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16 CÁLCULO VETORIAL E GEOMETRIA ANALÍTICA CAPÍTULO 2 VETORES NO PLANO E NO ESPAÇO 1 Vetores no plano O plano, também chamado de ℜ2, simbolicamente escrevemos: }yex),y,x{(x2 ℜ∈∀=ℜℜ=ℜ , é o conjunto de todos os pares ordenados de números reais. Ele é representado através do sistema de coordenadas cartesianas, o qual é constituído por dois eixos perpendiculares entre si, cuja interseção é o par ordenado O(0,0), chamado de origem do sistema. Esses eixos são denotados por Ox (eixo das abscissas) e Oy (eixo das ordenadas) e ambos chamados de eixos coordenados, orientados como mostra a figura abaixo. Todo ponto P do plano é representado como na figura acima, onde x e y são as suas coordenadas, respectivamente em relação aos eixos Ox e Oy. Na representação de um ponto do plano, dentro do par ordenado a coordenada x é sempre a primeira e y a segunda coordenada, assim, P(x,y). Note que os eixos coordenados dividem o plano em 4 regiões iguais (I, II, III e IV), cada uma delas chamadas de quadrante. O que distingue um quadrante do outro são os sinais das coordenadas (x,y) de um ponto qualquer do 2ℜ . Assim: - Se (x,y) pertence ao I quadrante, então x>0 e y>0. Simbolicamente: (+,+); - Se (x,y) pertence ao II quadrante, então x<0 e y>0. Simbolicamente: (-,+); - Se (x,y) pertence ao III quadrante, então x<0 e y<0. Simbolicamente: (-,-); - Se (x,y) pertence ao e IV quadrante, então x>0 e y<0. Simbolicamente (+,-). y x P(x,y) (0,0) (–) (–) Oy (+) (+) Ox I II IV III 17 Qualquer vetor do ℜ2 pode ser escrito em função de dois versores jei �� , com 1|j||i| == �� , cada um deles situados sobre os eixos coordenados Ox e Oy, respectivamente, como mostra a figura abaixo. Futuramente o conjunto dos versores { }j,i �� será chamado de uma base do ℜ2. Pela figura acima, podemos ver que jyixv �� � += , ou seja, o vetor v � é escrito em função da base { }j,i �� . A expressão jyixv ��� += é chamada de expressão cartesiana de um vetor do ℜ2 e seu módulo é determinado por 22 yx|v| += � . Todo vetor do plano será representado a partir da origem do sistema, ou seja, a origem do vetor coincide com a origem do sistema e sua extremidade coincide com algum ponto P(x,y), do mesmo plano. Assim podemos identificar um vetor com um ponto do plano e simplesmente escrever que )y,x(v = � . Por exemplo: Para o vetor ji3v �� � −= podemos escrever )1,3(v −= � e representá- lo no ℜ2, marcando o ponto P(3,-1) e unindo este ponto à origem do sistema, sempre fazendo coincidir a origem do vetor com a origem do sistema e a extremidade do vetor com o ponto P(3,-1), como mostra a figura abaixo: 1.1 Operações com vetores do ℜℜℜℜ2 na forma cartesiana Sejam jyixvejyixv 222111 �� � �� � +=+= dois vetores quaisquer do ℜ2 e um escalar qualquer ℜ∈α . Então: - Adição: j)yy(i)xx(vv 212121 �� �� +++=+ - Subtração: j)yy(i)xx(vv 212121 �� �� −+−=− - Multiplicação por escalar: j)y(i)x(v 111 �� � α+α=⋅α