Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
NOTAS DE AULA Geometria Analítica e Álgebra Linear Capítulo 2 Professor: Luiz Fernando Nunes Geometria Analítica e Álgebra Linear ii Índice 2 Vetores .................................................................................................................. 2-1 2.1 Definições ...................................................................................................... 2-1 2.2 Operações com vetores .................................................................................. 2-3 2.2.1 Adição ...................................................................................................... 2-3 2.2.2 Multiplicação de número real por vetor ................................................... 2-5 2.2.3 Produto escalar ou produto interno ........................................................ 2-10 2.2.4 Produto vetorial ou produto externo ...................................................... 2-12 2.2.5 Produto misto ......................................................................................... 2-16 2.3 Exercícios sobre vetores .............................................................................. 2-18 2.4 Referências Bibliográficas ........................................................................... 2-19 Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-1 2 Vetores 2.1 Definições Definição 1 Um segmento orientado é um par ordenado BA, de pontos do espaço. A é dito origem, e B extremidade do segmento orientado. Os segmentos orientados da forma AA, são ditos nulos. Observe que se BA então ABBA ,, . Definição 2 Dizemos que os segmentos orientados BA, e DC, têm o mesmo comprimento se os segmentos geométricos AB e CD têm o mesmo comprimento. Supondo BA, e DC, não nulos, então dizemos que BA, e DC, têm mesma direção se AB // CD. Neste caso BA, e DC, são paralelos. Supondo que BA, e DC, têm mesma direção, então: a) Se as retas AB e CD são distintas, dizemos que BA, e DC, têm mesmo sentido caso os segmentos AC e BD tenham interseção vazia. Caso BDAC , dizemos que BA, e DC, têm sentido contrário. b) Se as retas AB e CD coincidem, tome ´´,BA tal que A´ não pertença à reta AB e ´´,BA tenha mesma direção e mesmo sentido que BA, . Então dizemos que dizemos que BA, e DC, têm mesmo sentido se ´´,BA e DC, têm mesmo sentido. Se não, dizemos que BA, e DC, têm sentido contrário. Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-2 Verifique que BA, e AB, têm mesmo comprimento, mesma direção e sentido contrário, sendo BA . Definição 3 Dizemos que os segmentos orientados BA, e DC, são eqüipolentes, e indica-se BA, ~ DC, , se um dos casos seguintes ocorrer: a) ambos são nulos; b) nenhum é nulo, e têm mesmo comprimento, mesma direção e mesmo sentido. Definição 4 Um vetor é uma classe de segmentos eqüipolentes. Nas figuras, as flechas representam um mesmo vetor, o qual será indicado por AB , ´´ AB , ou ´´´´ AB , de modo que AB = ´´ AB = ´´´´ AB . Costuma-se indicar AB também por AB , ou então por uma letra latina minúscula com uma flecha em cima, como u . Desta forma temos que ABu AB . Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-3 Observações: O tamanho (intensidade ou comprimento) de um vetor u é indicado por u e chama-se norma de u . Se 1u dizemos que o vetor é unitário. Alguns autores utilizam para a norma de u a notação u . O vetor BA é chamado de vetor oposto do vetor AB . Assim, AB e BA só diferem entre si no sentido (se BA ). O vetor oposto do vetor AB é indicado também por AB ; o vetor oposto de u é u . O vetor nulo pode ser representado por AAAA 0 . Tem-se ainda que 00 e 00 . Se u e v tem mesma direção, dizemos que eles são vetores paralelos e indicamos por u // v . Dizemos que u e v são ortogonais, se uma flecha que representa u faz ângulo reto com uma flecha que representa v . Notação u v . 2.2 Operações com vetores 2.2.1 Adição Sejam os vetores ABu e BCv , então ACBCABvu Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-4 Propriedades da adição de vetores (A1) Propriedade Associativa: wvuwvu (A2) Propriedade Comutativa: uvvu (A3) Elemento Neutro: uuu 00 (A4) Elemento Oposto: 0 uu Ilustração da propriedade associativa (A1): Exemplos 1. Encontre o vetor soma dos vetores destacados nas figuras que seguem: ABDBCDAC ABEBDECDAC Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-5 0 ABEADECDBC Observação: Podemos também definir a diferença entre vetores como: vuvu Exemplo 2. Dados os vetores u e v destacados no paralelepípedo que segue, identifique na figura um representante para o vetor vu : 2.2.2 Multiplicação de número real por vetor Dado um vetor v e um número real , definimos o vetor v , como: Se 0 ou 0 v , então 0 v ; Se 0 e 0 v , então v é o vetor tal que: v é paralelo a v ; v e v tem mesmo sentido se 0 ; Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-6 v e v tem sentido contrário se 0 ; A norma de v é vv . Exemplos 3. Na sequência são apresentados alguns casos de produto de vetor por número real: a) Para 02 : b) Para 02 : c) Para 0 3 1 Proposição Se u e v são paralelos e 0 u , existe tal que uv . Exemplos 4. Sejam u e v paralelos, 30u e 50v . Sendo uv , determine nos casos: a) u e v têm mesmo sentido. b) u e v têm sentido contrário. uv uuv 3 5 u v . Logo 3 5 . Assim, u e v têm mesmo sentido se 3 5 , e u e v tem sentido contrário se 3 5 . Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-7 5. É dado um vetor 0 u . Determine um vetor v de tamanho 3, paralelo a u e de mesmo sentido que ele. Então temos que uv , com 0 . uv uuv uu v 3 . Como 0 , temos que u 3 . Substituindo este valor de em uv , obtemos: u u u u vuv 33 Logo u u v 3 Definição Dado um vetor 0 u , chama-se versor do vetor u , um vetor unitário, paralelo e de mesmo sentido que u . Exemplo 6. Dado um vetor 0 u , mostre que o versor de u é u u . Chamando de v ao versor de u , temos que uv , com 0 . uv uuv uu v 1 . Como 0 , temos que u 1 . Substituindo este valor de em uv , obtemos: u u u u vuv 1 Logo u u v . Propriedades da multiplicação de número real por vetor (M1) vuvu (M2) vvv (M3) vv 1 (M4) vvv Definição Sejam nvvvv ,.....,,, 321 vetores do 3 , 1n e n ,.....,,, 321 . Chama-se combinação linear dos vetores nvvvv ,.....,,, 321 , com coeficientes n ,.....,,, 321 , ao vetor: nn vvvvv .....332211 . Geometria Analíticae Álgebra Linear 2-8 Definição Uma base do 3 é uma tripla ordenada de vetores 321 ,, eee do 3 , tais que não existe nenhum plano paralelo simultaneamente aos vetores 321 e, eee . Proposição Dado um vetor qualquer 3v , existe uma única tripla ordenada 321 ,, , tal que 332211 eeev . Assim, na figura anterior temos: 11 eOR , 22 eOS e 33 eOT Sendo 321 ,, eeeE uma base do 3 , escreve-se: 332211 eeeOPv = E321 ,, . 