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29 3. INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS VETORES 3.1. Conceitos preliminares Reta orientada Uma reta r é orientada quando se fixa nela um sentido de percurso, considerado positivo e indicado por uma seta. O sentido oposto é negativo. r – + Chamamos de eixo a reta orientada onde fixamos um ponto, chamado de origem, e determinamos uma unidade de comprimento. Segmento de reta orientado Um segmento orientado é um segmento de um eixo e é determinado por um par ordenado de pontos, onde o primeiro é a origem do segmento e o segundo é a extremidade do segmento. O segmento orientado de origem A e extremidade B será representado por AB e, geometricamente, indicado por uma seta que caracteriza visualmente o sen- tido do segmento. Ex.: A B reta suporte – + Segmento nulo Um segmento é nulo quando a extremidade coincide com a origem. Medida de um segmento Fixada uma unidade de comprimento, a cada segmento orientado pode- se associar um número real, não negativo, que é a medida do segmento em relação àquela unidade. A medida do segmento orientado é seu comprimento ou seu módulo. 30 Direção e sentido Os segmentos orientados não nulos têm mesma direção se estão numa mesma reta suporte ou em retas suportes paralelas. Os segmentos orientados não nulos têm mesmo sentido se tiverem mesma orientação. Caso contrário, têm orientações contrárias. Obs.: Só se pode comparar os sentidos de dois segmentos orientados se eles têm mesma direção. Segmentos opostos Se AB é um segmento orientado, o segmento BA é oposto a AB . Os segmentos opostos têm mesma direção, mesma medida e orientações (ou sentidos contrários). Características de um segmento orientado Um segmento orientado se caracteriza por seu comprimento (ou módu- lo), sua direção (reta suporte) e sua orientação (sentido). Segmentos eqüipolentes Dois segmentos AB e CD são eqüipolentes quando têm mesmo com- primento (módulo), mesma direção e mesma orientação (sentido). Representamos a equipolência por AB ~ CD . Espaço Cartesiano Na Geometria de René Descartes, consideramos que todo o ponto do espaço possui três dimensões, este ponto P está a uma distância finita de um triedro OXYZ, correspondente a um sistema de três dimensões reais: � x denominada abscissa que é a distância do ponto P ao plano YOZ, � y denominado ordenada que é a distância do ponto P ao plano XOZ e, � Z denominado pela cota que é a distância do ponto P ao plano XOY Tais números x,y,z denominam-se Coordenadas Cartesianas de um ponto P. 31 No Espaço Cartesiano um ponto definido P (x,y,z ) é representado por um trio ordenado de números reais ( x,y,z ). 3.2. Definição de vetor: É uma reta orientada quando se fixa nela um sentido de percurso. Grandezas escalares e vetoriais. � Grandeza: é tudo aquilo que pode variar quantitativamente. � Grandeza escalar: é aquela que só tem módulo ou valor numérico. � Grandeza vetorial: é aquela que, necessita além do módulo, direção e sentido. Uma grandeza vetorial se representa por meio de uma flecha numa cer- ta escala. O comprimento da flecha representa o módulo do vetor, a linha sobre a qual se encontra é a direção do vetor e o sentido é indicado pela flecha. Dado um segmento orientado AB , chamamos de vetor o conjunto de todos os segmentos orientados eqüipolentes ao segmento dado AB . Este segmento é um representante do vetor. Ex.: B A Se indicarmos por V este conjunto, simbolicamente podemos escrever: { }AB~XY/XYV = onde XY é um segmento qualquer do conjunto. O vetor determinado por AB é indicado por AB ou AB − ou V . 