Prévia do material em texto
Geometria Analítica O Ponto no Plano e no Espaço Produção: Gerência de Desenho Educacional - NEAD Desenvolvimento do material: Victor Hugo dos Santos Gois 1ª Edição Copyright © 2021, Unigranrio Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida, transmitida e gravada, por qualquer meio eletrônico, mecânico, por fotocópia e outros, sem a prévia autorização, por escrito, da Unigranrio. Núcleo de Educação a Distância www.unigranrio.com.br Rua Prof. José de Souza Herdy, 1.160 25 de Agosto – Duque de Caxias - RJ Reitor Arody Cordeiro Herdy Pró-Reitoria de Programas de Pós-Graduação Nara Pires Pró-Reitoria de Programas de Graduação Lívia Maria Figueiredo Lacerda Pró-Reitoria Administrativa e Comunitária Carlos de Oliveira Varella Núcleo de Educação a Distância (NEAD) Márcia Loch Sumário O Ponto no Plano e no Espaço Para Início de Conversa... ............................................................................... 4 Objetivos .................................................................................................... 4 1. Coordenadas Cartesianas .......................................................................... 5 2. Distância entre dois pontos ...................................................................... 13 Referências .................................................................................................... 17 Geometria Analítica 3 Para Início de Conversa... Nesta unidade, iniciaremos o estudo da Geometria Analítica a partir dos conceitos de ponto na reta, no plano e no espaço. Retomaremos os conceitos de valor absoluto e as notações que adotaremos para pontos, retas, segmento de retas e semirretas. Então, caracterizamos a distância entre dois pontos na reta, para podermos, então, definirmos o que é um reta orientada e um eixo. Na sequência, apresentamos a definição de produto cartesiano, retas ortogonais e retas paralelas para apresentarmos a definição de plano cartesiano e relacionarmos pontos do plano cartesiano a pares ordenados de . Depois, apresentamos a definição de sistema cartesiano no espaço e relacionamos pontos do espaço às ternas ordenadas pertencentes a . Por fim, apresentamos como determinar a distância entre dois pontos no plano cartesiano e no sistema cartesiano no espaço. Esperamos que ao final deste capítulo você seja capaz de localizar pontos no plano e no espaço e saiba determinar a distância entre dois pontos no espaço, pois estes serão os conhecimentos que servirão de base para todo o estudo da Geometria Analítica que apresentaremos neste livro. Objetivos ▪ Identificar pontos no plano e no espaço . ▪ Demonstrar as vantagens do uso do plano e do espaço para localização de pontos e retas em situações problemas. ▪ Demonstrar a distância entre dois pontos e aplicá-la na resolução de problemas. Geometria Analítica 4 1. Coordenadas Cartesianas Antes de definirmos coordenadas cartesianas se faz necessário apresentarmos algumas definições e notações basilares que darão suporte necessário para este conteúdo e outros que estudaremos em Geometria analítica. Coordenadas na Reta Definição 1: O valor absoluto ou módulo de um número real a é o próprio número a, se , e , se . E denotamos módulo desse número por (se lê módulo de a), ou seja: ▪ A notação que será utilizada para pontos será das letras maiúsculas do nosso alfabeto (A, B, C, ...,Y, Z) e para indicar retas serão utilizadas letras minúsculas do nosso alfabeto (a, b, c,.. ., y, z). ▪ Uma reta ilimitada que passa pelos pontos E e F, por exemplo, será denotada pelas letras dois pontos em que ela passa e uma seta nos dois sentidos sob elas, ou seja, (se lê reta EF). E F Figura 1: Representação geométrica de uma reta EF. Fonte: Elaborada pelo autor. ▪ Um segmento de reta é parte de uma reta limitada por dois pontos (extremos de segmento de reta) e denotamos um segmento de reta por duas letras maiúsculas do nosso alfabeto sob uma barra. Por exemplo, para indicarmos o segmento AB escrevemos (se lê segmento AB). A B Figura 2: Representação geométrica de um segmento de reta AB. Fonte: Elaborada pelo autor. ▪ Uma semirreta é parte de uma reta que tem origem em um ponto e é ilimitada em uma direção e denotamos uma semirreta pela letra maiúscula do nosso alfabeto que indica o ponto de origem da semirreta, pela letra maiúscula do nosso alfabeto que indica um ponto que a semirreta passa por ele e por uma seta sob essas letras. Assim, para indicarmos, por exemplo, a semirreta DA escrevemos (se lê semirreta DA). D A Figura 3: Representação geométrica de uma semirreta DA. Fonte: Elaborada pelo autor. Geometria Analítica 5 Vamos considerar fixa uma unidade de medida de comprimento. Dados dois pontos A e B quaisquer, chamamos de distância entre os pontos A e B o comprimento de e indicaremos por AB. a medida da distância entre dois pontos é um número real não negativo. Desse modo, por convenção, a medida da distância entre um ponto e ele mesmo é 0 (zero). Com relação à medida da distância entre dois pontos quaisquer apresentamos a seguir três propriedades: 1. A medida da distância entre dois pontos quaisquer é maior ou igual à zero: . 2. A medida da distância entre A e B é igual à medida da distância entre B e A: . 3. Dados A, B e C, três pontos quaisquer pertencentes a uma mesma reta e C está entre A e B, então a medida da distância entre A e B é igual a soma da medida das distâncias entre A e C e B e C: . Dizemos que uma reta é orientada quando determinamos sobre ela um sentido de percurso, denominado positivo. O sentido de percurso inverso ao positivo é denominado negativo. Além disso, é dito que um ponto B está à direita de um ponto A (logo, o ponto A está à esquerda do ponto B), quando o sentido de percurso de A para B coincide com o sentido de percurso positivo escolhido. Definição 2: Denominamos eixo uma reta orientada em que foi fixado um ponto de origem, por convenção, chamado de O. Além disso, um eixo possui as seguintes características: ▪ cada ponto X corresponde a um número real x; ▪ a origem O corresponde ao número zero; ▪ cada ponto X situados à direita da origem correspondem a um número real positivo x, de modo que ; ▪ cada ponto X situados à esquerda da origem correspondem a um número real negativo x, de modo que . - X’ x’ 0 0 X x + Figura 4: Representação de um eixo em que a seta indica o sentido do percurso. Os pontos à direita do O tem coordenadas positivas e os números à esquerda de O coordenadas negativas. Fonte: Elaborada pelo autor. O número real x que corresponde ao ponto X é chamado de coordenada do ponto X. Geometria Analítica 6 Por fim, se x e y são coordenadas do ponto X e do ponto Y, respectivamente, então: Coordenadas no Plano Para estendermos e compreendermos o conceito de coordenada no plano é necessário antes conhecermos o conceito de produto cartesiano, de retas ortogonais e de retas perpendiculares. Definição 3: Segundo Santos e Ferreira (2009), podemos definir produto cartesiano como: Dados os conjuntos A e B, o produto cartesiano de A por B, denotado (lê-se: A cartesiano B), é o conjunto formado por todos os pares ordenados , em que e , isto é: (SANTOS; FERREIRA, 2009, p. 29, grifos do autor). Podemos destacar algumas características importantes dos produtos cartesianos. ▪ O produto cartesiano do conjunto A pelo conjunto B é um novo conjunto. ▪ Se o conjunto A possui m elementos e o conjunto B possui n elementos, então o conjunto possui elementos. ▪ Sejam os pares ordenados e , temos que se, e somente se, e . ▪ Seja um par ordenado qualquer. Chamamos a de primeira coordenada e b de segunda coordenada. ▪ O produto cartesiano pode ser estendido para qualquer número finito de conjuntos, ou seja, dados os conjuntos , então: ▪ Um produto cartesiano que utilizaremos bastante em nossos estudos é quando temos e , então temos oproduto cartesiano que denotaremos por (se lê erre dois), que é formado por todos os pares de números reais: ▪ Por fim, outro produto cartesiano que utilizaremos bastante