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Introdução à Álgebra Linear Módulo II (10 aulas) f áProf. Flávio Silva 3. Vetores: componentes e operações (representação geométrica, aritmética vetorial, produto escalar, projeções, produto vetorial) 4. Espaços vetoriais euclidianos (espaço euclidiano n-dimensional, transformações lineares de n em m) 5. Espaços vetoriais arbitrários (espaços vetoriais reais, subespaço, combinação linear, dependência e independência linear, bases e dimensão, mudança de base)bases e dimensão, mudança de base) 2º Semestre de 20092º Semestre de 2009 Setembro de 2009 Setembro de 2009 S T Q Q S S D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Feriados e Pontos Facultativos 29/9 – 2/10 – Semana universitária 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 29/9 – 2/10 – Semana universitária 12/10 – Nossa Senhora Aparecida (feriado) 28/10 – Dia do servidor público (ponto facultativo) 2/11 – Finados (feriado) Data da Avaliação Outubro de 2009 S T Q Q S S D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 / ( ) Data da Avaliação Prova – 4/11 (quarta feira) 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Novembro de 2009 S T Q Q S S D 1 2 3 4 5 6 7 82 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 3 VETORES: COMPONENTES E OPERAÇÕES 3 3 – VETORES: COMPONENTES E OPERAÇÕES 1 Introdução1 – Introdução Há dois modos de se apresentar a noção de vetor:p ç 1. Lista de números indexados: Por exemplo, a lista das idades de oito pessoas dada por 17, 23, 45, 28, 16, 30, 62 e 35, nessa ordem, pode ser simbolicamente representada por:por: 35,62,30,16,28,45,23,17,,,,,,, 87654321 iiiiiiiii Onde i1 = 17 é a idade da primeira pessoa, i2 = 23 é a idade da segunda pessoa e assim por diante. Uma lista desse tipo é chamada de tabela linear ou vetorlinear ou vetor. 2. Vetores na física: 4 ‐ Muitas grandezas físicas como temperatura, massa e corrente elétrica, são representadas apenas por um número real e são d i d d ldenominadas de escalares. ‐ Por outro lado, há grandezas como força, velocidade e campo , g ç , p elétrico que requerem não só um valor numérico, mas também uma direção e um sentido para sua descrição completa. Por exemplo, a figura abaixo mostra um vetor força de mesma intensidade (10 N) provocando efeitos diferentes pelo fato deintensidade (10 N) provocando efeitos diferentes pelo fato de atuarem em direções e/ou sentidos diferentes. Representação de um vetor 5 No espaço bi‐dimensional ou tri‐dimensional, os vetores podem ser representados geometricamente por setas: o comprimento da seta é proporcional à magnitude (comprimento) do vetor e a direção e o sentido da seta indicam a direção e o sentido do vetorda seta, indicam a direção e o sentido do vetor. A origem da seta é denominada de ponto inicial e a ponta da seta é g p p denominada de ponto final. BB B BAv A ABv A ‐ Vetores com a mesma magnitude, direção e sentido são denominados 6 equivalentes. Definição: Sejam v e w dois vetores quaisquer. A