32 Um mesmo vetor AB é determinado por uma infinidade de segmentos orientados, chamados representantes desse vetor, e todos eqüipolentes entre si. As- sim, um segmento determina um conjunto que é o vetor, e qualquer um destes repre- sentantes determina o mesmo vetor. Portanto, com origem em cada ponto do espaço, podemos visualizar um representante de um vetor. Usando um pouco mais nossa ca- pacidade de abstração, se considerarmos todos os infinitos segmentos orientados de origem comum, estaremos caracterizando, através de representante um só vetor. Con- seqüentemente, todos os vetores se acham representados naquele conjunto que ima- ginamos. As características de um vetor V são as mesmas de qualquer um de seus representantes, isto é:o módulo, a direção e o sentido do vetor são o módulo, a direção e o sentido de qualquer um de seus representantes. O módulo de V se indica por V ou por V . Vetores iguais Dois vetores são iguais se e somente se forem eqüipolentes entre si. Vetor nulo Os segmentos nulos, por serem eqüipolentes entre si, determinam um único vetor, chamado vetor nulo ou vetor zero, e que é indicado por 0 . Vetores opostos Dado um vetor ABV = , o vetorBA é o oposto de AB e se indica por – AB ou por V− . B B V r V r − A A Vetor unitário Um vetor é dito unitário quando seu módulo é igual a um, isto é, quando V = 1. 33 Versor Versor de um vetor não nulo V é o vetor unitário de mesma direção e mesmo sentido de V . Simbolizando o versor por 0V é calculado pela expressão: V VV0 = Exemplo: Determinar o versor do vetor j8i6v rrr +−= Solução: 22o 8)6( )8;6( v +− − = r ⇒ 10 )8;6( vo − = r ⇒ −= 5 4; 5 3 vo r Vetores colineares São vetores que possuem a mesma direção, isto é, se estão numa mesma reta suporte ou em retas suportes paralelas. Vetores coplanares São vetores que pertencem a um mesmo plano ou que possuem repre- sentantes pertencentes a um mesmo plano. 3.2.1. Operações com vetores: Os vetores se somam por métodos geométricos. 3.2.1.1. Método do polígono para a soma vetorial: Este método de achar o vetor resultante consiste em desenhar a escala e, a partir de um ponto qualquer, cada um dos vetores dados, de forma que a origem de um deles coincida com o extremo do anterior. A ordem em que se vão tomando os vetores é arbitrária. O comprimento do segmento que une o ponto de partida com o extremo do último vetor é o módulo tanto do vetor resultante como do vetor equilibran- te. O vetor resultante tem por origem o ponto de partida e por extremo o do último vetor, isto é, o vetor equilibrante tem por origem o extremo do último vetor e por extremo o ponto de partida. 34 B r A r C r V r 3.2.1.2. Método do paralelogramo para soma vetorial: A resultante de dois vetores cujas direções formam um ângulo qualquer entre si, se representa por um vetor cuja direção é a diagonal do paralelogramo forma- do com os vetores dados e cuja origem coincide com a origem comum de ambos indi- cando assim seu sentido. A r V r B r α⋅⋅⋅++== cosBA2BAVV 22 r Casos particulares: ângulos de 00, 900 e 1800. 3.2.1.3. Subtração de vetores: Para subtrair o vetor B r do vetor A r basta somar, geometricamente, o vetor A com o oposto a B r , isto é, A r – B r = A r + (– Br ). Para isto é possível utilizarmos tanto a regra do polígono como a regra do paralelogramo. Ex.: BAV rrr −= A r B r V r V r 3.2.1.4. Bases vetoriais: Dentre as infinitas bases ortogonais no plano, uma delas é particular- mente importante. Trata-se da base que determina o conhecido sistema cartesiano or- togonalxOy. Os vetores ortogonais e unitários, neste caso, são simbolizados por i r e jr , ambos com a origem em o e extremidades em (1,0) e (0,1) respectivamente. O vetor será V r = x i r +y jr que poderá ser representado por (x,y) par or- denado (expressão analítica do vetor ). Ex: V r = 3 i r -5 jr ou (3,-5). 