7. Sendo Eu 4,1,1 e Ev 5,3,1 , calcule: vu 32 , na base 321 ,, eeeE . vu 32 = EEEEE 7,7,515,9,38,2,25,3,134,1,12 Ou seja, vu 32 = 321 775 eee . 8. Sendo Eu 1,4,1 e E bav 2 1 ,, e Ecacw 2,,1 , e sabendo que uwv 2 , calcule os valores de a, b e c. Resposta: a= 1 , b=2 e c=0 Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-9 Proposição Seja 321 ,, eeeE uma base do 3 . Dados os vetores 321 e, fff , podemos escrever: 3213 3212 3211 eteserf epenemf ecebeaf . Então 321 ,, fff é uma base, se e somente se: 0det tsr pnm cba . 9. Sendo E uma base, verifique se 321 ,, fff é uma base nos casos: a) Ef 2,1,01 , Ef 4,0,02 e Ef 5,1,13 Resposta: Sim. b) Ef 3,2,01 , Ef 2,1,12 e Ef 7,7,13 Resposta: Não. Definição Uma base 321 ,, eeeE é ortonormal se 321 e, eee são versores, dois a dois ortogonais. ( 1321 eee ). Proposição Seja 321 ,, eeeE uma base ortonormal. Se 332211 eeev , então: 2 3 2 2 2 1 v . 10. Seja 321 ,, eeeE uma base ortonormal. Sendo Eu 2,1,0 e Ev 6,4,2 , calcule: a) u Resposta: 5 b) v Resposta: 56 c) vu Resposta: 45 d) vu 2 Resposta: 261 e) vu 2 1 Resposta: 27 Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-10 2.2.3 Produto escalar ou produto interno Sendo u e v vetores, definimos o número real vu , do seguinte modo: i) Se 0 u ou 0 v , então 0vu (zero) ii) Se 0 u e 0 v , então cosvuvu , onde é o ângulo convexo entre os vetores u e v . ( 0 ). 11. Se 0vu , pode-se concluir que 0 u ou 0 v ? Não! Pois, 0 vuvu . Proposição Se E u 321 ,, e E v 321 ,, e 321 ,, eeeE é uma base ortonormal, então: 332211 vu . Demonstração Da Lei dos Cossenos temos que: cos2 222 vuvuQP = vu 2232221232221 ( I ) Mas temos também que: 2 332211 22 ,, vuQP = 233 2 22 2 11 332211232221232221 2 ( II ) Igualando ( I ) com ( II ), obtemos: vu 2232221232221 = 332211232221232221 2 Logo concluímos que 332211 vu . Observação Seja 321 ,, eeeE uma base ortonormal. Se 332211 eeeu , então: 2 3 2 2 2 1 u uu 2 uuu Assim, uuu 2 uuu . Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-11 12. Seja 321 ,, eeeE uma base ortonormal. Sendo Eu 5,1,1 e Ev 1,4,2 , calcule: a) vu 7154121 vu b) u 27551111 u c) v 21114422 v d) o ângulo entre u e v cosvuvu cos21277 2127 7 cos arc 13. Seja 321 ,, eeeE uma base ortonormal. Sendo Eu 1,4,1 e Ev 8,1,0 , calcule: a) uvu 2 Resposta: 32 b) vuvu Resposta: 47 14. Seja 321 ,, eeeE uma base ortonormal. Sendo Eu 0,1,3 e Ev 0,32,2 , calcule o ângulo convexo entre os vetores u e v . Resposta: 6 rad Propriedades do produto escalar (PE1) wuvuwvu e wvwuwvu (PE2) vuvuvu (PE3) uvvu (PE4) 0uu ; 00 uuu 15. Prove: a) 222 2 vvuuvu Lembrando que uuu 2 uuu , temos que: vvvuuuvuvuvu 2 2 22 2 vvuu b) 222 2 vvuuvu . Analogamente, temos: vvvuuuvuvuvu 2 2 22 2 vvuu c) vuvu (Desigualdade de Schwarz) cosvuvu cosvuvu vuvu cos Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-12 d) vuvu (Desigualdade Triangular) 222 2 vvuuvu 22 2 vvuu 22 2 vvuu 2 vu 2 vu 2 vu vuvu 2.2.4 Produto vetorial ou produto externo Se u // v , então, por definição o produto vetorial (ou