Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Álgebra Linear I Álgebra Linear I Alírio Gomes da S. Júnior 2ª e di çã o Álgebra Linear I DIREÇÃO SUPERIOR Chanceler Joaquim de Oliveira Reitora Marlene Salgado de Oliveira Presidente da Mantenedora Wellington Salgado de Oliveira Pró-Reitor de Planejamento e Finanças Wellington Salgado de Oliveira Pró-Reitor de Organização e Desenvolvimento Jefferson Salgado de Oliveira Pró-Reitor Administrativo Wallace Salgado de Oliveira Pró-Reitora Acadêmica Jaina dos Santos Mello Ferreira Pró-Reitor de Extensão Manuel de Souza Esteves DEPARTAMENTO DE ENSINO A DISTÂNCIA Gerência Nacional do EAD Bruno Mello Ferreira Gestor Acadêmico Diogo Pereira da Silva FICHA TÉCNICA Direção Editorial: Diogo Pereira da Silva e Patrícia Figueiredo Pereira Salgado Texto: Alírio Gomes da S. Júnior Revisão Ortográfica: Marcus Vinicius da Silva e Rafael Dias de Carvalho Moraes Projeto Gráfico e Editoração: Antonia Machado, Eduardo Bordoni e Fabrício Ramos Supervisão de Materiais Instrucionais: Antonia Machado Ilustração: Eduardo Bordoni e Fabrício Ramos Capa: Eduardo Bordoni e Fabrício Ramos COORDENAÇÃO GERAL: Departamento de Ensino a Distância Rua Marechal Deodoro 217, Centro, Niterói, RJ, CEP 24020-420 www.universo.edu.br Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Universo – Campus Niterói. S586a Silva Júnior, Alírio Gomes da. Álgebra linear / Alírio Gomes da Silva Júnior ; revisão de Marcus Vinicius da Silva e Rafael Dias de Carvalho Moraes. 2. ed.– Niterói, RJ: EAD/UNIVERSO, 2017. 99 p. : il. 1. Álgebra linear. 2. Matrizes (Matemática). 3. Sistemas lineares. 4. Determinantes. 5. Vetores. I. Silva, Marcus Vinicius da. II. Moraes, Rafael Dias de Carvalho. III. Título. CDD 512.5 Bibliotecária: Elizabeth Franco Martins – CRB 7/4990 Informamos que é de única e exclusiva responsabilidade do autor a originalidade desta obra, não se r esponsabilizando a ASOEC pelo conteúdo do texto formulado. © Departamento de Ensi no a Dist ância - Universidade Salgado de Oliveira. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida, arquivada ou transmitida de nenhuma forma ou por nenhum meio sem permissão expressa e por escrito da Associação Salgado de Oliveira de Educação e Cultura, mantenedora da Univer sidade Salgado de Oliveira (UNIVERSO). Álgebra Linear I Palavra da Reitora Acompanhando as necessidades de um mundo cada vez mais complexo, exigente e necessitado de aprendizagem contínua, a Universidade Salgado de Oliveira (UNIVERSO) apresenta a UNIVERSO EAD, que reúne os diferentes segmentos do ensino a distância na universidade. Nosso programa foi desenvolvido segundo as diretrizes do MEC e baseado em experiências do gênero bem-sucedidas mundialmente. São inúmeras as vantagens de se estudar a distância e somente por meio dessa modalidade de ensino são sanadas as dificuldades de tempo e espaço presentes nos dias de hoje. O aluno tem a possibilidade de administrar seu próprio tempo e gerenciar seu estudo de acordo com sua disponibilidade, tornando-se responsável pela própria aprendizagem. O ensino a distância complementa os estudos presenciais à medida que permite que alunos e professores, fisicamente distanciados, possam estar a todo momento ligados por ferramentas de interação presentes na Internet através de nossa plataforma. Além disso, nosso material didático foi desenvolvido por professores especializados nessa modalidade de ensino, em que a clareza e objetividade são fundamentais para a perfeita compreensão dos conteúdos. A UNIVERSO tem uma história de sucesso no que diz respeito à educação a distância. Nossa experiência nos remete ao final da década de 80, com o bem- sucedido projeto Novo Saber. Hoje, oferece uma estrutura em constante processo de atualização, ampliando as possibilidades de acesso a cursos de atualização, graduação ou pós-graduação. Reafirmando seu compromisso com a excelência no ensino e compartilhando as novas tendências em educação, a UNIVERSO convida seu alunado a conhecer o programa e usufruir das vantagens que o estudar a distância proporciona. Seja bem-vindo à UNIVERSO EAD! Professora Marlene Salgado de Oliveira Reitora. Álgebra Linear I Álgebra Linear I Sumário Apresentação da Disciplina ............................................................................................... 07 Plano da Disciplina .............................................................................................................. 09 Unidade 1 – Matrizes .......................................................................................................... 11 Unidade 2 – Determinantes de Matrizes ......................................................................... 25 Unidade 3 – Sistemas Lineares .......................................................................................... 41 Unidade 4 – Vetores ............................................................................................................ 69 Considerações Finais .......................................................................................................... 91 Conhecendo o Autor .......................................................................................................... 93 Referências ........................................................................................................................... 95 Anexos ................................................................................................................................. 97 Álgebra Linear I 6 Álgebra Linear I 7 Apresentação da Disciplina Caro aluno , seja bem-vindo a disciplina Álgebra Linear I. Esta disciplina possui uma linguagem clara e direta, buscando atender a suas necessidades e torná-la agradável e interessante. A intenção ao desenvolver este material, não foi de utilizar estruturas algébricas mais complexas para demonstrar fórmulas ou conceitos, mas sim trabalhar a partir da contextualização e aplicação desses conceitos e fórmulas para a correta resolução de problemas. Além disso, ao final de cada unidade, há referência de obras mais específicas, com tais demonstrações, para atender a quem desejar se aprimorar e aprofundar mais no assunto. Espero que esta obra seja útil em sua formação acadêmica e que os conteúdos aqui trabalhados sejam devidamente assimilados e possam auxiliá-lo a obter sucesso em sua vida profissional. Bom estudo. Álgebra Linear I 8 Álgebra Linear I 9 Plano da Disciplina Esta disciplina tem como objetivo estudar e compreender tópicos relacionados à Álgebra Linear, a fim de fornecer subsídios para um estudo de disciplinas correlacionadas, as quais necessitem dos conceitos básicos aqui apresentados e, mais especificamente, para trabalhar com problemas que envolvam pesquisa operacional e sua utilização nas diversas áreas. Apresentaremos um resumo das unidades, enfatizando seus objetivos para que você tenha um panorama geral do que estudará ao longo desta disciplina. Unidade 1 - Matrizes Nesta unidade, estudaremos seu conceito, suas propriedades, seus tipos principais, suas operações e aplicações. Objetivo: Conhecer o conceito, as propriedades, os tipos principais, as operações e aplicações