35 3.3. Módulo de um vetor (Norma ou Comprimento): Seja kzjyixV rrrr ++= ou Vr = (x , y , z), então 222 zyxVV ++==r Onde V r ou V é o módulo do vetor. Pode-se interpretar geometricamente o resultado encontrado do módulo como sendo o valor do comprimento do vetor. 3.4. Vetor definido por dois pontos: Sendo A = (x1 , y1) e B = (x2 , y2) Então AB = B – A logo AB = (x2 , y2) – (x1 , y1) AB = (x2 – x1 , y2 – y1) isto é, as componen- tes de AB são obtidas subtraindo-se das coordenadas da extremidade B as coordenadas da origem A. 3.4.1. Distância entre dois pontos dist (A;B) = AB = 212212 )yy()xx( −+− 3.4.2. Paralelismo de dois vetores Dois vetores são paralelos se, e somente se, suas componentes forem proporcionais. Sendo A = (x1 ; y1) e B (x2 ; y2) a condição de paralelismo será == 2 1 2 1 y y x x constante. Exemplo: Seja ( )10,6u −=r e ( )5,3v −=r então, 2 5 10 3 6 −= − = − , logo v//u rr . y y2 B y1 A x1 x2 x 36 3.5. Ponto médio de um vetor: Seja A = (x1 , y1) e B = (x2 , y2) e M = (x , y) o ponto médio do vetor AB , então MBAM = . Como AM = (x – x1, y –y1) e MB = (x – x2 , y – y2), pode-se escrever que AM = MB = (x – x1 , y – y1) = (x – x2 , y – y2) Sendo assim pode-se definir: M = (x , y) = ( ) 2 yy,xx 2121 ++ 3.6. Produto Escalar entre vetores Produto escalar e “ vu rr • ” ou produto interno. Chama-se produto escalar dos vetores kzjyixu 111 rrrr ++= e kzjyixv 222 rrrr ++= como sendo o número real 212121 zzyyxxvu ⋅+⋅+⋅=⋅ rr Exemplos: 1) Seja k2j5i2u rrrr −+= e k4j2i3v rrrr ++= . Então, 8vu)4()2()2()5()2()3(vu =⋅∴⋅−+⋅+⋅=⋅ rrrr . 2) Seja k4i3u rrr += e k3j6i2v rrrr −+= . Então 6vu)3()4()6()0()3()2(vu −=⋅∴−⋅+⋅+⋅=⋅ rrrr Propriedades do Produto Escalar Decorrem da definição as seguintes propriedades: a) 2uu.u rrr = ; b) u.vv.u rrrr = ; c) w.uv.u)wv.(u rrrrrrr +=+ e w.vw.uw)v.u( rrrrrrr += ; d) )v.u()v..(uv).u.( rrrrrr α=α=α Ângulos entre Vetores v r vu rr − α u r Sendo ur e vr vetores diferentes de zero e α o ângulo entre eles, pode- mos constatar através de operações geométricas (lei dos cossenos e lei dos senos) 37 que α= cosv.uv.u rrrr com 0° ≤ α ≤ 180º, então o produto escalar entre dois vetores não nulos é igual ao produto de seus módulos pelo cosseno do ângulo formado entre eles Exemplo: Seja )2,5,2(u −=r e )4,2,3(v =r , determinar o ângulo entre ur e vr . Solução: α= cosv.uv.u rrrr 2 1 2 2 2 1212121 zyxzzyyxx ++=++ . α++ coszyx 22 2 2 2 2 α++−++=−++ cos.)4()2()3(.)2()5()2()4).(2()2).(5()3).(2( 222222 6+10-8 = αcos.29.33 957 8 cos)29).(33( 8 cos =α∴=α =α − 957 8 cos 1 α = 75° 46’ Exercícios propostos 1) Determine o ângulo entre os seguintes pares de vetores a) k3j2i3 rrr +− e k2j3i rrr ++ resp.= 80° 9’ 26” b) ji2 rr + e j2i4 rr − resp.= 53° 7’ 48” c) ji rr − e j2i4 rr −− resp.= 108° 26’ 5” d) k2ji2 rrr +− e k2j3i rrr ++ resp.= 74° 29’ 55” 2) Determinar os ângulos internos do triângulo cujos vértices são representados pe- los pontos A(0, 4, 1), B(2, 1, 3) e C(3, 3, 5) Resp. A ) = 36° 2’ 23” B ) = 90° C ) = 53° 57’ 36” Condição de Ortogonalidade de dois Vetores: Dois Vetores são Ortogonais se, e somente se, o produto escalar entre eles for 0. Então vu rr ⊥ se 0v.u =rr 38 Exemplo: Seja )2,3,2(u −−=r e )2,2,1(v =r , então 0462)2).(2()2).(3()1).