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¿Cómo explicar la perpendicularidad de dos rectas a un alumno de Bachillerato?

Hoy he estado enseñando a mi amigo del instituto sobre funciones lineales. Uno de los ejercicios que teníamos que hacer era encontrar ecuaciones de rectas perpendiculares y paralelas. Explicar ecuaciones de paralelas era bastante fácil, si tenemos la ecuación $y = ax + b$ no es difícil demostrar con un par de ejemplos que cambiar el parámetro $b$ sólo "mueve" la línea hacia arriba o hacia abajo pero no cambia el ángulo, por lo que las líneas $k$ y $\ell$ son paralelas si $a_k = a_{\ell}$ .

Sin embargo, no pude encontrar una manera clara de explicar por qué esas líneas son perpendiculares si $a_k \times a_{\ell}= -1$ . Por supuesto, es obvio si utilizamos el hecho de que $a = \tan (\alpha)$ con $\alpha$ siendo el ángulo en el que la línea interseca el eje X y que $\tan (\alpha) = - \cot (\frac{\pi}{2} + \alpha)$ . Pero esto nos obliga a introducir la trigonometría y plantea oh tantas preguntas sobre el origen de la ecuación anterior. ¿Alguien conoce una explicación buena, sencilla y fácil de recordar?

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Yves Daoust Puntos 30126

Dibuja una línea que pase por el origen, $y=mx$ y marque el punto $(1,m)$ . Gire el dibujo un cuarto de vuelta y observe que el punto está ahora en $(-m,1)$ .

Pendiente antigua: $m$ nueva pendiente: $-\frac1m$ .

Quarter turn rotation

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Reto Meier Puntos 55904

Consideremos una recta con pendiente $a$ . Esto significa que a medida que nos movemos a lo largo de la línea, por cada 1 unidad que nos movemos hacia la derecha, nos movemos hacia arriba en $a$ unidades.

Ahora imagina que giras la línea 90 grados, en el sentido contrario a las agujas del reloj. Ahora el movimiento hacia la derecha se convierte en movimiento hacia arriba, y el movimiento hacia arriba se convierte en movimiento hacia la izquierda. En esta nueva línea, por cada 1 unidad que nos movemos arriba nos movemos izquierda por $a$ unidades. Calculando la pendiente de esta nueva línea, vemos que es $-1/a$ .

Un argumento similar muestra que se obtiene el mismo resultado si se gira la línea 90 grados en el sentido de las agujas del reloj.

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CoolHandLouis Puntos 364

Pregunta: "Explica por qué dos rectas son perpendiculares si $a_k \times a_l = -1$ . Usa una buena explicación, sencilla y fácil de recordar".

Una explicación/prueba visual sencilla

Los siguientes gif animado basada en triángulos congruentes, es la explicación/prueba visual más sencilla que he visto nunca:


(Joe Mercer: http://ceemrr.com/Geometry1/EquationsOfLines/EquationsOfLines_print.html )

Fíjate en lo siguiente:

  • Los segmentos de línea $b^2$ en el diagrama anterior siempre forman un cuadrado vertical.
  • Para facilitar la memorización, las rectas perpendiculares con pendientes de 1 y -1 forman una "X", y obviamente $(1 \times -1) = -1$
  • Deberías señalar que las líneas horizontales y verticales tienen pendientes 0 e indefinidas (también conocidas como "infinitas") y no siguen la "regla -1".

¡Eso es! Sin embargo, en la siguiente sección hay otros dos "puntos útiles" a tener en cuenta.


Otros puntos útiles

1. Desarrollar la intuición del alumno sobre la pendiente.

Junto con las rectas perpendiculares, es muy importante que el alumno tenga una intuición / estimación general sobre cuál es la pendiente de una recta sin necesidad de calcularla. Esto ayudará a complementar y profundizar la comprensión de las rectas perpendiculares.

https://upload.wikimedia.org/wikibooks/en/5/57/Various_Linear_Slopes.PNG

Utiliza los fantásticos sitios interactivos de matemáticas de Internet. A continuación se muestra un buen gráfico interactivo para una recta que utiliza JSXGraph : http://www.intmath.com/plane-analytic-geometry/1b-gradient-slope-line.php

2. Se puede adquirir más "intuición de pendiente" mediante el concepto de "pendiente en un punto de una curva" (también conocido como derivada) utilizando el GIF animado que se muestra a continuación:

Los estudios demuestran que la gente retiene más cuando puede relacionar lo que ha entendido con otras cosas. Así que recordar más aprendiendo más . Que comprendan el concepto de derivado y luego "repasar" otros gráficos continuos y decirte su estimación de la pendiente en cada punto. (Si eres valiente, muéstrales un estimado gráfica de la derivada. Pero esa es otra cuestión).
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2d/Tangent_function_animation.gif
(El GIF muestra la pendiente de forma dinámica a través de una función, también conocida como "la derivada").

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vadim123 Puntos 54128

Aquí tienes una prueba. Empieza con dos rectas perpendiculares cualesquiera. Mueve la intersección al origen, y elige el punto $(a,b)$ en la primera línea, y $(c,d)$ en la segunda línea. Estos dos puntos, con el origen, forman un triángulo rectángulo. Por la fórmula de la distancia (tres veces) y el Teorema de Pitágoras, $$(a-c)^2+(b-d)^2=(a^2+b^2)+(c^2+d^2)$$ que se simplifica en $$-2ac-2bd=0$$ o $$bd=-ac$$ dividiendo por $ac$ obtenemos $$\frac{b}{a}\frac{d}{c}=-1$$

Nota: esto falla si $ac=0$ que es exactamente cuando falla el enunciado original (es decir, las pendientes no tienen producto -1).

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Steve Kass Puntos 5967

Esta es una variación de la respuesta de @Nate-Eldredge.

La línea nº 2 es perpendicular a la línea nº 1 si la línea nº 1 tiene pendiente $s$ y, al girar la cabeza a la izquierda por $90^\circ$ la línea 2 parece tener la misma pendiente, $s$ .

Ahora piensa en lo que pasa cuando giras la cabeza a la izquierda por $90^\circ$ . En $y$ -se convierte en el eje horizontal, y el eje $x$ -se vuelve vertical, pero con números negativos en la dirección ascendente.

Si la pendiente aparente de la Línea nº 2 con la cabeza girada es $s$ entonces debe darse el caso de que $-x$ (la dirección hacia arriba) es igual a $sy+b$ (porque $y$ es la dirección hacia la derecha).

Así que $-x=sy+b$ es una ecuación para la Línea #2. Si resuelves esta ecuación para $y$ (que es una buena idea, porque esto le dará la forma estándar $y=mx+b$ que revela la pendiente real de la línea 2), se obtiene $y=\left(\frac{-1}{s}\right)x + \text{(a number)}$ . Esto nos dice que la pendiente de la línea 2 es $-1$ dividido por la pendiente de la Línea #1.

Si la línea 1 es horizontal, esto no funciona del todo, debido a la división por cero, pero si cualquiera de las líneas es perfectamente vertical, no se puede utilizar pendientes de todos modos, porque las líneas verticales no tienen una pendiente numérica.

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