da Matrizes. Unidade 2 – Determinantes de Matrizes Estudaremos nessa unidade, os determinantes de matrizes, seus processos de resolução e aplicações. Objetivos: Compreender o que são os Determinantes de Matrizes; Calcular os Determinantes; Conhecer as Propriedades dos Determinantes. Álgebra Linear I 10 Unidade 3- Sistemas Lineares Nesta unidade, você estudará os sistemas lineares, que são sistemas formados por equações lineares. Objetivos: Identificar uma equação Linear; Classificarum Sistema Linear; Compreender os processos de resolução de Sistemas Lineares. Unidade 4- Vetores E, para finalizar, nesta unidade, faremos a introdução aos vetores, definindo suas operações e propriedades. Objetivo: Compreender o que são vetores , suas operações e propriedades. Bons Estudos . Álgebra Linear I 11 Matrizes 1 Álgebra Linear I 12 Caros alunos, A cada dia, a minimização de tempo de acesso a informação vem se tornando cada vez mais necessária. Com as novas tecnologias, a sociedade busca rapidez e praticidade em tudo que faz. Nesse contexto, a utilização das matrizes vem se tornando uma ferramenta cada vez mais usual, no que se refere à organização de dados em diversas áreas do conhecimento, tais como: Engenharia, Estatística, Informática, entre outras. Nesta unidade, estudaremos seu conceito, suas propriedades, seus tipos principais, suas operações e aplicações. Objetivo da Unidade: Conhecer o conceito, as propriedades, os tipos principais, as operações e aplicações da Matrizes. Plano da Unidade: Conceito de Matriz. Tipos de Matrizes. Operações com Matrizes. Bons Estudos. Álgebra Linear I 13 Conceito de Matriz Caro aluno, você sabe o que é uma matriz? Chama-se matriz, um grupo de elementos dispostos em linhas e colunas. As linhas são representadas pela letra minúscula i, as colunas representadas pela letra minúscula j e a matriz por uma letra maiúscula. Representaremos um elemento genérico da matriz por aij. Assim, a representação A (aij)3 x 2 significa uma matriz A com 6 elementos, onde i = 3 e j = 2, isto é, 3 linhas e 2 colunas. Exemplo: A = . Essa matriz é chamada de matriz genérica de ordem 3x2. Chamamos de lei de formação, a sentença matemática que forma a matriz. Exemplo: Encontre a matriz A(aij)3 x 3 =2 i + j Resolução: Fazendo a Matriz genérica, temos: A = Para encontrar cada elemento, fazemos: = 2(1) + 1 = 3 = 2(1) + 2 = 4 = 2(1) + 3 = 5 = 2(2) + 1 = 5 = 2(2) + 2 = 6 Álgebra Linear I 14 = 2(2) + 3 = 7 = 2(3) + 1 = 7 = 2(3) + 2 = 8 = 2(3) + 3 = 9 Finalmente, montamos a matriz A = 3 4 5 5 6 7 7 8 9 Agora que você já sabe o que é uma matriz, vamos avançar e conhecer os seus tipos. Tipos de Matrizes Principais tipos: I – Matriz linha Chama-se matriz linha a matriz que possui somente uma linha. Exemplo: A = 5 8 3 II – Matriz Coluna Chame-se matriz coluna a matriz que possui somente uma coluna. Exemplo: A = 7 2 9 Álgebra Linear I 15 III – Matriz quadrada Uma matriz é dita quadrada quando o número de linhas é igual ao número de colunas. Exemplo: A = 4 6 1 7 IMPORTANTE: Em toda matriz quadrada, há duas diagonais. Chamamos de diagonal principal, a diagonal onde todos os elementos genéricos possuem i = j, isto é , , e assim sucessivamente. A outra diagonal é chamada de diagonal secundária. IV – Matriz diagonal Chama-se matriz diagonal toda matriz quadrada onde todos os elementos fora da diagonal principal são nulos. Exemplo: A = 5 0 0 0 9 0 0 0 6 V – Matriz identidade Uma matriz é dita identidade quando é diagonal e todos os elementos da diagonal principal são iguais a 1. Exemplo: A = 1 0 0 0 1 0 0 0 1 VI – Matriz nula É a matriz de qualquer ordem (tamanho), na qual todos os seus elementos são nulos. Álgebra Linear I 16 Exemplo: A = 0 0 0 0 0 0 VII – Matriz transposta Considere uma matriz qualquer A = onde seus elementos são, por exemplo, iguais a: A = 5 8 4 3 2 9 . Dizemos que At é sua transposta, se At = , isto é At = 5 4 2 8 3 9 . Note que os elementos da 1ª linha da matriz A correspondem aos elementos da 1ª coluna da matriz At. Da mesma forma, os elementos da 2ª linha da matriz A correspondem aos elementos da 2ª coluna da matriz At e assim analogamente para as demais linhas de A e colunas de At. VIII – Matriz triangular Uma matriz quadrada A é dita triangular, quando todos os elementos acima ou abaixo da diagonal principal são nulos. Exemplo: 1 10 20 0 3 14 0 0 18 Álgebra Linear I 17 IX – Matriz inversa Dizemos que uma matriz quadrada A possui inversa A-1 quando : A . A-1 = I e A-1 . A = I Onde A é uma matriz quadrada qualquer, A-1 é a sua inversa e I é a matriz identidade. Estudaremos essa matriz de forma mais específica, após estudarmos as operações com matrizes. X – Matriz simétrica Uma matriz quadrada A é dita simétrica quando = Exemplo: A= 1 10 20 10 3 14 20 14 18 XI – Matriz antissimétrica Dizemos que uma matriz quadrada A é antissimétrica quando = e todos os elementos da diagonal principal são nulos. Exemplo: A= 0 10 20 10 0 14 20 14 0 E para finalizar vamos ver como ocorrem as operações com as matrizes. Álgebra Linear I 18 Operações com as Matrizes I – Igualdade de matrizes Sejam duas matrizes A e B, de mesma ordem. Dizemos que A e B são iguais, quando seus elementos de mesma ordem são respectivamente iguais. Assim, se A = 4 5 6 7 e B = . A e B são iguais, se: x=4, y=5, z=6 e w=7 II – Adição de Matrizes Dados duas matrizes A e B de mesma ordem, a adição A+B é feita somando-se respectivamente os termos de mesma ordem. Exemplo: Dado as matrizes A = 4 5 6 7 e B = 3 1 7 10 , então A+B = 4 3 5 1 6 7 7 10 , logo A+B é igual a 7 6 13 17 IMPORTANTE: A subtração de matrizes é feita de modo análogo. Na adição de matrizes, vale as propriedades comutativa e associativa, isto é: A+B = B+A e A+(B+c) = (A+B)+C Álgebra Linear I 19 III – Multiplicação de uma matriz por um escalar A multiplicação de uma matriz por um escalar é feita multiplicando-se cada elemento da matriz pelo número real dado. Exemplo: Seja 3 um número real (escalar) e a matriz A= 4 5 6 7 , então a matriz 3A = 12 15 18 21 IV – Produto matricial O produto matricial só é possível quando o número de colunas da 1ª matriz é igual ao número de linhas da 2ª matriz. Nesse caso, a matriz resultante terá o número de linhas da 1ª matriz e o número de colunas da 2ª matriz. Devemos proceder conforme o exemplo abaixo: Sejam as matrizes A = 5 4 2 8 3 9 e B = 10 20 30 Note que a matriz A é de ordem 2x3 e a matriz B é de ordem 3x1, assim existe o produto AB e a matriz resultante será 2x1. A.B = 5 4 2 8 3 9 . 