v � -1 3 P(3,-1) y x O j � jy � i � ix � v � y x P(x,y) Oy Ox 18 Exemplo (1): Sejam iweji3v,j4i2u � � � � �� � =+−=+= . Determine o módulo do vetor w2v3u 2 1 R ��� +−= . Solução: Considerando as coordenadas dos vetores para simplificar a notação vem: )0,1(we)1,3(v,)4,2(u =−== ��� . Vamos primeiro determinar o vetor R . )1,12()032,291()0,2()3,9()2,1()0,1(2)1,3(3)4,2( 2 1 R −=+−++=+−−=+−−= Logo, ji12R �� −= . Portanto, 1451144)1(12|R| 22 =+=−+= 1.2 Cossenos diretores de um vetor Seja jyixv �� � += um vetor qualquer do ℜ2. Então v� forma um ângulo com cada eixo coordenado. Sejam α e β os ângulos que o vetor v� forma com os eixos Ox e Oy, respectivamente. Pela figura abaixo temos: |v| x )cos( �=α e |v| y )cos( �=β , chamados cossenos diretores do vetor .v � Note que: 1)(cos)(cos 22 =β+α , pois: 1 |v| y |v| x 22 = + �� e 222 yx|v| += � , então 22 yx|v| += � . Definição: Considere o vetor jyixv �� � += . Então o versor do vetor v � , denotado por ov � , é um vetor paralelo, de mesmo sentido de v � e unitário, ou seja, 1vo = � , definido por |v| v vo � � � = . Como jyixv �� � += ⇒ )y,x(v = � ⇒ =⋅= |v| y , |v| x )y,x( |v| 1 vo ��� � ⇒ )cos,(cosvo βα= � . Exemplo (2): Dados os pontos A(2,4) e B(-1,3), determine: a) Os cossenos diretores do vetor AB . b) Um vetor w � de módulo 40 e paralelo ao vetor AB . Solução: a) )1,3()4,2()3,1(ABAB −−=−−=−= , 10)1()3(|AB| 22 =−+−= . Então: 10 1 |AB| y )cos(e 10 3 |AB| x )cos( − ==β−==α α β O v � y x P(x,y) Oy Ox 19 b) Seja )y,x(w = � . Se w � é paralelo ao vetor AB , então existe um escalar ℜ∈m tal que: ABmw ⋅= � . Então: −= −= =−−⋅= my m3x )1,3(m)y,x( . Por outro lado 40|w| = � , então: 40yx 22 =+ ⇒ ( )2222 40yx = + ⇒ 40yx 22 =+ ⇒ 40)m()m3( 22 =−+− ⇒ 2m40m10 2 ±=⇒= . Assim, há duas soluções: para m = 2 ⇒ )2,6(w −−= � ou para m = -2 ⇒ )2,6(w = � o seu oposto. Logo, )2,6(w −−= � ou )2,6(w = � . Exemplo (3): Sejam )1m2,2(we)m,m3(v −−=+= �� . Determine os valores de m para que o vetor wv �� − tenha módulo igual a 6. Solução: )1m,5m()1m2,2()m,m3(wv +−+=−−−+=− �� 626m8m2)1m()5m(|wv| 222 =++=+−++=− �� 05m4m626m8m2 22 2 2 =−+⇒= ++ ⇒ −= = 5m 1m 2 1 Logo para −−=−−=⇒−= −==⇒= )11,2(we)5,2(v5m )1,2(we)1,4(v1m 2 1 �� �� Exemplo (4): Seja )4,3(v = � . Ao projetarmos o vetor v � sobre o eixo Ox, obtemos um vetor u � . Determine o vetor w � que é a projeção do vetor u � na direção do vetor v � . Solução: Temos que )0,3(u = � e w � é paralelo ao vetor v � . Então vw �� α= . Seja )y,x(w = � . Então: α= α= ⇒α== 4y 3x )4,3()y,x(w � . Por construção temos: 5 9 |w| |v| |u| |u| |w| cos =⇒==θ � � � � � . Mas ⇒α+α=+= 2222 )4()3(yx|w| � 25 9 5 9 25 5 9 )4()3(|w| 222 =α⇒=α⇒=α+α= � Portanto: =⇒== 25 36 , 25 27 w)4,3( 25 9 )y,x(w �� y θ x 4 3 u � w � v � 20 Exercícios Propostos: 1) Dados os vetores )3,4(ue)4,2(v −== �� , determine os vetores bea � � sabendo que bav � �� += e que b � é o triplo do versor do vetor u � . Resp: = −= 5 11 , 5 22 ae 5 9 , 5 12 b � � 2) Determine t para que )t2,t(u = � tenha módulo igual a 53 . Resp: t = ± 3 3) O vetor )8,2(v = � é a soma de um vetor a � que está sobre o eixo Ox com um vetor b � , cujo módulo é 73 . Determine as possibilidades para os vetores a � e b � . Resp: −== =−= )8,3(be)0,5(a ou)8,3(be)0,1(a � � � � 4) Três pontos do plano A(1,3), B(5,1) e C(2,7), determinam um triângulo ABC. a) Mostre que 0BACBAC =++ . b) Determine o perímetro do triângulo ABC.Resp: 5517p2 += 5) Sejam A, B, C e D, vértices de um paralelogramo ABCD. Sendo A(-1,0) e )4,3(BDe)4,7(AC −== suas diagonais, determine os outros vértices B, C e D. Resp: B(1,4), C(6,4) e D(4,0) 2 Vetores no espaço O espaço, também chamado de 3ℜ , onde ℜ×ℜ×ℜ=ℜ3 , é o conjunto de todas as ternas (x,y,z) que, simbolicamente escrevemos { }ℜ∈=ℜ z,y,x/)z,y,x(3 . Logo, todo ponto P do 3ℜ é representado por uma terna de números reais P(x,y,z). O 3ℜ é representado através do sistema de coordenadas cartesianas, o qual é constituído por três eixos perpendiculares entre si, cuja interseção é a terna O(0,0,0), chamada de origem do sistema. Esses eixos são denotados por Ox (eixo das abscissas), Oy (eixo das ordenadas) e Oz (eixo das cotas), ambos chamados de eixos coordenados, orientados como mostra a figura abaixo. (–) (–) (–) (+) (+) (+) Oy Oz Ox 21 Note que os eixos coordenados dividem o espaço e 8 regiões iguais, cada uma delas chamadas de octantes. O que distingue um octante do outro são os sinais das coordenadas (x,y,z) de um ponto qualquer do 3ℜ . Assim: - Se (x,y,z) pertence ao 1º octante, então x>0, y>0 e z>0. Em símbolos: (+,+,+); - Se (x,y,z) pertence ao 2º octante, então x<0, y>0 e z>0. Em símbolos: (–,+,+); - Se (x,y,z) pertence ao 3º octante, então x<0, y<0 e z>0. Em símbolos: (–,–,+); - Se (x,y,z) pertence ao 4º octante, então x>0, y<0 e z>0. Em símbolos: (+,–,+); - Se (x,y,z) pertence ao 5º octante, então x>0, y>0 e z<0. Em símbolos: (+,+,–); - Se (x,y,z) pertence ao 6º octante, então x<0, y>0 e z<0. Em símbolos: (–,+,–); - Se (x,y,z) pertence ao 7º octante, então x<0, y<0 e z<0. Em símbolos: (–,–,–); - Se (x,y,z) pertence ao 8º octante, então x>0, y<0 e z<0. Em símbolos: (+,–,–). Apesar do 3ℜ ter a representação como acima, para fins de simplificar a representação ou a construção geométrica de algo, por convenção, adota-se uma representação simplificada do 3ℜ , representando apenas um ou o octante desejado. Todo ponto P(x,y,z) do espaço é representado como na figura abaixo, onde x, y e z são as suas coordenadas, respectivamente em relação aos eixos Ox, Oy e Oz e esta ordem esta fixada. Suponhamos que desejamos representar os pontos P(3,5,6) e Q(-3,5,6). Note que P pertence ao 1º octante e Q pertence ao 2º octante. A representação do ponto P(3,5,6) é relativamente simples quando trabalhamos com o 1º octante, o que não ocorre com a representação do ponto Q(-3,5,6). As representações no 2º ao 8º octantes são complicadas, exigem técnicas do desenho Oz 3 Ox 6 5 P(3,5,6) 1º