soma de v com w é o vetor v+w determinado da seguinte maneira: posicione o vetor w de talvetor v+w determinado da seguinte maneira: posicione o vetor w de tal maneira que seu ponto inicial coincide com o ponto final do vetor v. O vetor v+w é representado pela flecha do ponto inicial de v ao ponto final de w. v w v w + vw wv v w vw w v + 7 w ‐ Observe que: vwv v vwwv w ‐ O vetor de comprimento zero é denominado vetor nulo ou vetor zero. Denotado por 0. Desta forma, tem‐se: .vvv 00 ‐ Se v é um vetor não nulo, então –v é o negativo de v, é definido como o vetor de mesma magnitude e direção de v mas de sentido oposto.vetor de mesma magnitude e direção de v mas de sentido oposto. v v Definição: Sejam v e w dois vetores quaisquer então a diferença de w por v 8 é definida por: . w )( wvwv wv w w v ‐ v v w vw w v‐ Definição: Sejam v um vetor não nulo e um número real (escalar) k 0 O v Definição: Sejam v um vetor não nulo e um número real (escalar) k 0. O produto k v é definido como o vetor de mesma direção de v cujo o comprimento é |k| vezes o comprimento de v e cujo o sentido é o mesmo de v se k > 0 e oposto ao de v se k < 0. v v 1 v)2(v v2 v)2( Vetores em sistemas de coordenadas 9 Seja v qualquer vetor no plano e suponha que esteja posicionado com seu ponto inicial na origem de um sistema de coordenadas retangulares Asponto inicial na origem de um sistema de coordenadas retangulares. As coordenadas do ponto final de v são chamadas componentes de v. y ),( 21 vv ),( 21 vvv v ),( 21 vv x0 ‐ Vetores com as mesmas componentes são equivalentes pois têm a mesma magnit de direção e sentidomagnitude, direção e sentido. e são equivalentes se ),( 21 vvv ),( 21 www 22 11 wv wv ‐ Sejam e vetores quaisquer e k um escalar 10 ),( 21 www),( 21 vvv ),( 2211 wvwv wv ),( 21 kvkvk v y ),( 2211 wvwv y ),( 21 kvkv wv ),( 21 vv ),( 21 vv v wv )( ww v vk x w ),( 21 ww 0 0x0 x0 1 k‐ Observe que neste gráfico ),()( 2211 wvwv wvwv Vetores no espaço tridimensional 11 Da mesma forma que os vetores no plano podem ser escritos por pares de números reais, os vetores no espaço podem ser descritos por ternos de , p ç p p números reais utilizando um sistema de coordenadas retangulares. ‐ Se um vetor v no espaço tridimensional for posicionado com seu pontoSe um vetor v no espaço tridimensional for posicionado com seu ponto inicial na origem de um sistema de coordenadas retangulares, tem‐se: z ),,( 321 vvv v ),,( 321 vvv ),,( 321 vvvv 0 y x ‐ Os sistemas de coordenadas retangulares tridimensional dividem se em 12 duas categorias: o de mão direita e o de mão esquerda. ‐ O sistema de mão direita tem a propriedade de um parafuso comum, apontado na direção positiva do eixo z, ele avança se o eixo x positivo é girado 90o na direção do eixo y positivo. ‐ O sistema é de mão esquerda se o parafuso retroceder. ‐ Pode acontecer que o vetor não esteja posicionado com seu ponto inicial 13 na origem, conforme a figura abaixo z ),,( 2222 zyxP ),,( 1111 zyxP 21PP 2OP 1OP 0 x y • Neste caso, o vetor tem o ponto inicial e o ponto final . A representação do vetor é dada por: 21PP 1111 ,, zyxP 2222 zyxP x final . A representação do vetor é dada por: 2222 ,, zyxP 1221 )( OPOPPP 12121221111222 ,,),,(,, zzyyxxPPzyxzyx Exemplo 1 . 