10 20 30 = 5.10 4.20 2.30 8.10 3.20 9.30 A.B = 50 80 60 80 60 270 A.B = 190 410 Álgebra Linear I 20 IMPORTANTE: No produto matricial não existe a propriedade comutativa, isto é, A.B ≠ B.A E assim terminamos nossa primeira unidade, agora você já sabe oque é uma Matriz, quais são os seus tipos e como fazer operações com Matrizes. Na próxima unidade, você vai estudar os determinantes de matrizes, seus processos de resolução e aplicações. É HORA DE SE AVALIAR! Lembre-se de realizar as atividades desta unidade de estudo. Elas irão ajudá-lo a fixar o conteúdo, além de proporcionar sua autonomia no processo de ensino-aprendizagem. Álgebra Linear I 21 Exercícios da Unidade 1 1) Construa a matriz E = (aij)2x2 tal que aij = i2 – 3j2 + 2 ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 2) Considere as matrizes: A = (aij)3x4 com aij = 2i + j2 B = (bij)3x4 com bij = j2 – i Calcule a soma dos elementos da matriz M = A – 2B t ______________________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Álgebra Linear I 22 3) Calcule o valor dos elementos desconhecidos nas igualdades abaixo : a) 12b c411 dc6b3 201a2 b) 3 25 yx y5x3 ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 4) Coloque V nas afirmações verdadeiras e F nas afirmações falsas ( ) Toda matriz diagonal é sempre quadrada, mas nem toda matriz quadrada é diagonal ( ) A matriz identidade é sempre diagonal, mas a matriz diagonal nem sempre é identidade ( ) Só existe matriz transposta em matrizes quadradas ( ) A matriz anti-simétrica é toda matriz quadrada onde os elementos da diagonal principal são diferentes de zero. ( ) Toda matriz simétrica é sempre quadrada ( ) A matriz triangular é sempre simétrica Álgebra Linear I 23 5) Sabe-se que as matrizes A 2x2 = 33 632 yx yx e B2x2 = m w 16 7 São iguais. Calcule o valor da expressão 2x + w – y + m2 ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Álgebra Linear I 24 Álgebra Linear I 25 Determinantes de Matrizes 2 Álgebra Linear 26 Caro aluno, Estudaremos nessa unidade os determinantes de matrizes, seus processos de resolução e aplicações. Objetivos da Unidade: Compreender o que são os Determinantes de Matrizes; Calcular os Determinantes; Conhecer as Propriedades dos Determinantes. Plano da Unidade: O que é um determinante de Matrizes? Cálculo dos Determinantes. Propriedade dos Determinantes Exercícios Resolvidos. Bons Estudos. Álgebra Linear 27 O que é um determinante de Matrizes? Caro aluno, você deve estar se perguntando. O que é um determinante de Matrizes? Vamos lá! O determinante pode ser entendido como um número real ou uma função que é associada aos elementos de uma matriz quadrada. Seu cálculo segue determinados procedimentos que dependem da ordem da matriz dada e é calculado de acordo com regras específicas. Seu uso está associado a diversas áreas e suas aplicações são muitas. Dentre elas destaco: a verificação da existência de matrizes inversíveis, a condição de alinhamento de três pontos, sendo dados seus vértices, a obtenção da área de triângulos, dado seus vértices, entre outras. Cálculo dos Determinantes I – Em matrizes de 2ª ordem (2x2) O cálculo do determinante de matrizes de ordem 2 é feito a partir da diferença entre o produto dos elementos da diagonal principal pelo produto dos elementos da diagonal secundária. Assim, dado a matriz genérica A = , temos: DA= ( . ) – ( . ) Álgebra Linear 28 EXEMPLO: Seja a matriz A = 105 1311 , então DA = (11.10) – (13.5) = 110 – 65 = 45 II – Em matrizes de 3ª ordem (3x3) O determinante de matrizes de ordem 3 é obtido através da utilização da Regra de Sarrus. Devemos repetir as duas primeiras colunas à direita do determinante e proceder conforme o exemplo abaixo: EXEMPLO: Seja a matriz A = 2 1 10 4 6 1 5 3 0 Seu determinante é dado por: 2 1 10 4 6 1 5 3 0 2 1 4 6 5 3 DA = [( 2.6.0 )+( 1.1.5)+(10.4.3)] – [(10.6.5)+(2.1.3)+(1.4.0)] DA = [0+5+120] – [300+6+0] DA = 125 – 306 DA = - 181 III– Teorema de Laplace O teorema de Laplace é comumente utilizado em matrizes de ordem superior a 3, contudo pode ser utilizado para qualquer tipo de matriz quadrada. O determinante de uma matriz de ordem nxn é obtido pelo soma do produto dos elementos de uma linha ou coluna pelos seus respectivos COFATORES. Para a utilização do Teorema de Laplace, necessitamos obter cofator Caij de cada elemento da matriz. Assim temos: Caij = (-1)i + j . DA*, onde: Caij é o cofator do elemento genérico aij DA* é o determinante da matriz A, retirando-se a linha “i” e a coluna “j” Álgebra Linear 29 EXEMPLO: Calcule o determinante da matriz A = 2 1 10 4 6 1 5 3 0 , utilizando o Teorema de Laplace. Resolução: 1º passo: Inicialmente devemos escolher uma linha ou uma coluna da matriz. Vamos escolher, por exemplo a linha 1. 2º passo: Agora, devemos calcular os cofatores de cada elemento da linha ou coluna escolhida, no caso, vamos calcular os cofatores da 1ª linha, ou seja: Ca11, Ca12 e Ca13. Cálculo do Ca11: Ca11 = (-1)1+1 . 6 1 3 0 Note que como estamos calculando Ca11, retiramos a linha 1 e a coluna 1 da matriz A. Ca11 = (-1)1+1 . [(6.0) – (1.3)] Ca11 = (-1)2 . [0 –3] Ca11 = 1 . -3 Ca11 = -3 Cálculo do Ca12: Ca12 = (-1)1+2 . 4 1 5 0 Note que como estamos calculando Ca12, retiramos a linha 1 e a coluna 2 da matriz A. Ca12 = (-1)1+2 . [(4.0) – (1.5)] Ca12 = (-1)3 . [0 –5] Ca12 = -1 . -5 Ca12 = 5 Álgebra Linear 30 Cálculo do Ca13: Ca13 = (-1)1+3 . 4 6 5 3 Note que como estamos calculando Ca13, retiramos a linha 1 e a coluna 3 da matriz A. Ca13 = (-1)1+3 . [(4.3) – (6.5)] Ca13 = (-1)4 . [12 –30] Ca13 = 1 . -18 Ca13 = -18 3º passo: Agora que já temos os cofatores dos elementos da linha escolhida, vamos calcular o determinante, somando o produto dos elementos da linha pelos seus respectivos cofatores. DA = [ (a11 . Ca11) + (a12 . Ca12)+ (a13 . Ca13) ] DA = [ (2.-3) + (1. 5) + ( 10.-18) ] DA = [ (-6) + (5) + (-180) ] DA = [ -6+5-180 ] DA = -181 Propriedade dos Determinantes 1ª – O determinante de uma matriz quadrada que possui duas filas paralelas iguais ou proporcionais é sempre igual a zero. Álgebra Linear 31 EXEMPLO: Calcule o determinante da matriz A = 1 6 2 7 4 9 8 3 3 2 6 9 2 7 4 0 Observe que a 3ª coluna é múltipla da 1ª coluna, logo pela propriedade 1 podemos garantir que DA=0 2ª – O determinante de uma matriz é sempre igual ao determinante de sua transposta. EXEMPLO: Se A = 1 10 20 0 3 14 0 0 18 , DA = 54 Fazendo a transposta de A, temos: At = 1 0 0 10 3 0 20 14 18 e seu determinante também será igual a 54. 3ª – Ao permutarmos (trocarmos de posição) duas filas paralelas de uma matriz, seu determinante muda de sinal. EXEMPLO: Se A = 1 10 20 0 3 14 0 0 18 , DA = 54 Ao trocarmos a 1ª linha pela 3ª linha, temos: A = 20 10 1 14 3 0 18 0 0 , logo DA = - 54 Álgebra Linear 32 4ª – Se multiplicamos todos os elementos de uma fila por um número real, o seu determinante fica também multiplicado por esse respectivo número. EXEMPLO: Se A = 1 10 20 0 3 14 0 0 18 , DA = 54 Multiplicando, por exemplo, a 1ª linha por 2, temos: A = 2 20 40 0 3 14 0 0 18 , O que resulta que seu determinante também será multiplicado por 2. Daí DA = 108 5ª – Em toda matriz triangular, o determinante é dado pelo produto dos elementos da diagonal principal.EXEMPLO: Seja a matriz A = 1 10 20 0 3 14 0 0 18 . Como ela é triangular, pela propriedade 5, temos que seu determinante é dado por: DA = (1.3.18) DA = 54 6ª – Chamada de “Teorema de Binet” O determinante do produto de duas matrizes é igual ao produto de seus determinantes. Álgebra Linear 33 Exercícios Resolvidos 1 ) Verifique se os pontos A(5,3), B(4,1) e C(3,2) são colineares. Resolução: Três pontos são colineares, isto é, pertencem a uma mesma reta, quando o determinante da matriz formada por suas coordenadas é nulo. Dessa forma, devemos inicialmente construir uma matriz com as coordenadas dos pontos A, B e C. Assim, temos: M = 5 3 4 1 3 2 Nesse exercício, como essa matriz não é quadrada, devemos acrescentar nela uma coluna com todos os elementos iguais a 1. M = 5 3 1 4 1 1 3 2 1 Agora, calculamos o determinante da matriz obtida, utilizando a regra de Sarrus. 