em nossos estudos é quando temos e , então temos o produto cartesiano que denotaremos por (se lê erre três), que é formado por todas as triplas de números reais: Definição 4: dizemos que duas retas são ortogonais quando formam um ângulo de 90º (reto) entre elas, ambas coplanares ou não, ou seja, com ou sem a interseção entre elas. Um caso particular de retas ortogonais são as que formam um ângulo reto entre elas e se intersectam, nesse caso denominamos essas retas como retas perpendiculares. Geometria Analítica 7 A α β B C D Figura 5: Retas e ortogonais. Fonte: Elaborada pelo autor. E F HG Figura 6: Retas e paralelas. Fonte: Elaborada pelo autor. A partir das caracterizações de produto cartesiano, retas ortogonais e retas perpendiculares, podemos definir plano cartesiano ortogonal. Definição 5: um sistema de eixos ortogonais no plano (também conhecido como plano cartesiano, plano real ou sistema de coordenadas cartesiana no plano) consiste em um par de eixos OX e OY perpendiculares, graduados numa mesma unidade, x e y, respectivamente que dividem o plano em quatro regiões, chamadas de quadrantes. Por convenção diz- se que o eixo OX é horizontal e o eixo OY é vertical. O ponto O em que esses eixos se intersectam é chamado de origem do sistema. O sistema de eixos ortogonais no plano estabelece uma bijeção com os pares ordenados de . Seja um ponto P qualquer no plano, associamos a ele uma reta paralela ao eixo OY que intersecta uma reta paralela ao eixo OX de modo que essas paralelas intersectem também os eixos em pontos com coordenadas x e y, respectivamente. Desse modo, para cada ponto P qualquer no plano associamos um par ordenado . De modo análogo, a recíproca também vale. Para cada par ordenado associamos um ponto P pertencente ao plano cartesiano que é interseção de uma reta paralela a OY que intersecta o eixo na coordenada x e uma reta paralela a OX que intersecta o eixo na coordenada y. Denominamos os números reais x e y como coordenadas cartesianas do ponto P em que associamos ao sistema de eixo ortogonal: cada número Geometria Analítica 8 real x (primeira coordenada) será chamado de abscissa do ponto (e este estará associado ao eixo horizontal OX, que será chamado de eixo das abscissas ou eixo x) e cada número real y (segunda coordenada) será chamado de ordenada do ponto (e este estará associado ao eixo vertical OY, que será chamado de eixo das ordenadas ou eixo y). Assim, a partir de agora, tratamos como a mesma coisa nos referirmos aos pontos do plano cartesiano ou pares ordenados de números reais. Uma das vantagens e facilidades na hora de localizar um ponto no plano cartesiano é que se um ponto qualquer P pertencer ao eixo x, então sua ordenada será zero. De modo análogo, se um ponto qualquer P pertencer ao eixo y, então sua abscissa será igual à zero. A origem dos eixos tem coordenadas . Outra vantagem é que podemos saber a que quadrante pertence um ponto apenas pelo sinal de cada coordenada. Com relação às quatros regiões no plano que são divididas pelo sistema de eixos ortogonais, os quadrantes, temos que eles são numerados da esquerda para direita e de cima para baixo. Os pontos que estão localizados no primeiro quadrante têm abscissa e ordenada positiva. No segundo quadrante, os pontos têm abscissa negativa e a ordenada positiva. No terceiro quadrante, a abscissa e a ordenada dos pontos são negativas. E no quarto quadrante cada ponto tem abscissa positiva e ordenada negativa. ( - , +) ( - , -) ( + , -) ( + , +) 2º quadrante 3º quadrante 4º quadrante 1º quadrante (eixo das ordenadas) (eixo das abscissas) 0 x y Figura 7: Plano cartesiano e os quatro quadrantes. Fonte: Elaborada pelo autor. Para muitos historiadores, os matemáticos René Descartes (1596-1650) e Pierre de Fermat (1601-1665) foram dois matemáticos franceses que deram início ao estudo sistemático da Geometria analítica. Uma das maiores contribuições de Descartes é sua obra Discurso do método. Essa obra é acompanhada de três apêndices, sendo