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Vectores

🏹 Vectores

📜 Un poco de historia

A mediados del XIX, dos matemáticos desarrollaron las herramientas para trabajar con magnitudes direccionales:

William Rowan Hamilton creó los cuaterniones (1843), grabando i2=j2=k2=ijk=−1i^2 = j^2 = k^2 = ijk = -1 en un puente de Dublín.

Hermann Grassmann publicó su Ausdehnungslehre (1844), un tratado tan abstracto que fue ignorado durante décadas.

Gibbs y Heaviside unificaron ambos enfoques en el cálculo vectorial moderno (1880), creando las notaciones v⃗\vec{v}, i⃗,j⃗,k⃗\vec{i}, \vec{j}, \vec{k} que usamos hoy.

💡 Intuición Un vector es una flecha. Tres atributos:

📏 Módulo — Longitud

🧭 Dirección — Recta que lo contiene

➡️ Sentido — Hacia dónde apunta

Imagina vectores en el plano: Supón que tienes un vector u⃗=(3,1)\vec{u} = (3, 1) y un vector v⃗=(1,3)\vec{v} = (1, 3). La suma u⃗+v⃗=(4,4)\vec{u} + \vec{v} = (4, 4) se obtiene colocando la cola de v⃗\vec{v} en la punta de u⃗\vec{u}, como si caminaras 3 km al este y luego 4 km al norte, resultando en una diagonal noreste de 5.66 km. ¡Vamos!

Suma = caminar: Para sumar u⃗+v⃗\vec{u} + \vec{v}, coloca la cola de v⃗\vec{v} en la punta de u⃗\vec{u}. Si caminas 3 km al este y luego 4 km al norte, es como caminar 5 km en diagonal noreste. Fácil, ¿no?

Combinación lineal: Dados dos vectores base (ejes XX e YY), cualquier vector es w⃗=λi⃗+μj⃗\vec{w} = \lambda \vec{i} + \mu \vec{j}. Es como decir “avanza λ\lambda pasos en horizontal y μ\mu en vertical”.

Producto escalar: Mide “cuánto se parecen en dirección”. Positivo = apuntan parecido. Cero = perpendiculares. Negativo = direcciones opuestas.

Producto vectorial: Genera un vector perpendicular a ambos. Su módulo es el área del paralelogramo. Fundamental en física (torque, electromagnetismo).

🌍 En la vida real: Buscadores semánticos (TF-IDF)

El producto escalar entre vectores de términos mide la similitud entre documentos. Cuando buscas en Google, tu consulta se convierte en un vector y se compara con millones de vectores-documento mediante productos escalares para rankear resultados.

🌍 En la vida real: Embeddings en ChatGPT

Cada palabra y cada frase en un modelo de lenguaje como GPT se representa como un vector de cientos de dimensiones (embedding). Palabras con significado similar tienen vectores cercanos: rey⃗−hombre⃗+mujer⃗≈reina⃗\vec{\text{rey}} - \vec{\text{hombre}} + \vec{\text{mujer}} \approx \vec{\text{reina}}.

🌍 En la vida real: Gráficos por ordenador y videojuegos

El producto vectorial calcula el vector normal a una superficie, imprescindible para la iluminación en 3D. Cada triángulo renderizado en un videojuego tiene una normal calculada con un producto vectorial que determina cómo la luz rebota en él.

🎯 Objetivo

Operar con vectores, distinguir dependencia/independencia, calcular productos escalar y vectorial.

📖 Vectores fijos y libres

Vector fijo: Segmento orientado con origen AA y extremo BB:

AB→=(b1−a1,  b2−a2,  b3−a3)\overrightarrow{AB} = (b_1 - a_1,\; b_2 - a_2,\; b_3 - a_3)

Vector libre: Conjunto de todos los vectores fijos con igual módulo, dirección y sentido. Se representa v⃗\vec{v} y no tiene posición fija. Puedes moverlo por el espacio sin que cambie.

📖 Operaciones con vectores

➕ Suma

u⃗+v⃗=(u1+v1,u2+v2,u3+v3)\vec{u} + \vec{v} = (u_1 + v_1, u_2 + v_2, u_3 + v_3)

✖️ Producto por escalar

λu⃗=(λu1,λu2,λu3)\lambda \vec{u} = (\lambda u_1, \lambda u_2, \lambda u_3)

📏 Módulo (longitud)

En R2\mathbb{R}^2: ∣u⃗∣=u12+u22|\vec{u}| = \sqrt{u_1^2 + u_2^2}

En R3\mathbb{R}^3: ∣u⃗∣=u12+u22+u32|\vec{u}| = \sqrt{u_1^2 + u_2^2 + u_3^2}

Vector unitario si ∣u⃗∣=1|\vec{u}| = 1. Normalizar: u⃗∣u⃗∣\dfrac{\vec{u}}{|\vec{u}|}.