5 3 1 4 1 1 3 2 1 5 3 4 1 3 2 DM = [ (5.1.1) + (3.1.3) + (1.4.2) ] – [ (1.1.3) + (5.1.2) + (3.4.1) ] DM = [ (5) + (9) + (8) ] – [ (3) + (10) + (12) ] DM = [ 22 ] – [ 25 ] DM = - 3 Como o determinante é diferente de zero, logo os três pontos não são colineares. Álgebra Linear 34 2) Calcule o valor dos elementos desconhecidos, sabendo que as matrizes abaixo são iguais. 12 411 63 2012 b c dcb a Resolução: Como as matrizes são iguais, devemos igualar os termos de mesma ordem, e resolver a equação resultante: 2a – 1 = 11 2a = 11 + 1 2a = 12 a = 12/2 a = 6 3b – 6 = b + 2 3b – b = 2 + 6 2b = 8 b = 8/2 b = 4 -20 = 4c c = -20/4 c = -5 c + d = 1 como c = -5, substituindo temos: -5 + d = 1 d = 1 + 5 d = 6 Álgebra Linear 35 3) No mapa abaixo, considere o ponto 0 como origem do sistema cartesiano e cada graduação com uma unidade de comprimento. Calcule a área da região delimitada pelos pontos A, B, C, situados respectivamente nos estados do Ceará, Piauí e Bahia, em unidades de área. Resolução : Pelo gráfico acima podemos dizer que os estados do Ceará, Piauí e Bahia correspondem respectivamente aos pontos A(5,6), B(3,5) e C(4,2). A área de um triângulo dado seus vértices é obtida pelo módulo do determinante da matriz obtida pelas coordenadas de seus vértices. Álgebra Linear 36 Assim temos: M = 5 6 3 5 4 2 Nesse exercício, como essa matriz não é quadrada, devemos acrescentar nela uma coluna com todos os elementos iguais a 1. 5 6 1 3 5 1 4 2 1 5 6 3 5 4 2 DM = [ (5.5.1) + (6.1.4) + (1.3.2) ] – [ (1.5.4) + (5.1.2) + (6.3.1) ] DM = [ (25) + (24) + (6) ] – [ (20) + (10) + (18) ] DM = [ 55 ] – [ 48 ] DM = 7 Logo a área procurada é igual a 3,5 Terminamos aqui, nossa segunda unidade, na qual você estudou determinantes de matrizes, seus processos de resolução e aplicações. Na nossa terceira unidade estudará os sistemas lineares. É HORA DE SE AVALIAR! Lembre-se de realizar as atividades desta unidade de estudo. Elas irão ajudá-lo a fixar o conteúdo, além de proporcionar sua autonomia no processo de ensino-aprendizagem. Álgebra Linear 37 Exercícios da Unidade 2 1) Calcule o determinante das matrizes abaixo : a) M = 354 231 012 b) N = 5 2 4 6 c) P = 1 3 2 0 4 2 1 3 5 7 6 4 3 9 6 0 ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 2) Foi realizada uma pesquisa, num bairro de determinada cidade, com um grupo de 500 crianças de 3 a 12 anos de idade. Para esse grupo, em função da idade x da criança, concluiu-se que o peso médio p(x), em quilogramas, era dado pelo determinante da matriz A, onde A = 1 1 1 3 0 0 2 2/3 Álgebra Linear 38 Com base na fórmula p(x) = detA, determine: a) o peso médio de uma criança de 5 anos; __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ b) a idade mais provável de uma criança cujo peso é 30kg. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 3-As faces de um cubo foram numeradas de 1 a 6, depois em cada face do cubo foi registrada uma matriz A, de ordem 2, com elementos definidos por Fi Fi2 se se ji ji onde F é o valor associado à face correspondente. Qual o valor do determinante da matriz registrada na face 5? Álgebra Linear 39 __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 4) Seja a matriz M3x3 = ji ji ji 2 2 se se se ji ji ji Calcule o determinante da matriz M. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 5) Assinale qual das afirmações abaixo é incorreta. a) Se A é uma matriz quadrada, então o determinante de A é igual ao determinante de sua transposta. b) Se os elementos de uma fila de uma matriz A forem todos iguais a zero, então o determinante de A é zero. c) Se A e B são matrizes quadradas de mesma ordem, então: det(A.B) = detA . detB d) O determinante de uma matriz de ordem 1 é igual ao próprio elemento. e) O determinante de uma matriz quadrada de ordem 2 é igual à soma entre o produto dos elementos da diagonal principal e o produto dos elementos da diagonal secundária, nessa ordem. Álgebra Linear 40 Álgebra Linear 41 Sistemas Lineares 3 Álgebra Linear 42 Caro aluno, Chegamos a nossa terceira unidade de estudos. Nesta unidade, você estudará os sistemas lineares, que são sistemas formados por equações lineares. Preparado? Objetivos da Unidade: Identificar uma equação Linear; Classificar um Sistema Linear; Compreender os processos de resolução de Sistemas Lineares. Plano da Unidade: O que é uma Equação Linear? Identificação de uma Equação Linear. Classificação de um Sistema Linear. Processos de Resolução de Sistemas Lineares. Discussão de Sistemas Lineares. Bons Estudos. Álgebra Linear 43 O que é uma Equação Linear? Uma equação é dita linear, quando todas as suas incógnitas estão elevadas ao expoente 1, isto é, quando são equações do 1º grau. O uso de sistemas lineares na resulução de problemas diversos é bastante eficiente e utilizado em várias áreas. Estudaremos aqui, os diversos tipos de sistemas e suas formas de resolução, visando com isso, melhorar a nossa capacidade de resolver problemas. Identificação de uma Equação Linear Observe as equações abaixo: I ) x + 3y – 4z = 1 II ) x2 – 7x = 19 III ) x + 4 = 0 IV ) √ + 2y = 8 Note que na equação (I), de variáveis x, y e z, todaselas estão elevadas ao expoente 1, sendo portanto uma equação linear de três variáveis. Na equação (II), temos uma equação com uma única variável, mas que não é linear, pois encontramos nela uma incógnita elevada ao expoente 2. A equação (III) possui uma única variável, e como ela aparece elavada ao expoente 1, ela é dita equação linear de uma variável. Já na equação (IV), temos as variáveis x e y, porém o termo √ corresponde a , que não é do 1º grau. Assim essa equação é dita não linear. O número real sem variável é chamado de termo independente. Álgebra Linear 44 Classificação de um Sistema Linear Um sistema linear pode ser: Sistema possível e determinado (SPD) Um sistema é dito possível e determinado quando possui uma única solução. Exemplo: 4 2 Note que neste sistema só há um único par (x,y) que tornam as equações simultaneamente verdadeiras : x = 3 e y = 1 Sistema possível e determinado (SPD) Sistema possível e indeterminado (SPI) Um sistema é dito possível e indeterminado quando apresenta várias soluções. Exemplo: 4 2 2 8 Note que neste sistema há vários pares (x,y) que tornam as equações simultaneamente verdadeiras. Por exemplo, podemos destacar algumas: x = 3 e y = 1 (solução possível) x = 0 e y = 4 (solução possível) x = 4 e y = 0 (solução possível) x = -1 e y = 5 (solução possível ), entre outras. Álgebra Linear 45 Sistema Impossível (SI) Um sistema é dito impossível quando não apresenta solução. Exemplo: 4 3 3 6 Note que neste sistema não há nenhum par (x,y) que faz com que as equações sejam simultaneamente verdadeiras. Sistema Homogêneo Dizemos que um sistema linear é homogêneo, quando apresenta todos os termos independentes nulos, isto é, igual a zero. Exemplo: 2 0 2 3 0 0 IMPORTANTE: 1. Todo sistema homogêneo apresenta uma solução, chamada de solução trivial (0, 0, ........, 0). Assim, no sistema acima, temos uma solução possível : 2. x = 0, y = 0 e z = 0. 