Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Conversa inicial Na aula de hoje, estudaremos os planos e alguns formatos de equações de um plano. Iniciaremos com a equação geral de um plano e, em seguida, uma equação vetorial para planos. A sequência do estudo se dará pela análise das posições relativas entre retas e planos com o estudo de ângulos e intersecções. Por fim, estudaremos as posições relativas entre planos: ângulos entre planos, paralelismo e perpendicularismo e intersecções. Para mais informações sobre o conteúdo da disciplina, acesse o vídeo do professor no material on-line! Contextualizando Marcelo é dono de uma grande área de terras, onde existe um pequeno morro desocupado. Certo dia, Marcelo teve a ideia de instalar um painel solar sobre esse morro. Por isso, Marcelo precisará saber que ângulo o painel formará com o plano horizontal, como podemos ver no esquema a seguir. NÍVEL Graduação CURSO Engenharia de Produção DISCIPLINA Geometria Analítica MÓDULO A1 2016 AULA 4 PROFESSOR Nacib Mattar Jr Com o auxílio de um GPS (global positioning system, – Sistema de Posicionamento Global) ele obteve as coordenadas cartesianas de três pontos (A, B e C) localizados sobre o morro e que servirão de apoio ao painel solar. A partir das coordenadas de cada ponto, Marcelo poderá calcular o ângulo do painel em relação ao plano horizontal. Mas como fazer isso? É preciso, inicialmente, encontrar um vetor normal à superfície do plano que passa pelos pontos dados. Em seguida, basta encontrarmos o ângulo entre os planos. O desenvolvimento desse processo é que você verá nessa aula! Equação Geral de um Plano Equação cartesiana geral do plano Observe a figura a seguir em que se representou o plano α, um vetor , normal a α , e um ponto A ∈ α. Conhecidos e A, um ponto P qualquer de α é dado por: . = 0, já que será ortogonal ao vetor (lembre-se: o produto escalar entre dois vetores ortogonais entre si é sempre igual a zero). De . = 0 obtém-se: . = 0 (a, b, c) . ( - ) = 0, sendo n = (a, b, c) (a, b, c) . ((x, y, z) - (x0, y0, z0))= 0, sendo A = (x0, y0, z0) e P = (x, y, z) (a, b, c) . (x - x0, y - y0, z - z0) = 0 a . (x - x0) + b . (y - y0) + c . (z - z0) = 0 ax - ax0 + by - by0 + cz - cz0 = 0 ax + by + cz + d = 0, com d = - ax0 - by0 - cz0 A equação obtida no desenvolvimento acima, ax + by + cz + d = 0 , é a equação cartesiana no plano α. Note que os coeficientes, a, b e c, são as componentes do vetor normal . Exemplo 1 Determine uma equação cartesiana geral do plano α, tal que n = (2, 3,- 1) é normal a α, e A = (4, 2, 1) pertence a α. Suponha um ponto P = (x, y, z) pertencente ao plano α. Assim: . = 0 (2, 3, -1) . ( - ) = 0 (2, 3, -1) . ((x, y, z) - (4, 2, 1))= 0, sendo A = (x0, y0, z0) e P = (x, y, z) (2, 3, -1) . (x - 4, y - 2, z - 1) = 0 2 . (x - 4) + 3 . (y - 2) - 1 . (z - 1) = 0 2x - 8 + 3y - 6 - z + 1 = 0 2x + 3y - z - 13 = 0 Note que os coeficientes de x, y e z coincidem com os coeficientes do vetor normal = (2, 3,-1). Pode-se determinar esta equação pela substituição das componentes de em a, b e c na equação ax + by + cz + d = 0 : 2x + 3y - 1z + d = 0. E então, para se determinar d, basta substituir nesta equação os componentes de um ponto pertencente à reta, neste caso, A = (4, 2, 1): 2x + 3y - 1z + d = 0 2 . 