete situado en $C(4, 4, 4)$ realiza exactamente el mismo movimiento, ¿cuáles serán las coordenadas de su posición final $C'$?

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Practica★★☆Sin empezar
Un programa de impresión 3D primero traslada un vértice de un sólido mediante el vector $\vec{v} = (0, 0, 4)$ y, a continuación, le aplica una simetría central respecto…

Un programa de impresión 3D primero traslada un vértice de un sólido mediante el vector $\vec{v} = (0, 0, 4)$ y, a continuación, le aplica una simetría central respecto al origen de coordenadas $O(0, 0, 0)$. Si el vértice original estaba en la posición $V(2, -3, 1)$, ¿cuál es su posición final $V'$?

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Un dron submarino se encuentra en la posición $D(4, -2, -5)$ (el plano XY representa el nivel del mar). Primero, asciende verticalmente una cierta distancia aplicando el…

Un dron submarino se encuentra en la posición $D(4, -2, -5)$ (el plano XY representa el nivel del mar). Primero, asciende verticalmente una cierta distancia aplicando el vector de traslación $\vec{v} = (0, 0, 5)$. A continuación, emite un pulso de sonar que se refleja especularmente en el fondo marino, el cual es completamente plano y está definido por la ecuación $z = -10$. ¿Cuáles son las coordenadas del punto simétrico de la nueva posición del dron respecto al fondo marino?

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Composición de transformaciones

Puedes componer transformaciones: aplicas una y luego aplicas la siguiente al resultado. En general el orden importa (salvo con dos traslaciones).

Composición de dos transformaciones: el punto P se envía a P prima con una rotación y luego a P segunda con una traslación P P′ (rotación) P″ (traslación)
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Un rayo de luz atraviesa un cristal grueso y sufre una doble reflexión interna. Primero experimenta una simetría axial respecto a la recta vertical $x = 1$, y luego otra…

Un rayo de luz atraviesa un cristal grueso y sufre una doble reflexión interna. Primero experimenta una simetría axial respecto a la recta vertical $x = 1$, y luego otra simetría axial respecto a la recta $x = 4$. Si una impureza en el cristal está en el punto $M(-2, 3)$, halle su posición tras la primera simetría ($M'$) y tras la segunda ($M''$). ¿A qué vector de traslación directo equivale la composición de estas dos simetrías axiales?

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En el mecanizado CNC de una pieza, la herramienta de corte se encuentra inicialmente en el punto $H(0, 5)$. El programa ejecuta dos comandos: primero, el plato de…

En el mecanizado CNC de una pieza, la herramienta de corte se encuentra inicialmente en el punto $H(0, 5)$. El programa ejecuta dos comandos: primero, el plato de sujeción gira $180^\circ$ respecto al centro $C(2, 3)$, llevando la herramienta a la posición $H'$. Inmediatamente después, el carro se traslada según el vector $\vec{u} = (-1, -4)$ hasta alcanzar la posición final $H''$. Determine las coordenadas exactas de $H'$ y $H''$.

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Identificar una transformación

Si conoces una figura y su imagen, puedes saber qué movimiento rígido se usó fijándote en cómo cambiaron las coordenadas.

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En un estudio de transformaciones geométricas, los vértices de un triángulo son $A(1, 2)$, $B(3, 1)$ y $C(2, 4)$. Tras aplicar un único movimiento en el plano, los…

En un estudio de transformaciones geométricas, los vértices de un triángulo son $A(1, 2)$, $B(3, 1)$ y $C(2, 4)$. Tras aplicar un único movimiento en el plano, los nuevos vértices resultan ser $A'(-1, -2)$, $B'(-3, -1)$ y $C'(-2, -4)$. Identifique de qué tipo de movimiento se trata (traslación, giro o simetría) y especifique sus elementos característicos (vector, centro y ángulo, o eje). Justifique analíticamente su respuesta.

X Y A B C A' B' C'
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Un cuadrado tiene su centro geométrico en el origen $O(0, 0)$ y uno de sus vértices es $V_1(3, 3)$. Para encontrar los demás vértices, se aplican giros sucesivos de…

Un cuadrado tiene su centro geométrico en el origen $O(0, 0)$ y uno de sus vértices es $V_1(3, 3)$. Para encontrar los demás vértices, se aplican giros sucesivos de $90^\circ$ en sentido horario alrededor del origen, obteniendo $V_2$, $V_3$ y $V_4$. Calcule las coordenadas de los cuatro vértices y compruebe analíticamente que la distancia entre $V_1$ y $V_2$ es exactamente igual a la distancia entre $V_2$ y $V_3$.

