Matrizes  Vetores e Geometria Analítica
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Matrizes Vetores e Geometria Analítica


DisciplinaGeometria Analítica e Sistemas Lineares137 materiais835 seguidores
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pelo Teorema 2.10 na pa´gina 115 se
uma matriz tem uma linha nula o seu determinante e´ igual a zero, enta\u2dco det(\ud434\u2dc1\ud458) = 0, segue-se que
det(\ud434\u2dc1\ud457) =
\u23a7\u23a8
\u23a9
(\u22121)(\ud456\u22121)+(\ud458\u22121) det(\ud435\ud457) se \ud457 < \ud458,
0 se \ud457 = \ud458,
(\u22121)(\ud456\u22121)+\ud458 det(\ud435\ud457) se \ud457 > \ud458.
(2.12)
Usando (2.12), obtemos
det(\ud434) =
\ud45b\u2211
\ud457=1
(\u22121)1+\ud457\ud44e1\ud457 det(\ud434\u2dc\ud456\ud457)
=
\ud45b\u2211
\ud457<\ud458
(\u22121)1+\ud457\ud44e1\ud457(\u22121)(\ud456\u22121)+(\ud458\u22121) det(\ud435\ud457) +
\ud45b\u2211
\ud457>\ud458
(\u22121)1+\ud457\ud44e1\ud457(\u22121)(\ud456\u22121)+\ud458 det(\ud435\ud457)
Por outro lado, temos que
(\u22121)\ud456+\ud458 det(\ud434\u2dc\ud456\ud458) = (\u22121)\ud456+\ud458
[
\ud45b\u2211
\ud457<\ud458
(\u22121)1+\ud457\ud44e1\ud457 det(\ud435\ud457) +
\ud45b\u2211
\ud457>\ud458
(\u22121)1+(\ud457\u22121)\ud44e1\ud457 det(\ud435\ud457)
]
´E simples a verificac¸a\u2dco de que as duas expresso\u2dces acima sa\u2dco iguais. \u25a0
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2.2 Determinantes 147
Demonstrac¸a\u2dco do Teorema 2.11 na pa´gina 117.
Pelo Teorema 2.14 na pa´gina 122 basta provarmos o resultado para o desenvolvimento em termos
das linhas de \ud434. Sejam \ud4381 = [1 0 . . . 0], \ud4382 = [0 1 0 . . . 0], . . . , \ud438\ud45b = [0 . . . 0 1]. Observe que a
linha \ud456 de \ud434 pode ser escrita como \ud434\ud456 =
\u2211\ud45b
\ud457=1 \ud44e\ud456\ud457\ud438\ud457 . Seja \ud435\ud457 a matriz obtida de \ud434 substituindo-se a
linha \ud456 por \ud438\ud457 . Pelo Teorema 2.10 na pa´gina 115 e o Lema 2.21 segue-se que
det(\ud434) =
\ud45b\u2211
\ud457=1
\ud44e\ud456\ud457 det(\ud435\ud457) =
\ud45b\u2211
\ud457=1
(\u22121)\ud456+\ud457\ud44e\ud456\ud457 det(\ud434\u2dc\ud456\ud457).
\u25a0
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148 Inversa\u2dco de Matrizes e Determinantes
Teste do Cap\u131´tulo
1. Calcule o determinante da matriz seguinte usando operac¸o\u2dces elementares para transforma´-la
em uma matriz triangular superior. \u23a1
\u23a2\u23a2\u23a3
1 3 9 7
2 3 2 5
0 3 4 1
4 6 9 1
\u23a4
\u23a5\u23a5\u23a6
2. Se poss\u131´vel, encontre a inversa da seguinte matriz:\u23a1
\u23a2\u23a2\u23a3
1 0 0 2
0 1 0 0
0 0 1 0
2 0 0 2
\u23a4
\u23a5\u23a5\u23a6
3. Encontre todos os valores de \ud706 para os quais a matriz \ud434\u2212 \ud706\ud43c4 tem inversa, onde
\ud434 =
\u23a1
\u23a2\u23a2\u23a3
2 0 0 0
2 0 0 0
1 2 1 0
3 2 \u22121 2
\u23a4
\u23a5\u23a5\u23a6
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2.2 Determinantes 149
4. Responda Verdadeiro ou Falso, justificando:
(a) Se \ud4342 = \u22122\ud4344, enta\u2dco (\ud43c + \ud4342)\u22121 = \ud43c \u2212 2\ud4342;
(b) Se \ud434\ud461 = \u2212\ud4342 e \ud434 e´ na\u2dco singular, enta\u2dco determinante de \ud434 e´ -1;
(c) Se \ud435 = \ud434\ud434\ud461\ud434\u22121, enta\u2dco det(\ud434) = det(\ud435).
(d) det(\ud434+ \ud435) = det\ud434+ det\ud435
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Cap\u131´tulo 3