um deles chamado La géométrie, que apresenta os princípios da geometria analítica e utiliza a ideia de marcar pontos em um eixo. Geometria Analítica 9 Já Pierre de Fermat focou seu trabalho no estudo de equações e suas representações por curvas no plano. Figura 8: René Descartes Fonte: Dreamstime. Figura 9: Pierre de Fermat Fonte: Wikimedia. Segundo Eves (2004), existem duas lendas sobre quando René Descartes começou a estudar a Geometria analítica. ‘‘ De acordo com uma delas, isso ocorreu num sonho. Na véspera do dia de São Martinho, 10 de novembro de 1616, no acampamento de inverno de sua tropa às margens do Danúbio, Descartes passou pela experiência de três sonhos singularmente vividos e coerentes que, segundo ele, mudaram o curso de sua vida . Os sonhos, conforme suas palavras, iluminaram os propósitos de sua vida e determinaram seus futuros esforços revelando-lhe uma “ciência maravilhosa” e uma “descoberta assombrosa”. Descartes nunca revelou explícita e exatamente do que se tratava, mas há suposições de que essa ciência seria a geometria analítica, ou a aplicação da álgebra à geometria. Só dezoito anos mais tarde ele iria expor algumas de suas ideias em seu Discours. Outra lenda, parecida com a história da queda da maçã de Isaac Newton, dá conta de que o estalo inicial da geometria analítica teria ocorrido a Descartes ao observar uma mosca que caminhava pelo forro de seu quarto, junto a um dos cantos. Teria chamado a sua atenção que o caminho da mosca sobre o forro poderia ser descrito se, e somente se, a relação ligando as distâncias dela às paredes adjacentes fosse conhecida (EVES, 2004, p. 388-389).’’ Sobre os pares ordenados do plano cartesiano é possível estabelecermos as operações de adição e multiplicação por escalar (um número). A seguir caracterizamos essas operações e a interpretação algébrica deles no plano cartesiano. Adição de pares ordenados: Sejam os pontos e quaisquer no plano cartesiano. A adição dos pontos é realizada coordenada a coordenada. Adiciona-se abscissa com abscissa e ordenada com ordenada. Assim: Multiplicação por escalar: Seja um ponto qualquer no plano cartesiano e um escalar . A multiplicação do escalar k pelo ponto P é feita multiplicando o escalar pela abscissa e o escalar pela ordenada. Geometria Analítica 10 Assim: Exercitando: Seguindo as orientações do que estudamos agora, vamos localizar o ponto A no plano cartesiano descrito na Figura 10. 0 -1 -1-2 1 1 2 2 3 4 A x y Figura 10: Plano cartesiano ilustrando o exemplo. Fonte: Elaborada pelo autor. Resolução: No ponto A no plano, associamos a ele uma reta paralela ao eixo y que intersecta uma reta paralela ao eixo x de modo que essas paralelas intersectem também os eixos em pontos com coordenadas x e y, respectivamente. Assim, as coordenadas do ponto A são . 0 -1 -1-2-3 1 1 2 2 3 4 A x y Figura 11: Identificando as coordenadas do ponto A no exemplo. Fonte: Elaborada pelo autor. Coordenadas no Espaço Assim como fizemos na reta e no plano, podemos estender o conceito de coordenadas e do sistema de eixos ortogonais para o espaço e associar os pontos pertencentes a esse sistema as triplas do produto cartesiano . Geometria Analítica 11 Definição 6: um sistema de eixos ortogonais no espaço consiste em uma tripla de eixos OX, OY e OZ perpendiculares dois a dois, graduados numa mesma unidade, x, y e z, respectivamente que dividem o espaço em oito regiões, chamadas de octantes. Por convenção diz-se que os eixos OX e OY são horizontais e o eixo OZ é vertical. O ponto O em que esses eixos se intersectam é chamado de origem do sistema. Uma vez definidos o sistema de eixos ortogonais no espaço, chamaremos de OXY, OYZ e OXZ os planos determinados peloseixos OX e OY, OY e OZ e OX e OZ, respectivamente. O sistema cartesiano no espaço estabelece uma bijeção com as ternas ordenadas de . Seja um ponto P qualquer no espaço, associamos a ele um plano paralelo ao plano OYZ que intersecta um plano paralelo ao plano OXZ e que intersecta também um plano