(2(v.u =−+−=−++−=rr logo vu rr ⊥ . Exercícios propostos 1) Provar que os seguintes pares de vetores são ortogonais a) ir e kr b) k4j10i8u rrrr ++= e k6j4i2v rrrr +−= c) )4,4,0(u −−=r e )2,2,0(v −=r Ângulos Diretores e cossenos Diretores de um vetor. z u r γ k r β α jr y i r x Ângulos diretores de ur são os ângulos βα, e γ que ur forma com os ve- tores j,i rr e kr , respectivamente Cossenos diretores de vr são os cossenos de seus ângulos diretores, respectivamente, cosα , cosβ e cos γ . i.u i.u cos rr rr =α u x cos r=α j.u j.u cos rr rr =β u y cos r=β k.u k.u cos rr rr =γ u z cos r=γ então u )z,y,x()cos,cos,(cos u u rr r =γβα= 39 observe que os cossenos diretores são precisamente os componentes do versor de ur , e como o versor é um vetor unitário, tiramos γ+β+α 222 coscoscos Ex. 1) Seja k3j2i6u rrrr +−= então seus ângulos diretores são: ''78,931 7 6 cos o=α∴=α ''' 57,536106 7 2 cos o=β∴−=β ''' 233764 7 3 cos o=γ∴=γ 2) Os ângulos diretores de um vetor são oo 45,60 e .γ 1coscoscos 222 =γ+β+α 1cos45cos60cos 222 =γ++ oo logo o60=γ ou o120 Projeção Ortogonal de um Vetor sobre o Outro. Dados os vetores ur e vr não nulos e α o ângulo entre eles. Duas situações são possíveis, sendo α um ângulo agudo ou obtuso. v r v r α α Pv u r Pv u r O vetor projeção é dado por u uu uv vP r rr rr ⋅ • • = Exemplo: Determinar o vetor projetção de kji2v rrrr ++⋅= sobre kj2i3u rrrr −+⋅= . Solução: uv rr • = 2.(3) + 1.(2)+1.(– 1) = 7 uu rr • = (3)² + (2)² +(– 1)² = 14 u uu uv vP r rr rr ⋅ • • = = ( ) −=−⋅ 2 1 ,1, 2 31,2,3 14 7 40 3.7. Produto Vetorial entre vetores Produto Vetorial entre dois vetores kzjyixu 111 rrrr ++= e kzjyixv 222 rrrr ++= , aplicados nesta ordem e representados por vu rr × , que se lê, (ur vetorial vr ) o qual faremos uso de determinantes, teorema de Laplace ou regra de Sar- rus. k zy yxj zx zx i zy zy vu 22 11 22 11 22 11 rrrvr +−=× ou 222 111 zyx zyx kji vu rrr rr =× Estas maneiras práticas nos propiciam facilidades. Note que fazemos uso de determinantes apesar de não ser determinante, pois a primei- ra linha é formada por vetores e não escalares. Exemplo: Calcule vu rr × , sendo kj3i2u rrrr −+= e k6j5i4v rrrr +−= Solução − −=× 654 132 kji vu rrr rr a) Aplicando a regra de Sarrus j12i5k12j4k10i18vu rrrrrrrr −−−−−=× k22j16i13vu rrrrr −−=× b) Aplicando o teorema de Laplace k 54 32j 64 12 i 65 13 vu rrrrr − + − − − − =× ( ) ( ) ( ) k1210j412i518vu rrrrr −−+−−−=× k22j16i13vu rrrrr −−=× 41 Considerações sobre vu rr × 1º. ( )vuvu rrrr ×−=× o produtovetorial não é comutativo. 2º. vu rr × = 0 se, e somente se u r // v r . 3º. o vetor vu rr × é simultaneamente ortogonal a u r e v r . v r vu rr × u r Exemplo: Dados os vetores u r = ( 2,0,3 ) e vr = ( 0,1,4 ) provar que vu rr × é perpen- dicular aos vetores u r e v r . Solução ( )2,8,3 410 302 kji vu −−==× rrr rr então: ( ) ( ) ( ) 06063,0,22,8,3uvu =++−=⋅−−=⋅× rrr ( ) ( ) ( ) 08804,1,02,8,3vvu =+−=⋅−−=⋅× rrr Módulo do Produto Vetorial Quaisquer que sejam os vetores não nulos ur e vr , obtém-se através de igualdades algébricas, θ⋅⋅=× senvuvu rrrr . Onde θ é o ângulo entre os vetores u r e v r . v r θ u r 42 Interpretação Geométrica do módulo do Produto Vetorial. Dado o paralelogramo definido pelos vetores u r e v r v r h θ u r A área deste paralelogramo é dada por Área = (base) (altura) no caso a base é u r e a altura h é θ⋅ senv r , então: Área = vusenvu rrrr ×=θ⋅⋅ logo “o módulo do produto vetorial é numeri- camente igual a área do paralelogramo determinado pelos vetores u r e v r . Exemplo: Calcule a área do paralelogramo definido pelos vetores k4j3i2u rrrr −+= e kjiv rrrr −−= . Solução: Área = vu rr × k5j2i7 111 432 kji vu rrr rrr rr −−−= −− −=× Área = |(– 7, – 2, – 5)| = ( ) ( ) ( )222 527 −+−+− = 78 Exercícios de Fixação: 1) Calcule a área do triângulo cujos vértices são os pontos A(3,2,1); B(3,3,2) e C(3,2,2). Resposta: A = 0,5 2) Determine os ângulos internos do triângulo cujos vértices são os pontos A(1,2,1), B(5,1,3) e C(3,0,4). Resposta: =Aˆ 32º 8’ 1’’ ; =Bˆ 63º 32’ 55’’ ; =Cˆ 84º 19’ 4’’ 43 3) Determine a área do paralelogramo formado pelos pontos A(2,4,1), B(4,5,3), C(3,3,4) e D(1,2,2). Resposta: 25 4) Calcule a área do paralelogramo definido pelos vetores ur = (2,0,-5) e vr = (0,-1,4). 