3. Em função da situação descrita no ítem 1 acima, podemos garantir que todo sistema homegêneo é possível, podendo se determinado, caso só tenha a solução trivial, ou indeterminado, se possuir outra solução além da trivial. 4. Nunca um sistema homogêneo será impossível. Álgebra Linear 46 A) Sistemas Equivalentes Dois sistemas lineares são chamados de equivalentes, quando possuem conjuntos soluções iguais. EXEMPLO: Considere os sistemas I ) 4 2 II ) 2 3 9 4 7 Os sistemas acima, apresentam o mesmo conjunto solução, o par (x,y), onde x = 3 e y = 1. Nesse caso, podemos dizer que I ~ II, que significa: O sistema I é equivalente ao sistema II. IMPORTANTE: Dado um sistema linear (I) 2 7 2 3 9 3 1. Se permutarmos duas equações do sistema (I), o novo sistema (II) obtido, será equivalente ao anterior. EXEMPLO: I ) 2 7 2 3 9 3 Álgebra Linear 47 Permutando as duas primeiras linhas, temos: II ) 2 3 9 2 7 3 Os sistemas (I) e (II) são equivalentes : I ~ II 1. Se multiplicarmos todos os termos de uma equação de um sistema (I) por um número real qualquer diferente de zero, obteremos um novo sistema (II) equivalente ao anterior. EXEMPLO : I ) 2 7 2 3 9 3 Multiplicando por exemplo, a terceira linha por 2, temos : II ) 2 3 9 2 7 2 2 2 6 Os sistemas (I) e (II) são equivalentes : I ~ II Álgebra Linear 48 Processos de Resolução de Sistemas Lineares Estudaremos agora, três processos de resolução de sistemas : I ) Resolução de sistemas lineares pelo método da substituição II ) Resolução de sistemas pela Regra de Cramer III ) Resolução de sistemas lineares por Escalonamento Faremos a definição de cada processo a seguir : I ) Resolução de sistemas lineares pelo método da substituição Este processo consiste em isolarmos uma variável em uma das equações e substituí-la em outra equação. Observe os exemplos abaixo : EXEMPLO 1: Dado o sistema 2 3 9 4 7 Vamos inicialmente escolher uma das equações, por exemplo a segunda. x + 4y = 7 Álgebra Linear 49 Em seguida, isolamos uma das variáveis, por exemplo, o x. x = 7 – 4y Agora, substituímos o resultado x = 7 – 4y na primeira equação : 2x + 3y = 9 2( 7 – 4y ) + 3y = 9 Aplicando a propriedade distributiva, temos : 14 – 8y + 3y = 9 Agora resolvemos a equação : -5y = 9 – 14 -5y = -5 y = y = 1 Álgebra Linear 50 Finalmente, substituímos o valor de y encontrado em x = 7 – 4y, obtendo : x = 7 – 4(1) x = 7 – 4 x = 3 Obtendo o par (x,y) que torna as equações simultâneamente verdadeiras : x = 3 e y = 1 , logo, temos como conjunto solução S = (3,1) EXEMPLO 2: Dado o sistema 6 2 3 3 2 Vamos inicialmente escolher uma das equações, por exemplo a segunda. 2x – y + z = 3 Álgebra Linear 51 Agora, devemos isolar uma das variáveis, por exemplo o z. z = 3 + y – 2x Substituímos o valor encontrado : z = 3 + y – 2x, em uma das duas equações restantes, por exemplo a primeira. x + y + z = 6 x + y + 3 + y – 2x = 6 -x + 2y + 3 = 6 Isolamos uma das duas variáveis, por exemplo o x. -x = 6 – 2y – 3 -x = 3 – 2y , que multiplicado por (-1) resulta em : x = - 3 + 2y Agora, substituímos os valores z = 3 + y – 2x e x = - 3 + 2y na equação que não foi utilizada, neste caso a terceira : 3x + y – z = 2 Álgebra Linear 52 Fazendo a substituição de z = 3 + y – 2x, temos 3x + y – (3 + y – 2x) = 2 3x + y – 3 – y + 2x = 2 5x = 2 + 3 5x = 5 Substituíndo por x = - 3 + 2y, obtemos : 5(- 3 + 2y) = 5 Aplicando a propriedade distributiva : -15 + 10y = 5 10y = 5 + 15 10y = 20 y = y = 2 Como x = - 3 + 2y, podemos dizer que : x = -3 + 2(2) x = -3 + 4 x = 1 Álgebra Linear 53 Finalmente, fazendo a substituição de x e y em z = 3 + y – 2x, temos : z = 3 + y – 2x z = 3 + 2 – 2(1) z = 3 + 2 – 2 z = 3 Logo a solução do sistema é S =(1,2,3), isto é : x = 1, y = 2 e z = 3 II ) Resolução de sistemas lineares pela Regra de Cramer A Regra de Cramer é um método para resolução de sistemas lineares utilizando o determinante de matrizes. Ela consiste em: 1. Inicialmente devemos ter o sistema organizado, isto é, em cada equação as variáveis devem estar na mesma ordem. Por exemplo : 2 3 9 4 7 Note que neste sistema, em todas as equações, a primeira variável é a do x, a segunda é a do y e seus termos independentes estão isolados do outro lado da igualdade. Dizemos que assim, o sistema está devidamente organizado. Álgebra Linear 54 1. Agora, retiramos seus coeficientes e formamos uma matriz. A = 2 3 9 1 4 7 Observe que na matriz A, temos a 1ª coluna correspondente a variável x, a 2ª coluna correspondente a variável y e a 3ª coluna correspondente aos termos independentes. 1) Em seguida, calculamos o determinante da matriz A, que é formado excluíndo a coluna referente aos termos independentes. Assim temos : DA = 2 3 1 4 DA = (2 . 4) – (3. 1) DA = 8 – 3 DA = 5 2) Agora, calculamos o determinante da variável x, que é formado substituíndo a coluna referente ao x, pela coluna dos termos independentes. Assim temos : Dx = 9 3 7 4 Dx = (9 . 4) – (3 . 7) Dx = 36 – 21 Dx = 15 Álgebra Linear 55 3) Calculamos em seguida o determinante da variável y, que é formado substituíndo a coluna referente ao y, pela coluna dos termos independentes. Assim temos : Dy = 2 9 1 7 Dy = (2 . 7) – (9 . 1) Dy = 14 – 9 Dy = 5 4) Finalmente calculamos o valor das incógnitas x e y, dividindo o valor obtido pelos seus determinantes Dx e Dy, pelo determinante da matriz DA .x = x = 3 y = y = 1 Logo, temos como conjunto solução S = (3,1) EXERCÍCIO RESOLVIDO Resolva o Sistema : 6 2 3 3 2 Vamos resolver passo a passo : Álgebra Linear 56 1) Obtemos a matriz dos coeficientes A = 1 1 1 6 2 1 1 3 3 1 1 2 2) Cálculo de DA 1 1 1 2 1 1 3 1 1 Utilizando a regra de Sarrus, estudada, temos : DA = 1 1 1 2 1 1 3 1 1 1 1 2 1 3 1 DA = [ (1.-1.-1) + (1.1.3) + (1.2.1) ] – [ (1.-1.3) + (1.1.1) + (1.2.-1) ] DA = [ (1) + (3) + (2) ] – [ (-3) + (1) + (-2) ] DA = [ 6 ] – [ -4 ] DA = 6 + 4 DA = 10 1) Cálculo do Dx Dx = 6 1 1 3 1 1 2 1 1 6 1 3 1 2 1 Dx = [ (6.-1.-1) + (1.1.2) + (1.3.1) ] – [ (1.-1.2) + (6.1.1) + (1.3.-1) ] Dx = [ (6) + (2) + (3) ] – [ (-2) + (6) + (-3) ] Dx = [ 11 ] – [ 1 ] Dx = 10 Álgebra Linear 57 2) Cálculo do Dy Dy = 1 6 1 2 3 1 3 2 1 1 6 2 3 3 2 Dy = [ (1.3.-1) + (6.1.3) + (1.2.2) ] – [ (1.3.3) + (1.1.2) + (6.2.-1) ] Dy = [ (-3) + (18) + (4) ] – [ (9) + (2) + (-12) ] Dy = [ 19 ] – [ -1 ] Dy = 19 + 1 Dy = 20 3) Cálculo do Dz Dz = 1 1 6 2 1 3 3 1 2 1 1 2 1 3 1 Dz = [ (1.-1.2) + (1.3.3) + (6.2.1) ] – [ (6.-1.3) + (1.3.1) + (1.2.2) ] Dz = [ (-2) + (9) + (12) ] – [ (-18) + (3) + (4) ] Dz= [ 19 ] – [ -11 ] Dz = 19 + 11 DA = 10 Álgebra Linear 58 4) Finalmente, calculamos as variáveis: x = → x = 1 , y = → y = 2 , z = → z = 3 Logo, encontramos como conjunto solução S = (1,2,3) III ) Resolução de sistemas lineares por Escalonamento Considere um sistema com “m” equações e “m” incógnitas. Dizemos que esse sistema está escalonado, quando a quantidade de coeficientes nulos das variáveis que iniciam as equações, vai aumentando progressivamente, de equação em equação, de modo que tenhamos todos os coeficientes não nulos. Exemplo de sistema escalonado: I ) 2 4 3 6 2 5 3 8 2 II ) 5 4 7 6 4 3 8 6 5 3 3 2 8 Note que os coeficientes nulos vão aumentando, em forma de “escada” da baixo pra cima, até que a 1ª equação tenha todos os coeficientes não nulos. Álgebra Linear 59 O escalonamento é feito utilizando somente três operações elementares: 1ª – Mudar as linhas de posição. 