Vetores no Plano e no Espac¸o
Muitas grandezas f\u131´sicas, como velocidade, forc¸a, deslocamento e impulso, para serem comple-
tamente identificadas, precisam, ale´m da magnitude, da direc¸a\u2dco e do sentido. Estas grandezas sa\u2dco
chamadas grandezas vetoriais ou simplesmente vetores.
Geometricamente, vetores sa\u2dco representados por segmentos (de retas) orientados (segmentos
de retas com um sentido de percurso) no plano ou no espac¸o. A ponta da seta do segmento orientado
e´ chamada ponto final ou extremidade e o outro ponto extremo e´ chamado de ponto inicial ou
origem do segmento orientado.
Segmentos orientados com mesma direc¸a\u2dco, mesmo sentido e mesmo comprimento representam
o mesmo vetor. A direc¸a\u2dco, o sentido e o comprimento do vetor sa\u2dco definidos como sendo a direc¸a\u2dco, o
sentido e o comprimento de qualquer um dos segmentos orientados que o representam.
Este fato e´ ana´logo ao que ocorre com os nu´meros racionais e as frac¸o\u2dces. Duas frac¸o\u2dces repre-
150
151
Figura 3.1: Segmentos orientados representando o mesmo vetor
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152 Vetores no Plano e no Espac¸o
sentam o mesmo nu´mero racional se o numerador e o denominador de cada uma delas estiverem
na mesma proporc¸a\u2dco. Por exemplo, as frac¸o\u2dces 1/2, 2/4 e 3/6 representam o mesmo nu´mero racio-
nal. A definic¸a\u2dco de igualdade de vetores tambe´m e´ ana´loga a igualdade de nu´meros racionais. Dois
nu´meros racionais \ud44e/\ud44f e \ud450/\ud451 sa\u2dco iguais, quando \ud44e\ud451 = \ud44f\ud450. Dizemos que dois vetores sa\u2dco iguais se
eles possuem o mesmo comprimento, a mesma direc¸a\u2dco e o mesmo sentido.
Na Figura 3.1 temos 4 segmentos orientados, com origens em pontos diferentes, que representam
o mesmo vetor, ou seja, sa\u2dco considerados como vetores iguais, pois possuem a mesma direc¸a\u2dco,
mesmo sentido e o mesmo comprimento.
Se o ponto inicial de um representante de um vetor \ud449 e´ \ud434 e o ponto final e´ \ud435, enta\u2dco escrevemos
\ud449 =
\u2212\u2192
\ud434\ud435
\ufffd
\ufffd
\ufffd
\ufffd
\ufffd
\ufffd*
\ud434
\ud435
\u2212\u2192
\ud434\ud435
3.1 Soma de Vetores e Multiplicac¸a\u2dco por Escalar
A soma, \ud449 +\ud44a , de dois vetores \ud449 e \ud44a e´ determinada da seguinte forma:
\u2219 tome um segmento orientado que representa \ud449 ;
\u2219 tome um segmento orientado que representa \ud44a , com origem na extremidade de \ud449 ;
\u2219 o vetor \ud449 +\ud44a e´ representado pelo segmento orientado que vai da origem de \ud449 ate´ a extremi-
dade de \ud44a .
Da Figura 3.2, deduzimos que a soma de vetores e´ comutativa, ou seja,
\ud449 +\ud44a = \ud44a + \ud449, (3.1)
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3.1 Soma de Vetores e Multiplicac¸a\u2dco por Escalar 153
\ud44a
\ud449
\ud449
\ud44a
\ud449
+
\ud44a
\ud44a
+
\ud449
Figura 3.2: \ud449 +\ud44a = \ud44a + \ud449
\ud44a
\ud449
\ud448
\ud44a + \ud448
\ud449
+
\ud44a
\ud449 +
(\ud44a
+ \ud448
)(\ud449 +
\ud44a )
+ \ud448
Figura 3.3: \ud449 + (\ud44a + \ud448) = (\ud449 +\ud44a ) + \ud448
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154 Vetores no Plano e no Espac¸o
para quaisquer vetores \ud449 e \ud44a . Observamos tambe´m que a soma \ud449 + \ud44a esta´ na diagonal do
paralelogramo determinado por \ud449 e \ud44a , quando esta\u2dco representados com a mesma origem.