14 Exemplo 1 . Considere os pontos A(1,0,3), B(-1,5,7) e C(3,-1,0) pertencentes ao espaço tridimensional . a) Determine a representação dos vetores , e . b) Calcule e . BC CA BCCA 2 AB BCAB 4,5,23705,11 ,AB a) 3,1,203)1(0,31 ,6,47051),1(3 7 ,CA ,BC b) 31274,65,42764452 , , ,,, , BCAB 1713101431218276423122BCCA 171310143,121,8276423122 , , ,,, , BCCA Exemplo 2 . 15 Dado os vetores v e u inscritos em um círculo de raio unitário, determine os componentes de v, u, v+u e v‐u 3 v • vetor v(v1,v2) 1)30sin( 2 3 1)30cos( 2 1 1 v v v 21)30sin( 2 2 v 1)60cos( 1 uu • vetor u(u1,u2) 3 1)60sin( 21 )60cos( 2 2 1 1 u u u 21)60sin( 2u 31133113• . 2 , 22 , 22 , 2 uv 31133113 2 31, 2 13 2 3, 2 1 2 1, 2 3uv Translação de eixos 16 ç A solução de muitos problemas pode ser simplificada pela translação dos eixos coordenados para obter novos eixos paralelos aos originaiseixos coordenados para obter novos eixosparalelos aos originais. Na Figura abaixo foi transladado os eixos de um sistema de coordenadas xy para obter um sistema de coordenadas cuja origem está no ponto yx 0para obter um sistema de coordenadas cuja origem está no ponto . y y y,x yx, P yx 0 ),( 11 yx y y y 1y x0 x),(0 11 yx1 y 1y Equações de translação: x0 x01x 1x 1xx x‐ Equações de translação: 1yy y Exemplo 3 . 17 Exemplo 3 . Suponha que um sistema de coordenadas xy é transladado para um sistema de coordenadas x’y’ cuja origem tem coordenadas xy dadas por (4,1). (a) Encontre as coordenadas x’y’ do ponto com coordenadas xy dadas por P(2,0). (b) d d d d d ’ ’ d d(b) Encontre as coordenadas xy do ponto com coordenadas x’y’ dadas por Q(-1,5) . (a) As equações de translação são e portanto as coordenadas 1yy 4xx x’y’ de P(2,0) são 110y 242x (b) As equações de translação são e portanto as coordenadas 1yy 4xx 341 xy de Q(-1,5) são 615y 341x 2 – NORMA DE UM VETOR; ARITMÉTICA VETORIAL 18 ; I. Norma de um vetor O comprimento de um vetor v é muitas vezes denominado norma de v e é denotado por . v ‐ caso bidimensional y ),( yxP Aplicando o Teorema de Pitágoras, no triângulo OPA, tem‐se: 222 222 yx APOAOP v v 22 yx y vA x0 ‐ caso tridimensional 19 Aplicando o Teorema de Pitágoras no z 222 ABOBOA triângulo OBA, tem‐se: ),,( zyxP 222 yxOA v N t iâ l OPA t 0 y B No triângulo OPA, tem‐se: 222 APOAOP x A 222 2222 )( zyx zyx v v Definição: Um vetor v é denominado vetor unitário se . 20 1v ç • Se v é um vetor qualquer não nulo, então é um vetor unitário de v vv ˆ mesma direção que v. ‐ O processo de determinação de é denominado de normalização de v. v vˆ Definição (Vetores Unitários Canônicos) Considere os vetores , e . E i i á i ã 0,0,1i 0,1,0j 1,0,0k Estes vetores possuem comprimento unitário e estão sobre os eixos coordenados, sendo denominados vetores unitários canônicos do espaço tridimensionalvetores unitários canônicos do espaço tridimensional. Exemplo 4 . 