2ª – Multiplicar ou dividir uma linha por um número real. 3ª – Somar ou subtrair as linhas. IMPORTANTE: É importante destacar que na 3ª operação, a equação resultante da soma de duas ou mais linhas deverá ser colocada em uma delas. Por exemplo: L1 + L2 + L3 = L3, Isto é, a soma da linha 1 mais a linha 2 mais a linha 3 será colocada na 3ª linha. Não podemos efetuar a operação: L1 + L2 = L3, pois a equação resultante da soma das linhas 1 e 2 não pode ser colocado em outra linha diferente das utilizadas no processo de soma. EXERCÍCIO RESOLVIDO PASSO A PASSO: Escalonar e resolver o sistema: 6 2 3 3 2 1º passo: Devemos tornar o coeficiente da variável x da 3ª equação nulo. Para isso, vamos multiplicar a 1ª linha por 3. Álgebra Linear 60 6 2 3 3 2 isso implica em : 3 3 3 18 2 3 3 2 2º passo: Agora vamos realizar a seguinte operação elementar: L1 – L3 = L3 Isso significa que a equação resultante da diferença entre as linhas 1 e 3 será colocada na 3ª linha. Assim, temos: 3 3 3 18 3 2 0 2 4 16 Resultando em 3 3 3 18 2 3 2 4 16 2º passo: Agora vamos realizar a seguinte operação elementar: 2L1 – 3L2 = L2 Isso significa multiplicar a 1ª linha por 2 e subtrair da 2ª linha multiplicada por 3. A equação resultante da operação elementar será colocada na 2ª linha. Assim temos: 6 6 6 36 6 3 3 9 0 9 3 27 Resultando em 3 3 3 18 9 3 27 2 4 16 Como os coeficientes estão se tornando muito grande, podemos simplificá-los, utilizando a 2ª operação elementar : dividir uma linha por um número real. Assim, para simplificar, vamos dividir a 1ª linha por 3 , a 2ª linha por 3 e a 3ª linha por 2, resultando em : Álgebra Linear 61 6 3 9 2 8 Agora, vamos tornar nulo o coeficiente do y na 3º equação. Para isso, devemos efetuar a operação elementar : L2 – 3L3 = L3, isso significa que iremos subtrair a 2ª linha pela 3ª linha multiplicada por 3, e colocar a equação resultante dessa operação na 3ª linha. Assim temos : 0 3 9 0 3 6 24 0 0 5 15 Resultando no sistema perfeitamente escalonado abaixo : 6 3 9 5 15 Agora, após escalonado, devemos resolver o sistema, encontrando o valor das incógnitas de baixo para cima. 6 3 9 5 15 -5z = -15 z = → z = 3 Substituíndo na 2ª equação, temos : 3y + z = 9 3y + 3 = 9 3y = 9 – 3 3y = 6 y = → y = 2 Finalmente substituímos z e y na 1ª equação : Álgebra Linear 62 x + y + z = 6 x + 2 + 3 = 6 x + 5 = 6 x = 6 – 5 x = 1 Logo a solução do sistema é S = (1,2,3). Discussão de Sistemas Lineares Discutir um sistema linear de “m” equações e “m” incógnitas, é determinar se o sistema é impossível, possível determinado ou possível indeterminado. Na maioria dos casos, a discussão pode ocorrer de dois modos: I ) Discussão de um sistema pela Regra de Cramer Neste caso, calculamos inicialmente o DA . A) Se DA≠ 0, podemos afirmar que o sistema é Possível e determinado (SPD) B) Se DA = 0, devemos calcular os determinantes das variáveis. Caso encontremos na divisão de algum determinante de qualquer variável pelo determinante da matriz, a fração , podemos dizer que o sistema é possível indeterminado (SPI). Caso contrário, o sistema será Impossível (SI). Álgebra Linear 63 EXEMPLOS: O sistema 2 3 9 4 7 é possível e determinado, pois : DA = 2 3 1 4 DA = (2 . 4) – (3. 1) DA = 8 – 3 DA = 5 ≠ 0 1) O sistema 3 5 2 6 10 é possível e indeterminado, pois : DA = 1 3 2 6 DA = (1 . 6) – (3. 2) DA = 6 – 6 DA = 0 Dx = 5 3 10 6 Dx = (5 . 6) – (3. 10) Dx = 30 - 30 Dx = 0 Logo, ao dividirmos Dx por DA, encontramos a fração . Álgebra Linear 64 O sistema 4 2 2 3 é impossível, pois: DA = 1 1 2 2 DA = (1 . 2) – (1. 2) DA = 2 – 2 DA = 0 Dx = 4 3 3 6 Dx = (4 . 6) – (3. 3) Dx = 24 - 9 Dx = 15 Como, ao dividirmos Dx por DA, encontramos a fração que é impossível, pois não existe divisão por zero. II ) Discussão de um sistema por escalonamento A discussão de um sistema por escalonamento pode ser feita do seguinte modo: Após escalonar o sistema, se encontrarmos uma linha com todos os coeficientes das variáveis e também o termo independente iguais a zero, o sistema será dito possível indeterminado (SPI). Caso encontrarmos todos os coeficientes das variáveis nulos e o termo independente diferente de zero, dizemos que o sistema é impossível (SI). Em qualquer outra situação, o sistema será possível e determinado (SPD). EXEMPLOS: Considere os sistemas escalonados abaixo: I ) 2 5 3 6 3 4 9 5 Nesse sistema encontramos todos os coeficientes das variáveis nulos e o termo independente diferente de zero. O sistema é impossível (SI). II ) 2 6 3 5 3 4 9 0 Álgebra Linear 65 Nesse sistema encontramos todos os coeficientes das variáveis nulos e o termo independente também nulo. O sistema é possível indeterminado (SPI). IMPORTANTE: Existem algumas poucas excessões que podem ocorrer, como por exemplo o sistema : 2 3 1 4 2 6 3 6 3 9 4 Nele, se discutirmos pela Regra de Cramer concluiremos que o sistema é possível indeterminado (SPI). Porém, se discutirmos por escalonamento, veremos que na verdade ele é impossível (SI). Assim, para que não haja nenhuma dúvida sobre a discussão, recomendo que a mesma seja feita da seguinte forma: inicialmente calculamos pela Regra de Cramer o DA, isto é, o determinante da matriz formada pelos coeficientes das variáveis das equações e se caso o DA seja diferente de zero, o sistema será possívele determinado. No caso do DA ser igual a zero, devemos escalonar o sistema. E assim terminamos mais um unidade de estudos, agora você já sabe o que são sistemas lineares e que sua utilização na resolução de problemas diversos é bastante eficiente. Na unidade seguinte, você estudará os estudos do vetores, suas operações e propriedades. É HORA DE SE AVALIAR! Lembre-se de realizar as atividades desta unidade de estudo. Elas irão ajudá-lo a fixar o conteúdo, além de proporcionar sua autonomia no processo de ensino-aprendizagem. Álgebra Linear 66 Exercícios da Unidade 3 1-Resolvendo o sistema 2 5 2 3 4 podemos dizer que a soma de x + y é igual a: a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 2-O sistema 3 0 4 2 6 0 5 15 0 a) admite infinitas soluções b) admite apenas duas soluções c) não admite soluções d) admite solução única e) admite apenas a solução trivial. 3-Resolva os sistemas: a) x – 2y z 1 x y – z 5 2x – y – 4z 2 b) x y z 6 2x – y z 3 3x y – z 2 Álgebra Linear 67 ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 4-Três pacientes usam, em conjunto, 1830mg por mês de um certo medicamento em cápsulas. O paciente A usa cápsulas de 5mg, o paciente B, de 10mg e o paciente C de 12mg. O paciente A toma a metade do número de cápsulas de B e os três juntos tomam 180 cápsulas por mês. O paciente C toma um número de cápsulas por mês igual a: a) 30 b) 60 c) 75 d) 90 e) 120 5-Três amigos, denominados X, Y e Z utilizam o computador todas as noites. Em relação ao tempo em horas em que cada um usa o computador, por noite, sabe-se: tempo de X mais o tempo de Z excede o de Y em 2. tempo de X mais o quádruplo do tempo de Z é igual a 3 mais o dobro do tempo de Y. tempo de X mais 9 vezes o tempo de Z excede em 10 o tempo de Y. Álgebra Linear 68 Qual a soma do número de horas de utilização do computador, pelos três amigos, em cada noite? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Álgebra Linear 69 Vetores 4 Álgebra Linear 70 Caro aluno, Nesta unidade, faremos a introdução aos vetores, definindo suas operações e propriedades. Objetivos da Unidade: Compreender o que são vetores, suas operações e propriedades. Plano da Unidade: Estudo no Espaço R2. Estudo no Espaço R3. Produto Misto. Bons Estudos. Álgebra Linear 71 Estudo no Espaço R2 Sabemos que, dados dois conjuntos A e B, o produto cartesiano AxB é o cunjunto de todos os pares ordenados (x,y) tais que x pertence ao conjunto A e y pertence ao conjunto B. Cada um desses pares (x,y) são associados a um ponto do plano cartesiano, por exemplo: Dado o ponto M(xm, ym) temos: 1) OPERAÇÕES COM PARES ORDENADOS Considere os pares ordenados (xm, ym) e (xp, yp). A) IGUALDADE : Dizemos que os pares acima são iguais, se e somente se : xm = xp e ym = yp EXEMPLO: Encontre o valor de K, de modo que os pares ordenados (5, 3K+1) e (5, 4) sejam iguais. Álgebra Linear 72 Resolução: 3K+1 = 4 3K = 4 -1 3K = 3 K = K = 1 B) ADIÇÃO: Para somar os pares acima, basta encontrar um novo par ordenado, onde: ( xm + xp , ym + yp ) EXEMPLO: (7, 6) + (1,9) = (7+1, 6+9) = (8,15) C) PRODUTO POR UM ESCALAR O produto de um par ordenado (xm, ym) por um número real K, denominado escalar, é dado por : K. (xm, ym) = (Kxm, Kym) EXEMPLO: Dado o par ordenado (7, 6) e o escalar 2, calcule o produto do par ordenado pelo escalar. 2.(7,6) = (14,12) Álgebra Linear 73 PROPRIEDADES: Sejam os pares ordenados A(xa,ya) , B(xb, yb) e C(xc,yc). 1ª propriedade : (A+B)+C = A+(B+C) 2ª propriedade : A+C = C+A 3ª propriedade : K(A + C) = (KA + KC) 4ª propriedade : O elemento neutro da adição é o par O = (0,0), A + O = O + A = A 5ª propriedade : O oposto de C = (xc,yc) é -C = ( -xc, -yc ) 6ª propriedade : 1 . A = A . 1 = A 2) SEGMENTO ORIENTADO Sejam dois pontos A e B, numa reta real, conforme a figura. Dizemos que o segmento orientado parte de A até B, da mesma forma o segmento orientado , parte de B até A Todo segmento orientado possui direção, sentido e módulo. Chamamos de módulo, o comprimento do segmento. A direção é dada por sua reta suporte e o sentido é indicado pela seta sobre as letras. IMPORTANTE Dizemos que dois segmentos orientados são equipotentes, quando possuem módulos iguais, sentidos iguais e a mesma direção. Álgebra Linear 74 3) VETOR O vetor de um segmento orientado é o conjunto de todos os seus segmentos orientados equipotentes. Para calcular os componentes de um vetor v, dado que v = , onde A(xa,ya) e B(xb, yb) é dado por : v = = B – A = (xb - xa , yb - ya ) EXEMPLO: Dado os pontos M(5,3) e P(7,9), encontre o vetor v = Resolução: v = = P – M = (xp - xm , yp – ym ) v = ( 7 – 5, 9 – 3 ) v = ( 2,6 ) 4) OPERAÇÕES COM VETORES A) ADIÇÃO Considere dois vetores u e w, podemos dizer que a soma u + w é um par ordenado, de modo que: u + w = (xu + xw , yu + yw ) Álgebra Linear 75 Graficamente: B) MULTIPLICAÇÃO POR UM ESCALAR Considere um vetor v = (a,b) e um escalar K, dizemos que o produto K.v é dado por : Kv = (Ka,Kb) IMPORTANTE: As coordenadas do ponto médio de um segmento AB, dado A(xa,ya) e B(xb, yb) é obtido pela média aritmética das coordenadas dos extremos. EXEMPLO : Dado os pontos N(1,3) e P(7,9), o ponto médio MNP é dado por : MNP = , MNP = , MNP = (4,6) Álgebra Linear 76 1) As coordenadas do barientro de um triângulo de vértices ABC, dado A(xa,ya) , B(xb, yb) e C(xc, yc) é obtido pela média aritmética das coordenadas dos vértices do triângulo. EXEMPLO: Dado o triângulo MNP, de vértices M(4,3) N(1,3) e P(7,9), o baricentro G do triângulo é dado por : G= , G= , G = (4,5) Graficamente: Onde G é o centro de gravidade do triângulo. Ele consiste no ponto de encontro das três medianas do triângulo. Álgebra Linear 77 5) PRODUTO INTERNO NO R2 Considere dois vetores : u = (a,b) e v = (c,d) Dizemos que o produto escalar ou interno dos vetores u e v, indicado por uv, é dado por um número real, obtido por : u.v = a.c + b.d EXEMPLO: Dado os vetores u =(4,3) e v = (1,3) u . v = 4 . 1 + 3 . 3 u . v = 4 + 9 u . v = 13 6) MÓDULO DE UM VETOR O módulo (comprimento) de um vetor u = (a,b), é dado pela raiz quadrada da soma dos quadrados de suas componentes vetoriais. | | EXEMPLO : Dado o vetor u =(4,3) | | 4 3 | | √16 9 | | √25 | | 5 Álgebra Linear 78 IMPORTANTE: O módulo de um vetor u é também chamado de norma de u. 7) VETORUNITÁRIO Um vetor é dito unitário quando possui módulo igual a 1. Seja um vetor u = (a,b). Se |u| 1, então u é um vetor unitário. 8) VERSOR DE UM VETOR Seja um vetor v = (c,d) não nulo. Dizemos que o vetor : v’ = | | é um vetor unitário chamado de versor de v. EXEMPLO: Dado o vetor v = (4,3), encontre o versor do vetor v. Resolução: v’ = | | v’ = , √ v’ = , √ v’ = , √ v’ = , v’ = , Álgebra Linear 79 9) CONDIÇÃO DE PARALELISMO DE DOIS VETORES Considere dois vetores : u = (a,b) e v = (c,d) Dizemos que os vetores u e v são paralelos se e somente se : EXEMPLO : Dado os vetores v = (4,3) e w = (8,6), verifique se os vetores v e w são paralelos. Resolução : 4 8 3 6 (4.6) = (3.8) = 24 Logo v e w são paralelos. 10) CONDIÇÃO DE PERPENDICULARIDADE DE DOIS VETORES Dois vetores u = (a,b) e v = (c,d) são ditos ortogonais ou perpendiculares, se e somente se : a.c + b.d = 0 ou seja : u . v = 0 EXEMPLO: Dado os vetores v = (4,3) e w = (2,6), verifique se os vetores v e w são ortogonais. Álgebra Linear 80 Resolução: ( 4 . 2 ) + ( 3 . 6 ) = 8 + 18 = ≠ 0, logo os vetores não são perpendiculares 11) ÂNGULO ENTRE DOIS VETORES Sejam os vetores u = (a,b) e w = (c,d), o ângulo β formado pelos vetores u e w é dado por : . | |. | | EXEMPLO : Dado os vetores u = (1,3) e w = (-2,4),encontre o ângulo β formado pelos vetores u e w. Resolução : cosβ u. w |u|. |w| Álgebra Linear 81 cosβ 1. 2 3.4 √1 3 . 2 4 cosβ 10 √10.√20 cosβ 10 √200 cosβ 10 √2.100 cosβ 10 10√2 cosβ 1 √2 Racionalizando, temos: cosβ √2 2 Sabendo que 0° ≤ β ≤ 180°, logo temos : 45° Logo, o ângulo entre os vetores u e w é igual a 45° Estudo no Espaço R3 No espaço, utilizaremos um sistema com três eixos coordenados : x, y e z. Assim, um ponto P pertencente a R3, terá como coordenadas P = (xp, yp, zp) Álgebra Linear 82 De modo análogo ao espaço R2, temos : 1) OPERAÇÕES COM TERNAS ORDENADAS Considere as ternas ordenadas (xm, ym, zm) e (xp, yp, zp). A) IGUALDADE: Dizemos que ternas ordenadas acima são iguais, se e somente se : xm = xp , ym = yp , zm = zp B) ADIÇÃO : Para somar as ternas ordenadas acima, basta encontrar um novo par ordenado, onde : ( xm + xp , ym + yp , zm + zp ) Álgebra Linear 83 C) PRODUTO POR UM ESCALAR O produto de uma terna ordenada (xm, ym, zm) por um número real K, denominado escalar, é dado por : K. (xm, ym, zm) = (Kxm, Kym. Kzm) 2) VETOR NO R3 O vetor de um segmento orientado é o conjunto de todos os seus segmentos orientados equipotentes. Para calcular os componentes de um vetor v, dado que v = , onde A(xa,ya,za) e B(xb, yb, zb) é dado por : v = = B – A = (xb - xa , yb - ya , zb - za ) 3) OPERAÇÕES COM VETORES NO ESPAÇO R3 A) ADIÇÃO Considere dois vetores u e w, podemos dizer que a soma u + w é um par ordenado, de modo que : u + w = (xu + xw , yu + yw , zu + zw ) B) MULTIPLICAÇÃO POR UM ESCALAR Considere um vetor v = (a,b,c) e um escalar K, dizemos que o produto K.v é dado por : Kv = (Ka,Kb,Kc) Álgebra Linear 84 IMPORTANTE : As coordenadas do ponto médio de um segmento AB, dado A(xa,ya,za) e B(xb, yb,zb) é obtido pela média aritmética das coordenadas dos extremos. As coordenadas do barientro de um triângulo de vértices ABC, dado : A(xa,ya,za) , B(xb, yb,zb) e C(xc, yc,zc) é obtido pela média aritmética das coordenadas dos vértices do triângulo. 