paralelo ao plano OXY de modo que esses planos paralelos intersectem também os eixos em pontos com coordenadas x, y e z, respectivamente. Desse modo, para cada ponto P qualquer no plano associamos uma terna ordenada . De modo análogo ao que mostramos no plano, a recíproca também vale para associar às ternas ordenadas pertencentes a a pontos do espaço. Denominamos os números reais x, y e z como coordenadas cartesianas do ponto P em que associamos ao sistema de eixo ortogonal: cada número real x (primeira coordenada) será chamado de abscissa do ponto (e este estará associado ao eixo horizontal OX, que será chamado de eixo das abscissas ou eixo x), cada número real y (segunda coordenada) será chamado de ordenada do ponto (e este estará associado ao eixo horizontal OY, que será chamado de eixo das ordenadas ou eixo y) e cada número real z (terceira coordenada) será chamado de cota do ponto (e este estará associado ao eixo vertical OZ, que será chamado de eixo das cotas ou eixo z). x z o P OXY OXZ OYZ y Figura 12: Localização de um ponto P no espaço. Fonte: Elaborada pelo autor. Geometria Analítica 12 Uma das vantagens de localizar pontos no sistema cartesiano no espaço é que se um ponto qualquer P pertencer ao plano OXY, então sua cota será igual a zero. Da mesma maneira, se um ponto qualquer P pertencer ao plano OXZ, então sua ordenada será igual a zero. De modo análogo, se um ponto qualquer P pertencer ao plano OYZ, então sua abscissa será igual à zero. A origem dos eixos tem coordenadas . Outra vantagem está em determinar a que octante um ponto pertence apenas pelo sinal de suas coordenadas. Com relação às oito regiões no espaço que são divididas pelo sistema de eixos ortogonais no espaço, os octantes, temos que eles são numerados, conforme figura a seguir. Os pontos que estão localizados no primeiro octante têm abscissa, ordenada e cota positivas. No segundo octante, os pontos têm abscissa negativa e a ordenada e cota positivas. No terceiro octante, a abscissa e a ordenada dos pontos são negativas e a cota é positiva. No quarto octante cada ponto tem abscissa e cota positivas e ordenada negativa. Os pontos localizados no quinto octante têm abscissa e ordenada positivas e a cota negativa. No sexto octante, os pontos têm abscissa e cota negativa e a ordenada positiva. No sétimo octante, a abscissa, ordenada e cota dos pontos são negativas. E, por fim, no oitavo octante a abscissa dos pontos é positiva e a ordenada e cota dos pontos é negativa. D 7º octante 3º octante 4º octante ( +, - , - ) ( +, - , + ) ( +, +, + ) ( +, +, - ) ( - , +, - ) ( - , +, + ) ( - , -, - ) ( - , -, + ) 2º octante 1º octante8º octante 5º octante 6º octante x y z Figura 13: Sistema cartesiano no espaço e os oito octantes. Fonte: Elaborada pelo autor. 2. Distância entre dois pontos No início deste capítulo, vimos a definição de distância entre dois pontos em uma reta. Vamos agora retomar e estender esse conceito para determinar a distância entre dois pontos no plano e no espaço utilizando para isso uma importante relação métrica do triângulo retângulo, o teorema de Pitágoras. Geometria Analítica 13 Distância entre dois pontos no plano Assim como vimos na reta, dados os pontos e pertencentes ao plano cartesiano, se quisermos determinar (a distância de P até Q) quando P e Q pertencem a uma mesma reta paralela ao eixo x ou paralela ao eixo y fazemos: ▪ , se P e Q pertencem a uma mesma reta paralela ao eixo x; ▪ , se P e Q pertencem a uma mesma reta paralela ao eixo y. Agora, para determinar a medida da distância entre dois pontos cuja reta que os contém não é paralela ao eixo x ou ao eixo y e em relação à coordenada desses pontos vamos utilizar o teorema de Pitágoras. Para isso, vamos considerar os pontos e , que não pertencem a uma mesma reta paralela ao eixo x ou ao eixo y, e o ponto , conforme representado na figura a seguir. x xx’ y y y’ P R Q g 0 Figura 14: O triângulo PQR é retângulo e tem como catetos PR e QR e hipotenusa PQ. Fonte: Elaborado pelo