21 Exemplo 4 . Represente geometricamente o vetor no espaço tridimensional e determine o seu vetor unitário. kjiv 643 4 • Norma do vetor v 8102,7)6(43 222 v 3 • Vetor unitário de vvˆ -6 v • Vetor unitário de v kjiv 8102,7 643ˆ v kjiv 7682,05121,03841,0ˆ , II. Aritmética vetorial 22 Teorema (propriedades da aritmética vetorial) Se e são vetores de um espaço bi ou tridimensional e e são v v v Se , e são vetores de um espaço bi ou tridimensional e e são escalares, então valem as seguintes relações: vvvv (a) 1v 2v 3v 321321 1221 00 )()( vvv vvvvvv vvvv (c) (b) (a) 11 111 )()( 0)( 00 vv vvv ( ) (d) (c) 2121 11 )( )( )()( vvvv vv ( ) (f) (e) 11 111 1 )( vv vvv (h) (g) Prova do Teorema 23 ‐ A prova será apresentada, considerando vetores no espaço bidimensional, ou seja, , e .),( 111 yxv ),( 222 yxv ),( 333 yxv )()( ),(),(),()( 332211321 vvv (a) yxyyxx yxyxyx )(),( )(,)( ),(),( 321321 321321 332121 yyyxxx yyyxxx yxyyxx )(),(),(),( ),(),( )(),( 321332211 323211 321321 vvv yxyxyx yyxxyx yyyxxx (b) 221121 )( ),(),(vv yyxx yxyx 121122 1212 2121 ),(),( ),( ),( vv yxyx yyxx yyxx 121122 ),(),( yy 11111111 ),()0,0()0,0(),(0 vv (c) yxyxyx 24 0),(),(),()( 1111111111 yyxxyxyx (d) vv ),(),(),()( 1111111111 yyyy( ) (e) 111 ),(v yxαβαβ 11111 1111 ),(, )(),(, vβαyxβαβyβxα βyαβxααβyαβx )()( )((f) βyy,βxαxyβα,xβα ,yxβαβα 111111 111v β α ,yxβ ,yxα βyyβyββ 111111 111111 vv )()((g) )()((g) 2121 2121 221121 , vv yyxαx yyxxα ,yx,yxα α 212211 2211 2121 ),(),( ),(),( vv ααyxαyxα yαxyαx yy,xαx 212211 )()( yy 11111111 ,1,1,11 vv (h) yxyxyx 3 – PRODUTO ESCALAR; PROJEÇÕES 25 ; Ç I. Produto escalar de vetores Sejam e dois vetores não nulos no espaço bi e tridimensional e suponha que estes vetores foram posicionados de tal modo que seus pontos iniciais coincidem O ângulo determinado pelos vetores satisfaz 1v 2v pontos iniciais coincidem. O ângulo determinado pelos vetores satisfaz a seguinte condição . 0 1v 1 v 1v 2v 2v 2v 1v 2v D fi i ã S ã t bi t idi i l Definição: Se e são vetores no espaço bi e tridimensional e é o ângulo entre e , então o produto escalar2v 1v 2v 00)cos( vvvv ese 1v 000 00)cos( 21 2121 21 vv vvvv vv ou se e se Produto escalar em termos das componentes 26 Sejam os vetores e não nulos. 1111 ,, zyxv 2222 ,, zyxv z ),,( 2222 zyxP ),,( 1111 zyxP z 21PP),,( 1111 y 2v1v 0 y x Se o ângulo entre e é , conforme a figura, então pela lei dos cossenos tem‐se: 2v 1v 222 )cos(2 21 2 2 2 1 2 21 vvvv PP Como , a lei dos cossenos 27 2121 vv PP )cos(2 212221 2 21 vvvv PP pode ser escrita da seguinte forma: )(2222 2 PP 2121 )cos(2 21212121 vvvvvv PP 2221)cos( vvvvvv 2221 vvvvvv 212121 2)cos( 21 vvvvvv vv 212121 2 vvvvvv 2 1 2 1 2 1 2 1 zyxv Substituindo 2222 2 2 2 2 2 2 2 2 1111 )()()( zyx zyx v v tem‐se: 22122122121 )()()( zzyyxxvv 21212121 zzyyxx vv Produto escalar • ângulo entre os vetores, não nulos, e : 2v 1v 21)cos( vv vv 21212121 yy 21 vv Exemplo 5. 