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Aplicaciones: espejos, rebotes y centros desconocidos

La recta del espejo

Si conoces un punto y su imagen después de una reflexión, la recta de reflexión es la mediatriz (mediatriz) del segmento que los une. Para un espejo horizontal $y = k$, la coordenada $x$ se mantiene y $k$ es el promedio de las dos coordenadas $y$:

$$k = \frac{y + y'}{2}.$$

Para un espejo vertical, $k = \dfrac{x + x'}{2}$.

Rebotar en una banda

El camino más corto de $A$ a una pared y luego a $B$ se encuentra reflejando uno de los puntos respecto a la pared y uniéndolo con una recta. La razón: el camino con rebote tiene la misma longitud que el segmento recto hasta el punto reflejado, y un segmento recto es el camino más corto.

Una pelota va de A a B rebotando en el eje x en M; el punto reflejado B prima debajo del eje muestra la recta de A a B prima que fija el punto de rebote pared: y = 0 A(1, 3) B(5, 1) B′(5, −1) M(4, 0)

Hallar un centro de rotación desconocido

Si una rotación lleva $P$ a $P'$ alrededor de un centro desconocido $C(x, y)$, entonces $\vec{CP'}$ es la rotación de $\vec{CP}$. Para $90^\circ$ en sentido contrario a las manecillas del reloj, $(a, b) \to (-b, a)$. Iguala las componentes para obtener un sistema de ecuaciones en $x$ y $y$.

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Un rayo láser se emite desde el punto $E(1, 5)$ y, tras reflejarse en un espejo plano y paralelo al eje X, impacta en el punto receptor $R(1, -1)$. Sabiendo que la…

Un rayo láser se emite desde el punto $E(1, 5)$ y, tras reflejarse en un espejo plano y paralelo al eje X, impacta en el punto receptor $R(1, -1)$. Sabiendo que la abscisa no cambia y la ordenada de los puntos simétricos equidista del espejo, ¿cuál es la ecuación de la recta que define la posición del espejo?

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Practica★★★Sin empezar
En una mesa de billar, una bola está en la posición $A(2, 3)$. Un jugador quiere golpearla para que impacte en la banda derecha (situada a lo largo de la recta $x = 8$)…

En una mesa de billar, una bola está en la posición $A(2, 3)$. Un jugador quiere golpearla para que impacte en la banda derecha (situada a lo largo de la recta $x = 8$) y, tras rebotar, golpee a otra bola situada en $B(4, 7)$. Para calcular la trayectoria, utilice el punto simétrico de $B$ respecto a la banda, llamémosle $B'$. Halle las coordenadas de $B'$ y encuentre la ecuación de la recta que une $A$ con $B'$. ¿En qué punto exacto $P$ de la banda rebotará la bola?

X Y x=8 A B B' P
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Practica★★★Sin empezar
Una pieza triangular de un mosaico histórico con un vértice en $P(2, 6)$ se ha desprendido y, al caer, ha girado exactamente $90^\circ$ en sentido antihorario alrededor…

Una pieza triangular de un mosaico histórico con un vértice en $P(2, 6)$ se ha desprendido y, al caer, ha girado exactamente $90^\circ$ en sentido antihorario alrededor de un punto desconocido $C(x, y)$, quedando el vértice en la nueva posición $P'(-4, 4)$. Sabiendo que en un giro de $90^\circ$ antihorario alrededor del origen un vector $(a, b)$ se transforma en $(-b, a)$, plantee las ecuaciones correspondientes a la transformación del vector $\vec{CP}$ en $\vec{CP'}$ y resuelva el sistema para hallar las coordenadas del centro de giro $C$.

Resolver

Volvamos al inicio: el personaje que se desliza, se voltea y gira se mueve con tres reglas de coordenadas. Sumar un vector, cambiar un signo (o usar $2k - x$), o girar con $(-y, x)$. Esas pocas fórmulas son todo lo que necesita el motor del juego.

Resumen

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