📖 Combinación lineal, dependencia e independencia

Combinación lineal de v⃗1,…,v⃗k\vec{v}_1, \ldots, \vec{v}_k:

w⃗=λ1v⃗1+λ2v⃗2+⋯+λkv⃗k\vec{w} = \lambda_1 \vec{v}_1 + \lambda_2 \vec{v}_2 + \cdots + \lambda_k \vec{v}_k

  • Linealmente independientes: La única combinación que da 0⃗\vec{0} es la trivial (λi=0\lambda_i = 0 para todo ii).
  • Linealmente dependientes: Existe una combinación no trivial que da 0⃗\vec{0} (hay “redundancia”).

💡 En R2\mathbb{R}^2, 3 vectores siempre son dependientes (solo necesitas 2 direcciones base). En R3\mathbb{R}^3, necesitas 3 vectores independientes para formar una base. ¿Lo ves? Es como tener demasiadas manos para un mismo trabajo.

📖 Base y dimensión

Una base de Rn\mathbb{R}^n son nn vectores linealmente independientes.

Base canónica:

  • R2\mathbb{R}^2: {i⃗=(1,0),  j⃗=(0,1)}\{\vec{i} = (1,0),\; \vec{j} = (0,1)\}
  • R3\mathbb{R}^3: {i⃗=(1,0,0),  j⃗=(0,1,0),  k⃗=(0,0,1)}\{\vec{i} = (1,0,0),\; \vec{j} = (0,1,0),\; \vec{k} = (0,0,1)\}

📝 Producto escalar

u⃗⋅v⃗=u1v1+u2v2+u3v3\vec{u} \cdot \vec{v} = u_1 v_1 + u_2 v_2 + u_3 v_3

Propiedades fundamentales:

PropiedadFórmula
Relación geométrica$\vec{u} \cdot \vec{v} =
Módulo al cuadrado$\vec{u} \cdot \vec{u} =
Ortogonalidadu⃗⊥v⃗  ⟺  u⃗⋅v⃗=0\vec{u} \perp \vec{v} \iff \vec{u} \cdot \vec{v} = 0
Ángulo entre vectores$\cos \theta = \dfrac{\vec{u} \cdot \vec{v}}{

📝 Producto vectorial (solo R3\mathbb{R}^3)

\vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ u_1 & u_2 & u_3 \\ v_1 & v_2 & v_3 \end{vmatrix} = (u_2 v_3 - u_3 v_2)\vec{i}\; - (u_1 v_3 - u_3 v_1)\vec{j}\; + (u_1 v_2 - u_2 v_1)\vec{k}$$ | Propiedad | Significado | |-----------|-------------| | $|\vec{u} \times \vec{v}| = |\vec{u}|\,|\vec{v}|\sin\theta$ | Área del paralelogramo | | $\vec{u} \times \vec{v} = -\vec{v} \times \vec{u}$ | Anticonmutativo | | $\vec{u} \times \vec{v} = \vec{0} \iff \vec{u} \parallel \vec{v}$ | Vectores paralelos |

🔑 Concepto clave Tres herramientas miden la relación entre vectores:

  • Producto escalar → número que mide proyección y ángulo. Si es 00, los vectores son ortogonales.
  • Producto vectorial → nuevo vector perpendicular a ambos, cuyo módulo es el área del paralelogramo.
  • Dependencia lineal → si un vector es combinación de otros, sobra. Para formar una base de Rn\mathbb{R}^n necesitas exactamente nn vectores independientes.

✏️ Ejemplo Resuelto 1 Dados u⃗=(1,2,−1)\vec{u} = (1, 2, -1) y v⃗=(3,0,4)\vec{v} = (3, 0, 4), calcula:

a) Producto escalar y ángulo

u⃗⋅v⃗=1⋅3+2⋅0+(−1)⋅4=−1\vec{u} \cdot \vec{v} = 1 \cdot 3 + 2 \cdot 0 + (-1) \cdot 4 = -1

∣u⃗∣=1+4+1=6,∣v⃗∣=9+0+16=5|\vec{u}| = \sqrt{1 + 4 + 1} = \sqrt{6}, \quad |\vec{v}| = \sqrt{9 + 0 + 16} = 5

cos⁡θ=−156≈−0.0816  ⟹  θ≈94.68∘\cos \theta = \frac{-1}{5\sqrt{6}} \approx -0.0816 \implies \theta \approx 94.68^\circ

No son ortogonales, pero son casi perpendiculares.

b) Producto vectorial

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🎮 Vectores y área (2D)

Arrastra los vectores. El área del paralelogramo es |det|.

🖱️ Arrastra los extremos de los vectores rojo y verde. El área sombreada es |det|.

🧊 Producto vectorial en 3D

🔴 u y 🟢 v son los vectores originales. 🟡 u×v es el producto vectorial: es perpendicular a ambos y su longitud es el área del paralelogramo amarillo. Arrastra para rotar la vista.

🔴 u y 🟢 v: vectores. 🟡 u×v: producto vectorial (perpendicular a ambos). El área amarilla es |u×v|. Arrastra para rotar la cámara.