Da Figura 3.3, deduzimos que a soma de vetores e´ associativa, ou seja,
\ud449 + (\ud44a + \ud448) = (\ud449 +\ud44a ) + \ud448, (3.2)
para quaisquer vetores \ud449 , \ud44a e \ud448 .
O vetor que tem a sua origem coincidindo com a sua extremidade e´ chamado vetor nulo e deno-
tado por 0¯. Segue enta\u2dco, que
\ud449 + 0¯ = 0¯ + \ud449 = \ud449, (3.3)
para todo vetor \ud449 .
Para qualquer vetor \ud449 , o sime´trico de \ud449 , denotado por \u2212\ud449 , e´ o vetor que tem mesmo compri-
mento, mesma direc¸a\u2dco e sentido contra´rio ao de \ud449 . Segue enta\u2dco, que
\ud449 + (\u2212\ud449 ) = 0¯. (3.4)
Definimos a diferenc¸a \ud44a menos \ud449 , por
\ud44a \u2212 \ud449 = \ud44a + (\u2212\ud449 ).
Segue desta definic¸a\u2dco, de (3.1), (3.2), (3.4) e de (3.3) que
\ud44a + (\ud449 \u2212\ud44a ) = (\ud449 \u2212\ud44a ) +\ud44a = \ud449 + (\u2212\ud44a +\ud44a ) = \ud449 + 0¯ = \ud449.
Assim, a diferenc¸a \ud449 \u2212\ud44a e´ um vetor que somado a \ud44a da´ \ud449 , portanto ele vai da extremidade de \ud44a
ate´ a extremidade de \ud449 , desde que \ud449 e \ud44a estejam representados por segmentos orientados com a
mesma origem.
A multiplicac¸a\u2dco de um vetor \ud449 por um escalar \ud6fc, \ud6fc\ud449 , e´ determinada pelo vetor que possui as
seguintes caracter\u131´sticas:
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3.1 Soma de Vetores e Multiplicac¸a\u2dco por Escalar 155
(a) e´ o vetor nulo, se \ud6fc = 0 ou \ud449 = 0¯,
(b) caso contra´rio,
i. tem comprimento \u2223\ud6fc\u2223 vezes o comprimento de \ud449 ,
ii. a direc¸a\u2dco e´ a mesma de \ud449 (neste caso, dizemos que eles sa\u2dco paralelos),
iii. tem o mesmo sentido de \ud449 , se \ud6fc > 0 e
tem o sentido contra´rio ao de \ud449 , se \ud6fc < 0.
As propriedades da multiplicac¸a\u2dco por escalar sera\u2dco apresentadas mais a frente. Se \ud44a = \ud6fc\ud449 ,
dizemos que \ud44a e´ um mu´ltiplo escalar de \ud449 . ´E fa´cil ver que dois vetores na\u2dco nulos sa\u2dco paralelos
(ou colineares) se, e somente se, um e´ um mu´ltiplo escalar do outro.
As operac¸o\u2dces com vetores podem ser definidas utilizando um sistema de coordenadas retangu-
lares ou cartesianas. Em primeiro lugar, vamos considerar os vetores no plano.
Seja \ud449 um vetor no plano. Definimos as componentes de \ud449 como sendo as coordenadas (\ud4631, \ud4632)
do ponto final do representante de \ud449 que tem ponto inicial na origem. Vamos identificar o vetor com
as suas componentes e vamos escrever simplesmente
\ud449 = (\ud4631, \ud4632).
Assim, as coordenadas de um ponto \ud443 sa\u2dco iguais as componentes do vetor
\u2212\u2192
\ud442\ud443 , que vai da
origem do sistema de coordenadas ao ponto \ud443 . Em particular, o vetor nulo, 0¯ = (0, 0). Em termos
das componentes, podemos realizar facilmente as operac¸o\u2dces: soma de vetores e multiplicac¸a\u2dco de
vetor por escalar.
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156 Vetores no Plano e no Espac¸o
 
 
 
 
\ud44a\u2212\ud44a
\ud449
\ud449 \u2212\ud44a
 
 
 
\ud44a
\ud449 \ud449 \u2212\ud44a
Figura 3.4: A diferenc¸a \ud449 \u2212\ud44a
\ud449
\u22122\ud449
3\ud449
1
2
\ud449
Figura 3.5: Multiplicac¸a\u2dco de vetor por escalar
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3.1 Soma de Vetores e Multiplicac¸a\u2dco por Escalar 157