28 Exemplo 5. Dado os vetores e , calcule o produto escalar e o ângulo entre os vetores v e w. kjiv 643 kjiw 25 • produto escalar: 292).6()5.(41.3 wv d t 8102,7)6(43 222vw 2 • norma dos vetores 4772,5)2()5(1 )( 222w 3 4w-5 1 • ângulo entre os vetores: 67790)29()cos( 3 v 6779,0 4772581027 )cos( ,., -6 o68,132 , Teorema 29 Sejam e vetores no espaço bi ou tridimensional . a) ; ou seja, 2111 vvv 1v 2v 21111 vvv b) Se os vetores e são não nulos e é o ângulo entre eles, então • é agudo se e somente se, 021 vv 1v 2v • é obtuso se e somente se, • é reto se e somente se, 021 vv 021 vv Prova do Teorema (a) Como o ângulo entre os vetores e é 0, tem‐se1v 2v (b) C t t 2 1 2 11111 )0cos()cos( vvvvvv 0 0 )( (b) Como , e , o termo tem o mesmo sinal que . 0)( 0)cos( )( 21 bé agudo é vv 0 0 1v 0 2v )cos( 21 vv radθ o 2 900)cos( 0)cos()cos( 21 21 obtuso é vv vv Teorema (propriedades do produto escalar) 30 Sejam , e vetores no espaço bi ou tridimensional e um escalar, então : 1221 vvvv (a) 1v 2v 3v )()( 212121 3121321 1221 vvvvvv vvvvvvv (c) (b) ( ) 0000 )()( 111111 212121 vvvvvv se e se (d) ( ) Prova do ítem (c) do Teorema Sejam os vetores e, então 1111 ,, zyxv 2222 ,, zyxv 212121 21212121 )()()( vv zzyyxx zzyyxx Analogamente, 21 vv 2121 vvvv ‐ Os demais itens ficam como exercício. Exemplo 6. 31 Exemplo 6. Dado os vetores e , determine o valor do coeficiente a para que os vetores sejam ortogonais . kjiv 64 a kjiw )1(5 a wv • produto escalar: )1).(6()5.(41. aawv‐ Vetores ortogonais: 0wv 1401456620 0)1).(6()5.(41. -aaaa aa wv 5 Exemplo 7. Considere os vetores v e w no espaço tridimensional, sendo e . O ângulo entre os dois vetores é de 60o, calcule o produto escalar 10v4w entre v e w. 20)60cos(.4.10 wvwv o II. Projeções 32 Em muitas aplicações é de interesse ‘decompor’ um vetor v na soma de dois componentes, um vetor paralelo a um vetor não nulo especificado a e di loutro perpendicular ao vetor a. Observe que 21 vww Observe que • O vetor w 1 é denominado projeção ortogonal de v sobre a, ou i l d l d d d 12 wvw componente vetorial de v ao longo do vetor a, denotado por: • O vetor w é denominado componente vetorial de v ortogonal ao vw aproj1 • O vetor w 2 é denominado componente vetorial de v ortogonal ao vetor a, denotado por: vvw aproj2 Teorema 33 Se e são vetores no espaço bi ou tridimensional e se , então (componente vetorial de ao longo de )aavvproj v 0aa v a(componente vetorial de ao longo de ) ( t t i l d t l ) a a va 2proj v avj a (componente vetorial de ortogonal a ) a a vvv a 2proj v a Prova do Teorema Sejam e . Como w 1 é paralelo a , deve ser avvw aproj2 vw aproj1 múltiplo escalar de , e portanto pode ser escrito na forma . Então: a aw k1 221 wawwv k awaawaawaava 2kkk Mas , pois w 2 é perpendicular a ; portanto: awaawaawaava 222 kkk 02 aw a 2a av k Como , obtém‐se: aavw a k proj1 aa avva 2proj 34 Exemplo 8.Exemplo 8. Dado os vetores e . Determine: a) o componente vetorial de v ao longo de w e kjiv 32 kjiw 24 ) p g b) o componente vetorial de v ortogonal a w. wv 1523)1)(1(42wv a) w w wvvw 2proj 212)1(4 