produto externo) de u por v é o vetor nulo. Notação: 0 vu ou 0 vu . Se u e v não são paralelos, então vu é um vetor com as seguintes características: a) senvuvu ; onde é o ângulo entre os vetores u e v . b) vu é ortogonal a u e a v ; c) o sentido de vu pode ser dado pela regra da mão direita: Assim, nas figuras que seguem tem-se: wvu e wuv A regra da mão direita pode ser melhor observada nas figuras que seguem, onde o polegar indica o sentido do vetor oriundo do produto vetorial: Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-13 Observação Se 321 ,, eeeE é uma base ortonormal, então 321 eee ou 321 eee . Temos ainda que 1111 2 sen2121 eeee Definição Uma base ortonormal chama-se dextrógira se 321 eee e levógira se 321 eee . Observação Se kjiE ,, é uma base ortonormal dextrógira, então temos que: kji jik ikj jki ijk 0 ii , etc. Exemplo 16. Apresente os vetores kji e, na base kjiE ,, . Resposta: Ei 0,0,1 , Ej 0,1,0 e Ek 1,0,0 Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-14 Propriedades do produto vetorial (PV1) wuvuwvu ou wvwuwvu (PV2) vuvuvu (PV3) uvvu Proposição Se kjiE ,, é uma base ortonormal dextrógira, e se Ecbau ,, e Epnmv ,, , então: pnm cba kji vu det . Demonstração: vu kpjnimkcjbia kiapjianiiam kjbpjjbnijbm kkcpjkcnikcm icnjcmibpkbmjapkan kbmanjcmapicnbp k nm ba j pm ca i pn cb detdetdet pnm cba kji det Exemplos 17. Sendo kjiE ,, uma base ortonormal dextrógira, Eu 3,1,1 e Ev 4,1,1 , calcule vu : kji kji vu 27 411 311det . 18. Sendo kjiE ,, uma base ortonormal dextrógira, calcule vu nos seguintes casos: a) Eu 0,1,2 e Ev 2,3,1 Resposta: E7,4,2 b) Eu 1,1,2 e Ev 4,5,2 Resposta: E8,10,9 Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-15 19. Obtenhax tal que kjx e 5x , sendo kjiE ,, uma base ortonormal dextrógira. Resolução: kcjbiax jx kcba kji 010 det kicka a = 1 e c = 0. Mas 5x 522 ba 51 22 b 51 22 b 2 b Logo jix 2 20. Obtenha x tal que 0 jix e kikix 2 1 2 , sendo kjiE ,, uma base ortonormal dextrógira. Resolução: kcjbiax 0 jix bacba 0011 kikix 2 1 2 201 det caa kji ki 2 1 kajacia 22 ki 2 1 2 1 12 aa 10 2 1 202 ccac Logo kjix 2 1 2 1 21. Obtenha x tal que ux , vx e 10x , sabendo que kjivu 224 , sendo kjiE ,, uma base ortonormal dextrógira. Resolução: 52241 222 vu Sabemos que vux vux 2510 Logo x kjivu 22422 = E24,8,2 Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-16 22. Obtenha x tal que Ex 1,1,1 , Ex 3,1,2 e 6x , sendo kjiE ,, uma base ortonormal dextrógira. Resposta: E1,1,2 Interpretação geométrica do produto vetorial Assim, a área do paralelogramo que tem veu como lados é a norma do produto vetorial destes vetores, isto é vuS . 2.2.5 Produto misto Dados os vetores u , v e w , o produto misto destes 3 vetores é um número real representado por wvu ou wvu ,, . (Efetua-se primeiro o produto vetorial) Nulidade do produto misto Dados os vetores u , v e w , o produto misto destes 3 vetores wvu = 0 se: i) Pelo menos um destes vetores for nulo; ou ii) u // v (pois neste caso 0 vu ), ou iii) Os três vetores são coplanares. Proposição Se kjiE ,, é uma base ortonormal dextrógira, e se Ecbau ,, , Epnmv ,, e Etsrw ,, , então: wvu tsr pnm cba det . Demonstração: Sabemos que pnm cba kji vu det = k nm ba j pm ca i pn cb detdetdet Logo vu E nm ba pm ca pn cb