5) Determinar um vetor de módulo 5 ortogonal a ur = (2,4,6) e vr = (2,4,4). Resposta: ( )0,5,52v −=r ou ( )0,5,52v −=r 6) Dados os vetores ur = (2,0,-2) e vr = (3,1,0), calcular: a) A área do paralelogramo determinado por ur e vr ; b) A altura do paralelogramo relativo à base definida pelo vetor ur . Resposta: a) ± 6 , 63 ; b) 2 , 34 7) Calcule a distância do ponto P(4,2,–2) à reta que passa por dois pontos distintos A(2,1,1) e B(3,–1,0). Resposta : 3 , 54 8) Calcule a área do paralelogramo definido pelos vetores ur = (2,3,1) e vr = (1,5,-3). Resposta: 17 , 15 3.8. Produto Misto entre vetores O produto misto entre três vetores v,u rr e wr , é dado utilizando o produto escalar e o produto vetorial. Sendo os vetores kzjyixu 111 rrrr ++= , kzjyixv 222 rrrr ++= e kzjyixw 333 rrrr ++= definimos o produto misto e indicamos como )).(()),.(( wvuwvu rrrrrr ×× ou simplesmente ( )w,v,u rrr . Então: ( ) ( ) 333 222 111 333 222111 zyx zyx zyx zyx zyx kji .z,y,xwv.u ==× rrr rrr Exemplo: Calcular o produto misto entre os vetores ( ) ( )2,3,5v,4,0,6u == rr e ( )5,0,6w =r . 44 Solução: ( ) 18 506 235 406 w,v,u == rrr Obs: O produto misto é uma determinante e para tanto as suas propriedades são váli- das, porém algumas não possuem sentido como por exemplo, adicionar uma fila à ou- tra. Se dois dos vetores forem paralelos o produto misto é zero, pois os ve- tores são coplanares. Exemplo: Verificar se os vetores ki3u rrr −= , k2ji5v rrrr ++= e k4ji5w rrrr ++= são coplanares. Solução: ( ) 6 415 215 103 w,v,u = − = rrr Como 6 0≠ os vetores não são coplanares. Interpretação Geométrica do módulo do Produto Misto. Sua principal aplicação é na Geometria, pois o valor absoluto do Produto Misto é o vo- lume do paralelepípedo formado pelos vetores não-coplanares. Volume = (área da base) . (altura) θ×= cos.w.vuV rrr θ w r h vr ( )vu.wV rrr ×= ( )w,v,uV rrr= u r Exemplo. 45 Qual o volume do paralelepípedo determinado pelos vetores kji3wek2jiv,kj5i2u rrrrrrrrrrrr +−=++−=++= Solução: ( ) 39 113 211 152 w,v,uv = − −== rrr Exercícios de fixação: 1) Determinar o volume do paralelepípedo definido pelos vetores ( ) ( ) ( )5,1,2we4,1,5v,3,1,4u −=== rrr resp. = 6 2) Calcule o volume do paralelepípedo definido pelos vetores a) ( ) ( ) ( )0,2,1we1,0,1v,2,3,0u === rrr resp = 7 b) ( ) ( ) ( )0,3,1we1,0,2v,1,1,1u =−== rrr resp = 5 3) Dados os vetores ( ) ( ) ( )3,k,2we0,3,2v,2,4,5u === rrr , calcular o valor de k para que o volume determinado pelos vetores wevu rrr, seja 5 unidades de volume. Resp. = 1k ± ou 2 7 − 4) Verificar se os vetores são coplanares a) ( ) ( ) ( )2,1,1we3,2,2v,3,1,1u ==−= rrr resp sim b) ( ) ( ) ( )4,1,2we7,6,5v,3,0,1u −=== rrr resp não 5) Calcular a distância do ponto D(2, 5, 2) ao plano determinado pelos pontos A(3, 0,0), B(0, -3, 0) e C(0, 0, 3). Resp. = 2,31 6) Calcular o volume do tetraedro ABCD cujos lados são ( ) ( ) ( )0,0,4DAe1,1,0CA,0,1,1BA −=== rrr resp = 3 2 7) Calcular o volume e a altura do paralelepípedo formado pelos vetores ( ) ( ) ( )1,1,2we0,1,0v,0,2,2u −−−==−= rrr relativa à base determinada pelos vetores veu rr resp. v = 2 h = 1 8) Representar graficamente o tetraedro ABCD e calcular seu volume, dados A(1, 1, 0), B(6, 4, 1), C(2, 5, 0) e D(0, 3, 3). resp. = 9,5
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