octante Oy Oy x Ox z y P(x,y,z) Oz Oz –3 Ox 6 5 Q(-3,5,6) Oy 1º octante 2º octante 22 geométrico como noção de profundidade e perspectiva e, nem sempre a visualização do que se pretende representar é evidente aos nossos olhos. Como estamos interessados em fazer as representações no ℜ3 através de um esboço, ou seja, algo simples e não pretendemos realizar construções difíceis e nem representações elaboras, o que se adota como convenção é representar o octante desejado como se fosse sempre o 1º octante. Por exemplo, poderíamos representar o ponto Q(-3,5,6) da seguinte forma: Qualquer vetor do ℜ3 pode ser escrito em função três versores kej,i ��� , cada um deles situados sobre os eixos coordenados Ox, Oy e Oz, respectivamente. Futuramente o conjunto de versores { }k,j,i ��� será chamado de uma base do ℜ3. Pela figura acima podemos ver que kzjyixv ��� � ++= , ou seja, o vetor v � é escrito em função da base { }k,j,i ��� . A expressão kzjyixv ���� ++= é chamada de expressão cartesiana. Note também que, o módulo de um vetor é dado por 222 zyx|v| ++= � pois: Do triângulo OQR vem: 222 yxw += Do triângulo POR vem: 222 zw|v| += � Então: 2222 zyx|v| ++= � Portanto: 222 zyx|v| ++= � Oz -3 Ox 6 5 Q(-3,5,6) 2º octante Oy Oy x kz � k � Ox j � jy � i � ix � v � z y P(x,y,z) Oz jyix �� + w v � R Q P O z z y y x 23 Todo vetor do espaço será representado a partir da origem do sistema, ou seja, a origem do vetor coincide com a origem do sistema e sua extremidade coincide com algum ponto P(x,y,z). Assim, podemos identificar um vetor com um ponto do espaço e simplesmente escrever que )z,y,x(v = � . Por exemplo: O vetor k6j5i3v ��� � ++= é escrito como )6,5,3(v = � e representá-lo no ℜ3, marcando o ponto P e unindo este ponto à origem do sistema, sempre fazendo coincidir a origem do vetor com a origem do sistema e a extremidade do vetor com o ponto P. Veja a figura abaixo: 2.1 Operações com vetores do ℜℜℜℜ3 na forma cartesiana Sejam kzjyixvekzjyixv 22221111 ��� � ��� � ++=++= dois vetores quaisquer do ℜ3 e um escalar qualquer ℜ∈α . Então: - Adição: k)zz(j)yy(i)xx(vv 21212121 ��� �� +++++=+ - Subtração: k)zz(j)yy(i)xx(vv 21212121 ��� �� −+−+−=− - Produto por escalar: k)z(j)y(i)x(v 1111 ��� � α+α+α=⋅α Exemplo (5): Sejam jwek2ji3v,j4i2u � � �� � �� � −=++−=+= , três vetores do espaço. Determine o módulo do vetor w2v3u 2 1 R ��� +−= . Solução: Considerando as coordenadas dos vetores para simplificar a notação, escrevemos: )0,1,0(we)2,1,3(v,)0,4,2(u −=−== ��� . Determinando o vetor R vem: )0,2,0()6,3,9()0,2,1()0,1,0(2)2,1,3(3)0,4,2( 2 1 R −+−−=−+−−= ⇒ )6,3,10()060,232,091(R −−=+−−−++= . Logo, k6j3i10R ��� −−= Portanto, 145369100)6()3(10|R| 222 =++=−+−+= . Oz 3 Ox v � 6 5 P(3,5,6) Oy 24 2.2 Cossenos diretores de um vetor Seja kzjyixv ��� � ++= um vetor qualquer do ℜ3. Então v � forma um ângulo com cada eixo coordenado. Sejam α, β e γ os ângulos que o vetor forma com os eixos Ox, Oy e Oz, respectivamente. Pela figura