4) PRODUTO INTERNO NO R2 Considere dois vetores : u = (a,b,c) e v = (d,e,f) Dizemos que o produto escalar ou interno dos vetores u e v, indicado por uv, é dado por um número real, obtido por : u.v = a.d + b.e + c.f 5) NORMA DE UM VETOR NO R3 O módulo (comprimento) de um vetor u = (a,b,c), é dado pela raiz quadrada da soma dos quadrados de suas componentes vetoriais. | | 6) VETOR UNITÁRIO Um vetor é dito unitário quando possui módulo igual a 1. Seja um vetor u = (a,b,c). Se |u| 1, então u é um vetor unitário. Álgebra Linear 85 7) VERSOR DE UM VETOR Seja um vetor v = (c,d,e) não nulo. Dizemos que o vetor : v’ = | | é um vetor unitário chamado de versor de v. 8) CONDIÇÃO DE PARALELISMO DE DOIS VETORES NO R3 Considere dois vetores : u = (a,b,e) e v = (c,d,f) Dizemos que os vetores u e v são paralelos se e somente se : 9) CONDIÇÃO DE PERPENDICULARIDADE DE DOIS VETORES NO R3 Dois vetores u = (a,b,e) e v = (c,d,f) são ditos ortogonais ou perpendiculares, se e somente se : a.c + b.d + e.f = 0 ou seja : u . v = 0 10) ÂNGULO ENTRE DOIS VETORES NO R3 Sejam os vetores u = (a,b,e) e w = (c,d,f), o ângulo β formado pelos vetores u e w é dado por : . | |. | | Álgebra Linear 86 Produto Misto Sejam os vetores do R3 dados por : w = (a,b,c) , v = (d,e,f) e u = (g,h,i) Definimos como produto misto entre os vetores w,v e u, e representamos por , , o determinante . Aplicação geométrica do produto misto 1ª – O volume de um paralelepípedo gerado por três vetores não coplanares é igual ao módulo do produto misto desses vetores. EXEMPLO : Dados os vetores w = (2,0,1) , v = (1,0,1) e u = (1,2,2), determine o volume do paralelepípedo por eles gerado, em unidades de volume. Resolução : , , = 2 1 0 1 0 1 1 2 2 2 1 0 1 0 1 1 2 2 2 1 1 0 1 2 = [ (2.0.2) + (1.1.1) + (0.1.2) ] – [ (0.0.1) + (2.1.2) + (1.1.2) ] = [ 0 + 1 + 0 ] – [ 0 + 4 + 2 ] = 1 – 6 = -5 Como o volume é o módulo do produto misto, temos que o volume é igual a : 5 unidades de área Álgebra Linear 87 2ª – O volume de um tetraedro definido por três vetores não coplanares aplicados em um mesmo ponto é igual a ao módulo do produto misto desses vetores dividido por 6. EXEMPLO : Dados os vetores w = (2,0,1) , v = (1,0,1) e u = (1,2,2), determine o volume do tetraedro por eles gerado, em unidades de volume. Como já calculamos no exemplo anterior o produto misto dos três vetores, temos que o volume do tetraédro é igual a unidades de área. Finalizamos aqui nossa última unidade de estudos, agora você já sabe o que são vetores. É HORA DE SE AVALIAR! Lembre-se de realizar as atividades desta unidade de estudo. Elas irão ajudá-lo a fixar o conteúdo, além de proporcionar sua autonomia no processo de ensino-aprendizagem. Álgebra Linear 88 Exercícios – Unidade 4 1) Dados os pontos A(5,4,3) e B(1,6,2), calcule : a) A - B b) 3A + 2B ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 2) Calcule os valores de x , y e z de modo que os pontos A(3x-4,6, z+1) e B(8, 2y+2, 7) sejam iguais. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 3) Considere os pontos A(5,3,4), B(1,2,5) e C(6,1,2) Encontre as coordenadas dos vetores : a) u = b) w = c) v = Álgebra Linear 89 ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________4) Sabendo que w = , sendo A = (3,5,7) e B = (6,8,2), encontre o vetor 2w ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 5) Dados os pontos A(7,1,5), B(2,3,6) e C(6,2,5), calcule : ponto médio de AC O ponto Médio de CB ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Álgebra Linear 90 Álgebra Linear 91 Considerações Finais Caro aluno, Ao longo das quatro unidades desta disciplina, você estudou as estruturas algébricas, as fórmulas e os conceitos. Nosso estudo começou o conceito de Matrizes e Determinantes, definindo seus vários tipos e aplicando suas operações na resolução de problemas. Em seguida, abordo a discussão e resolução de Sistemas Lineares, utilizando dos fundamentos matriciais já estudados e posteriormente agrego esses conteúdos ao estudo dos Vetores, definindo suas operações e aplicações nos espaços R2 e R3. Esperamos que você enriqueça seu repertório para então se tornar um profissional competentes, e que esta disciplina contribua para essa formação. Equipe - Universo EAD Álgebra Linear 92 Álgebra Linear 93 Conhecendo o Autor Alírio Gomes da S. Júnior O professor Alírio Gomes Jr. é graduado em Matemática pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), mestrando em Economia Empresarial, Especialista em Docência do Ensino Superior e em Administração e Supervisão Escolar. Possui larga experiência no ensino superior, atuando como docente em universidades e desenvolvendo palestras em congressos e seminários. Atualmente é professor da Universidade Salgado de Oliveira, tendo lecionado diversas disciplinas, entre elas: Cálculo Diferencial e Integral, Álgebra Linear, Matemática Básica, Estatística, Economia, Engenharia da Qualidade e Geometria Analítica. Atua também como consultor, prestando serviços a empresas, escolas e universidades. Álgebra Linear 94 Álgebra Linear 95 Referências ANTON, Howard; RORRES, Chris; DOERING, Claus Ivo (Tradutor). Álgebra linear com aplicações. 8.ed. reimp. Porto Alegre: Bookman, 2004. CALLIOLI, C. DOMINGUES, H. Álgebra Linear e Aplicações. ed. atual, São Paulo, 1990. LIPSCHUTZ, S .Álgebra Linear . Coleção Schaum. 2.ed . São Paulo : McGraw-Hill, 1987. LIPSCHUTZ, Seymour; LIPSON, Marc Lars; ALVES, Laurito Miranda (Tradutor). Teoria e problemas de algebra linear. 3ed. Porto Alegre: Bookman, 2004. POOLE, David; MONTEIRO, Martha Salerno (Tradutor). Algebra linear. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2004. STEINBRUCH, A & WINTERLE, P. Álgebra Linear . 2.ed. São Paulo:McGraw- Hill , 1987. WINTERLE,Paulo. Vetores e Geometria Analítica. São Paulo : Makron Books, 2000. Álgebra Linear 96 Álgebra Linear 97 nexos A Álgebra Linear 98 Gabaritos Unidade 1 1- 2- A soma não pode ser feita, pois para isso, as metrizes devem ter a mesma ordem. No caso, a matriz A é de ordem 3x4 e a metriz transposta de B é de ordem 4x3, logo não se pode calcular a matriz M. 3- Ìtem A) a = 6 ; b = 4 ; c = -5 ; d = 6 Ítem B) x = 5 ; y = 2 4- V, V, F, F, V, F 5- 24 Unidade 2 1. Ítem A) 3 Ìtem B) 22 Ítem C) 0 2. Ítem A) 18 Kg Ìtem B) 11 anos 3- 51 4- Determinante = 38 5- V, V, V, V, F Unidade 3 1- C 2- A 3- ítem A) x =4 ; y = 2 ; z = 1 Ítem B) x = 1 ; y = 2 ; z = 3 4- D 5- 6 horas Álgebra Linear 99 Unidade 4 1. ítem A)(4,-2,1) Ítem B) (17,24,13) 2- X = 4 ; y = 2 ; z = 6 3- ítem A)(-4,-1,1) Ítem B) (1,-2,-2) ítem C)(4,-2,1) 4- (6,6,-10) 5- ítem A)(13/2, 3/2, 5) Ítem B) (4, 5/2, 11/2)
Compartilhar