152.3)1)(1(4.2 2222w wv 7 10, 7 5, 7 20proj2,1,4 21 15proj vv ww b) w w wvvvv w 2proj 7 11, 7 2, 7 6proj 7 10, 7 5, 7 203,1,2proj vvvv ww 777777 4 – PRODUTO VETORIAL 35 Definição: Se e são vetores no espaço d l d l é d f d 1111 ,, zyxv 2222 ,, zyxv tridimensional, então o produto vetorial é o vetor definido por21 vv kji kji 111111 yxzxzy kjivv 22 11 22 11 22 11 222 11121 yx y zxzy y zyx zyx Teorema (Propriedades do produto vetorial) Se u v e w são vetores no espaço tridimensional e é um escalar qualquerSe u, v e w são vetores no espaço tridimensional e é um escalar qualquer, então: )()()( wuvuwvuuvvu (b) (a) 0000 )()()()( )()()( uuuu vuvuvuwvwuwvu (f) (e) (d) (c) ( )( ) ( )( ) Prova do Teorema 36 kji (a) O produto vetorial entre u e v é dado por 321 321 vvv uuu j vu Trocando‐se u com v , troca‐se as linhas do determinante e portanto troca o sinal do produto vetorial. Desta forma, .)( uvvu As provas das demais partes são deixadas como exercícios. Teorema (Relações entre os produtos escalar e vetorial) Se u , v e w são vetores no espaço tridimensional, então:, p ç , vvuvuv uvuvuu 0 0 ) aortogonalé( (b) ) a ortogonal é ( (a) wvuvwuwvu vuuvvu )()()( )( 2 (d) Lagrange) de e(Identidad ‐ (c) g 222 uwvvwuwvu wvuvwuwvu )()()( )()()( (e) (d) Prova do Teorema 37 (a) Sejam e . Então: ,,),,( 122131132332321 vuvuvuvuvuvuuuuvuu ),,( 321 uuuu ),,( 321 vvvv (c) 0122133113223321 vuvuuvuvuuvuvuu 2 1221 2 3113 2 2332 )()()( vuvuvuvuvuvu 2vu( ) 122131132332 )()()( vuvuvuvuvuvu vu 2 332211 2 3 2 2 2 1 2 3 2 2 2 1 2 )())(()( vuvu 22 vuvuvuvvvuuu 2)( vuvuvu 222 As provas das demais partes são deixadas como exercícios Definição: Se u,v e w são vetores no espaço tridimensional, então 38 wvu ç , p ç , é chamado produto misto de u,v e w. O produto misto de e pode ser )( )( )(‐ O produto misto de , e pode ser calculado a partir da fórmula 321 uuu ),,( 321 uuuu ),,( 321 vvvv ),,( 321 wwww 321 321 www vvv wvu Exemplo 9. Dado os vetores e .kjiv 22 kiw 3 kji a) Determine o produto vetorial e j wv vw 103 221 j wv kjijijkwv 672626 39 kji 221 103 kji vw kjijkjivw 672662 221 a) verifique se os produtos vetoriais calculados e são wv vw perpendiculares aos vetores v e w. 0121422,2,16,7,2 vwv 0661,0,36,7,2 wwv 0121422,2,16,7,2 vvw 0661,0,36,7,2 wvw ‐ O produto vetorial é ortogonal a ambos v e w.wvp g‐ O produto vetorial é ortogonal a ambos v e w.vw 40 OBSERVAÇÃO Se u e v são vetores não nulos, pode ser mostrado que o sentido de Pode ser determinado sando a “a regra da mão direita” seja o âng lo vu Pode ser determinado usando a “a regra da mão direita”: seja o ângulo entre u e v e suponha que u é girado pelo ângulo até coincidir com v. Se os dedos da mão direita se fecharem apontando o sentido desta rotação, ( )então o polegar indica (aproximadamente) o sentido de vu vu uvu v u v vu 41 Exemplo 10.Exemplo 10. Dado os vetores , e . Calcule o produto misto e .kjiu 523 kjiv 44 kjw 23 wvu uwv 523 49 230 441 wvu 441 49 523 230 uwv
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