abaixo temos: |v| x )cos( �=α , |v| y )cos( �=β , |v| z )cos( �=γ chamados de co-senos diretores do vetor .v � Note que: 1)(cos)(cos)(cos 222 =γ+β+α Definição: Considere o vetor kzjyixv ��� � ++= . Então o versor do vetor v � , denotado por ov � , é um vetor paralelo, de mesmo sentido de v � e unitário, ou seja, 1vo = � , definido por |v| v vo � � � = . Como kzjyixv ��� � ++= ⇒ )z,y,x(v = � ⇒ =⋅= |v| z , |v| y , |v| x )z,y,x( |v| 1 vo ���� � ⇒ )cos,cos,(cosvo γβα= � . 2.3 Condição de paralelismo entre dois vetores. Sejam )z,y,x(ve)z,y,x(u 222111 == �� dois vetores paralelos, ou seja, eles têm a mesma direção, então existe um escalar m∈ℜ tal que vmu �� ⋅= . Logo: =⇒= =⇒= =⇒= ⇒⋅= 2 1 21 2 1 21 2 1 21 222111 z z mmzz y y mmyy x x mmxx )z,y,x(m)z,y,x( ⇒ 2 1 2 1 2 1 z z y y x x m === , 0ze0y,0xcom 222 ≠≠≠ . Portanto, para que dois vetores sejam paralelos é necessário que haja uma proporção entre suas coordenadas, isto é, eles são múltiplos escalares. y γ β Ox x α |v| � z P(x,y,z) Oz Oy 25 Por exemplo: considere os vetores )2,4,1(u= � , )4,8,2(v = � e )4,6,2(w = � . Temos que u � e v � são paralelos, pois u2v �� ⋅= e 2 2 4 4 8 1 2 === . Note que u � e w � não são paralelos, pois 2 4 4 6 1 2 ≠≠ , ou seja, não existe nenhum escalar m∈ℜ tal umw �� ⋅= . 2.4 Condição de coplanaridade entre três vetores Sejam )z,y,x(u 111= � , )z,y,x(v 222= � e )z,y,x(w 333= � vetores coplanares, ou seja, vetores que estão no mesmo plano, então existem escalares m, n ∈ℜ tais que wnvmu ��� += . Então: ⇒⋅+⋅= )z,y,x(n)z,y,x(m)z,y,x( 333222111 =+ =+ =+ 132 132 132 znzmz ynymy xnxmx Podemos associar a este sistema linear uma matriz dos coeficientes, cujo determinante é igual a zero, pois existe uma combinação linear entre suas linhas, ou seja, a primeira linha é m vezes a segunda mais n vezes a terceira. Portanto, a condição para que três vetores sejam coplanares é verificada quando 0 zyx zyx zyx 333 222 111 = . Exemplo (6): Dados os pontos P(2,4,5) e Q(1,2,3) determine um vetor w � paralelo ao vetor PQ e que tenha módulo igual a 6. Solução: Sejam )z,y,x(w = � . Como w � é paralelo a PQ , então PQw α= � ⇒ )2,2,1()z,y,x( −−−α= . Então: α−= α−= α−= 2z 2y x . O módulo de )z,y,x(w = � é igual 6zyx 222 =++ ⇒ 2696)2()2()( 2222 ±=α⇒=α⇒=α−+α−+α− . Portanto, )4,4,2(wou)4,4,2(w −−−== �� . vm � v � w � wn � u � 26 Exemplo (7): Os vetores )0,1,0(ve)2,1,2(v 21 =−= �� estão aplicados no mesmo ponto A. Determine um vetor AB de módulo 32 , cuja direção é a direção da bissetriz do ângulo formado pelos vetores 21 vev �� . Solução: Para que )z,y,x(AB = esteja sobre a bissetriz do ângulo entre 21 vev �� , é necessário que |v||v| 2211 �� α=α ⇒ 22 222 1 12)1(2 ⋅α=+−+⋅α ⇒ 12 3α±=α . Pela figura acima podemos ver que 2211 vvAB �� α+α= . Daí segue que: Para 12 3α=α ⇒ 2111 v3vAB �� α+α= ⇒ )v3v(AB 211 �� +α= ⇒ [ ])0,1,0(3)2,1,2()z,y,x( 1 +−⋅α= ⇒ α= α= α= 1 1 1 2z 2y 2x . Como 32)2()2()2(32zyx32|AB| 21 2 1 2 1 222 =α+α+α⇒=++⇒= ⇒ 132323212 11 