autor. Como os pontos P e Q têm a mesma ordenada, o segmento de reta PR é horizontal e paralelo ao eixo x, assim, . De modo análogo, o segmento de reta QR é vertical e paralelo ao eixo y, assim, . Sendo o segmento de reta PR paralelo ao eixo x e o segmento de reta QR paralelo ao eixo y, então eles são perpendiculares e formam um ângulo reto. Assim, temos o triângulo PQR retângulo, sendo PR e QR os catetos desse triângulo retângulo e PQ a hipotenusa. Logo, aplicando o teorema de Pitágoras, temos: Geometria Analítica 14 A partir dessa igualdade, podemos perceber que quando os pontos pertencem a uma mesma reta que seja paralela ao eixo x ou ao eixo y PQ será ou , respectivamente. Exemplificando: Sabendo que , e , em que x é um número real, são vértices de um triângulo retângulo, determine valor de x. x y A (0, 5) B (3, 0) C (-2, x) Figura 15: Triângulo retângulo ilustrando o exemplo. Fonte: Elaborada pelo autor. Resolução: Primeiro passo: Determinamos AB, BC e AC. ▪ ▪ ▪ Segundo passo: Aplicamos o teorema de Pitágora no triângulo retângulo ABC. Assim, . Distância entre dois pontos no espaço De modo análogo a maneira de calcularmos a distância entre dois pontos no plano cartesiano é o modo de calcularmos a distância entre dois pontos no espaço. Se dois pontos pertencerem ao plano OXZ ou OXY ou OYZ e os pontos também pertencerem a uma reta que seja paralela ao eixo x, eixo y ou eixo z, então a distância entre os pontos será , ou , respectivamente. Geometria Analítica 15 Agora, para determinar a medida da distância entre dois pontos cuja reta que os contém não é paralela ao eixo x ou ao eixo y ou ao eixo z e não pertencentes ao plano OXZ ou OXY ou OYZ, em relação à coordenada desses pontos, vamos utilizar o teorema de Pitágoras como fizemos no plano cartesiano. Para isso, vamos considerar os pontos e , cuja medida da distância queremos determinar, e os pontos e , conforme representado na figura a seguir. x y z C R P S Q Figura 16: Determinando PQ. Fonte: Elaborada pelo autor. Aplicando o teorema de Pitágoras nos triângulos retângulos PQR e QRS, temos: Mas os pares de pontos Q e S, R e S e P e R, possuem duas coordenadas iguais. Assim, temos que: Neste capítulo, retomamos alguns conteúdos que você já deve ter estudado na Educação Básica, aprofundando tais conteúdos, os quais utilizaremos como alicerce para os próximos conteúdos que estudaremos em Geometria Analítica. Retomamos noções e notações de ponto na reta, no plano e no espaço, associando os pares ordenados do produto cartesiano a pontos do plano cartesiano e as ternas ordenadas do produto cartesiano a pontos do sistema cartesiano no espaço. Por fim, vimos como determinar a distância entre dois pontos no plano e no espaço. A partir do que estudamos neste capítulo, espera- se que possamos nos aprofundar ainda mais no estudo da Geometria Analítica, ao definirmos e operarmos com vetores no plano e no espaço, realizarmos o estudo da reta também no plano e no espaço, equações da circunferência e do plano e as seções cônicas. Geometria Analítica 16 Referências BORIN JUNIOR, A. M. S. (org.). Geometria analítica. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2014. LIMA, E. L. Geometria analítica e álgebra linear. 1. ed. Coleção Matemática Universitária. Rio de Janeiro: IMPA, 2014. LIMA, E. L.; CARVALHO, P. C. P. de. Coordenadas no Plano com as soluções dos exercícios. 5. ed. Coleção Professor de Matemática. Rio de Janeiro: Sociedade Brasileira de Matemática, 2005. LIMA, E. L.; CARVALHO, P. C. P. de; WAGNER, E.; MORGADO, A. C. A matemáticado Ensino Médio. vol. 3. 5 ed. Coleção Professor de Matemática. Rio de Janeiro: Sociedade Brasileira de Matemática, 2005. PINOTTI, C. de A. S. Geometria Analítica. Curitiba: Contentus, 2020. SANTOS, F. J. dos; FERREIRA, S. F. Geometria analítica. Porto Alegre: Bookman, 2009. Geometria Analítica 17 _GoBack O Ponto no Plano e no Espaço Para Início de Conversa... Objetivos 1. Coordenadas Cartesianas 2. Distância entre dois pontos Referências