det,det,det . Então Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-17 wvu = t nm ba s pm ca r pn cb detdetdet tsr pnm cba det 23. Calcule o produto misto dos vetores Eu 1,2,1 , Ev 1,0,1 e Ew 3,2,1 , sendo kjiE ,, é uma base ortonormal dextrógira. Resolução: wvu tsr pnm cba det 4 321 101 121 det Propriedades do produto misto (PM1) wvuwvuwvuu ,,,,,, 2121 wvuwvuwvvu ,,,,,, 2121 2121 ,,,,,, wvuwvuwwvu (PM2) wvuwvuwvuwvu ,,,,,,,, (PM3) O produto misto wvu ,, muda de sinal permutando-se dois vetores: uwvwuvwvu ,,,,,, vuwuvwwvu ,,,,,, vuwvwuwvu ,,,,,, (PM4) O produto misto não se altera se permutarmos os símbolos e wvu = wvu Interpretação geométrica do produto misto Assim, o volume do sólido do paralelepípedo da figura anterior é coswvuV = wvu 24. Calcule o volume do paralelepípedo determinado pelos vetores Eu 4,1,2 , Ev 3,1,2 e Ew 1,4,5 , sendo kjiE ,, é uma base ortonormal dextrógira. Resposta: V= 39 Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-18 2.3 Exercícios sobre vetores Considere em todos estes exercícios kjiE ,, uma base ortonormal dextrógira. 25. Determine x, sabendo que os vetores são paralelos, nos casos: a) Eu 10,3,1 , Exv 20,,2 b) Exu ,2,0 , Ev 6,3,0 c) kjiu 32 e kjixv 39 26. Calcular a para que os vetores sejam coplanares, nos casos: a) Eu 0,3,1 , Ev 14,1,2 e Eaw ,4,3 Resposta: a = 14 b) jiau 3 , kjav e kjiw Resposta: 2 131 a 27. Dados iu 2 , kjiv e kjiw 662 , escrever, se possível, w como combinação linear de u e v . Resposta: vuw 64 28. Dados Eu 0,0,2 , Ev 1,1,1 e Ew 2,6,2 , escrever, se possível, w como combinação linear de u e v . Resposta: É impossível, pois estes três vetores não são coplanares. 29. Sendo wvu e, coplanares, 2u , 3v , 4w e o ângulo entre os vetores vu e é de 2 radianos, ache: a) vu Resposta: 13 b) o versor de vu Resposta: 13 vu c) vuvu Resposta: 5 30. Determinar o ângulo entre os vetores vu e , sabendo-se que 0 wvu , 2u , 3v , 4w . Resposta: 4 1 cosarc 31. Seja um paralelogramo construído sobre os vetores vu e . Determinar o ângulo entre as diagonais deste paralelogramo, sabendo-se que: 3u , 1v e o ângulo entre os vetores vu e é de 6 radianos. Resposta: 7 72 cosarc 32. Sabendo que Ev 1,1,1 , calcular o(s) vetor(es) Eu ,, , que satisfaçam simultaneamente as 3 condições abaixo: a) iu b) 0vu c) 63 vu Resposta: Eu 3,3,0 Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-19 33. Determinar a área do paralelogramo construído sobre vu e , cujas diagonais são: Evu 5,3,0 e Evu 1,1,2 . Resposta: 35 34. Determinar vetorialmente o ângulo formado por duas diagonais de um cubo. Resposta: 70 3 1 cosarc 35. (Importante !) Expresse vetorialmente a projeção de um vetor v sobre um vetor u . Resposta: u u uv vproju 2 2.4 Referências Bibliográficas 1. BARSOTTI, Leo. Geometria Analítica e Vetores. 3.a Edição. Curitiba: Artes Gráficas e Editora Unificado, 1984. 2. BOULOS, Paulo, CAMARGO, Ivan de. Geometria Analítica – Um tratamento Vetorial. São Paulo: Makron Books do Brasil Editora Ltda, 1987. 3. BOULOS, Paulo, CAMARGO, Ivan de. Introdução à Geometria Analítica no Espaço. São Paulo: Makron Books do Brasil Editora Ltda, 1997. 4. VENTURI, Jacir J. Sistemas de Coordenadas e Álgebra Vetorial. Curitiba: Artes Gráficas e Editora Unificado, 1987.
Compartilhar