2 1 ±=α⇒±=α⇒=α . Portanto, )2,2,2(ABou)2,2,2(AB −−−== Para 12 3α−=α ⇒ 2111 v3vAB �� α−α= ⇒ )v3v(AB 211 �� −α= ⇒ [ ])0,1,0(3)2,1,2()z,y,x( 1 −−⋅α= ⇒ α= α−= α= 1 1 1 2z 4y 2x . Como 32)2()4()2(32zyx32|AB| 21 2 1 2 1 222 =α+α−+α⇒=++⇒= ⇒ 2 2 12243224 1 2 1 2 1 ±=α⇒=α⇒=α . Portanto, ( ) ( )2,22,2ABou2,22,2AB −+−=−= Exemplo (8): Dar as expressões das coordenadas do ponto médio do segmento de reta de extremidades )z,y,x(A 111 e )z,y,x(B 222 . Solução: Seja M(x,y,z) o ponto médio do segmento AB . O ponto M é tal que MBAM = ou M-A = B-M. Então: += += += ⇒ −=− −=− −=− ⇒−−−=−−− 21 21 21 21 21 21 222111 zzz2 yyy2 xxx2 zzzz yyyy xxxx )zz,yy,xx()zz,yy,xx( Portanto: Ponto médio +++ 2 zz , 2 yy , 2 xx M 212121 B A AB 1v � 2v � 11v � α 22v � α α α 27 Exercícios Propostos: 1) Encontrar os valores a e b tais que ubvaw ��� += , sendo )14,4,4(w −−= � , )1,2,1(v −= � e )4,0,2(u −= � . Resp: a =2 e b = -3 2) Determine o simétrico do ponto P(3,1,-2) em relação ao ponto A(-1,0,-3). Resp: Q(-5,-1,-4) 3) Um vetor w � do ℜ3 forma com os eixos Ox e Oy, ângulos de 60o e 1200, respectivamente. Determine w � para que ele tenha módulo igual a 2. Resp: )2,1,1(wou)2,1,1(w −−=−= �� 4) Sejam )0,1,1(be)0,0,1(a == � � . O ângulo entre eles é 45o. Calcule o ângulo entre os vetores baeba � � � � −+ . Resp: −=θ 5 5 arccos 5) Dados os pontos A(1,-1,3) e B(3,1,5) , até que ponto se deve prolongar o segmento AB, no sentido de A para B, para que seu comprimento quadruplique de valor? Resp: (9,7,11) COMENTÁRIOS IMPORTANTES 1) Como podemos identificar um vetor kzjyixv ��� � ++= com um ponto do ℜ3 e, a fim de simplificar a notação, escrevermos )z,y,x(v = � , é muito comum o aluno confundir as notações de um ponto P(x,y,z) com o vetor )z,y,x(v = � . Às vezes até, fazer operações que são permitidas somente entre vetores, aplicando-as aos pontos. Portanto, cuidado com as notações. 2) A linguagem matemática é uma linguagem como outra qualquer, com suas regras e conectivos lógicos. As próprias línguas (português, inglês, alemão,...) possuem suas regras de construção (concordâncias, ortografia, conjugação verbal,...) as quais devem ser empregadas corretamente para que as frases e os parágrafos tenham sentido. Se por exemplo, em uma determinada linguagem computacional você esquecer-se de digitar um ponto ou uma vírgula, seu programa não “roda” e enviará uma mensagem de erro. Veja o que acontece quando nos esquecemos de digitar um ponto ou uma letra em um site da internet ou um e-mail, não vamos conseguir navegar ou enviar uma mensagem. Assim também é linguagem matemática. Se você não escreve corretamente, seu desenvolvimento matemático ficará sem sentido e o professor, provavelmente, vai lhe enviar uma mensagem de erro que é a sua nota. Portanto, procure usar os símbolos de maneira correta e ordenada, para aqueles que lerem seu desenvolvimento matemático possa entender o seu raciocínio.
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