4 + 3 . 2 - 1 . 1 + d = 0 13 + d = 0 d = - 13 Ou seja: 2x + 3y - 1z - 13 = 0. Exemplo 2: Determine uma equação cartesiana geral do plano α que contém os pontos A = (1, 0, 1), B = (3, 5, 2) e C = (-2, 3, 2), não-colineares. Uma propriedade importante do produto vetorial pode ser aplicada para determinação de um vetor normal ao plano: o produto vetorial entre dois vetores sempre resulta em um vetor ortogonal a estes dois vetores. Sendo assim, como A, B e C pertencem ao plano α, os vetores = = (3, 5, 2) - (1, 0, 1) = (2, 5, 1) e = = (3, 5, 2) - (-2, 3, 2) = (5, 2, 0) são paralelos a α. Portanto, = × será um vetor normal a α : E então, dado um ponto P = (x, y, z) qualquer de α , pode-se dizer que: . = 0 (-2, 5, -21) . ( - = 0) (-2, 5, -21) . ((x, y, z) - (1, 0, 1)) = 0 (-2, 5, -21) . (x - 1, y - 0, z - 1) = 0 -2 . (x - 1) + 5y - 21 . (z - 1) = 0 -2x + 5y - 21z + 23 = 0 Ou ainda, como no exemplo anterior, pode-se determinar o coeficiente d pela substituição das componentes de um dos pontos do plano – neste caso de A, B ou C a partir das componentes de = (-2, 5, -21) e a equação -2x + 5y - 21z + d = 0. -2x + 5y - 21z + 23 = 0 -2 . 1 + 5 . 0 - 21 . 1 + d = 0 -23 + d = 0 d = 23 E assim: -2x + 5y - 21z + 23 = 0. Observe que para um mesmo plano existem várias equações cartesianas gerais, todas equivalentes umas às outras. Neste exemplo em particular, as equações 2x - 5y + 21z -23 = 0 ou 20x - 50y + 210z - 230 = 0 são exemplos de equações cartesianas do plano α. Exemplo 3 Determine uma equação cartesiana geral do plano α que contém os pontos: A = (1, 0, 1),B = (3, 5, 2) e C = (-2, 3, 2), não-colineares, usando a operação produto misto. Como os vetores = = (3, 5, 2) - (1, 0, 1) = (2, 5, 1) e = = (3, 5, 2) - (-2, 3, 2) = (5, 2, 0), determinado no exemplo 2, ambos paralelos a α, e um ponto P = (x, y, z) pertencente a α, pode-se determinar a equação geral do plano fazendo-se: AP. u x v = 0, com AP = OP - AP = (x -1, y - 0, z - 1): -2x + 5y - 21z + 23 = 0 1. Determine uma equação geral cartesiana do plano α. Considere o vetor normal a α e o ponto A pertencente a α onde = (3, 5, 2) e A = (1, 2, 4). Para escrevermos uma equação geral do plano α vamos considerar a expressão . = 0 Sabemos que o vetor pode ser escrito como - . Sabemos também que: = (3, 5, 2). Logo (3, 5, 2) . ( - )= 0 Como P é um ponto qualquer de α, = (x, y, z) e como = (1, 2, 4), A = (1, 2, 4). Substituindo por (x, y, z) e por (1, 2, 4), temos: (3, 5, 2) . ((x, y, z) - (1, 2, 4)) = 0 Vamos agora subtrair as componentes x - 1, y - 2 e z - 4 (3, 5, 2) . (x - 1, y - 2, z - 4) = 0 Agora precisamos multiplicar os vetores (3, 5, 2) e (x - 1, y - 2, z - 4) 3 . (x - 1) + 5 . (y - 2) + 2 . (z - 4) = 0 Aplicando a propriedade distributiva, temos: 3x - 3 + 5y - 10 + 2z - 8 = 0 Finalmente, vamos somar os termos semelhantes. Nesse caso, - 3 - 10 – 8 3x + 5y + 2z - 21 = 0 Portanto, uma equação geral do plano α é 3x + 5y + 2z - 21 = 0. 2. Considere o Exercício 1. Encontre uma equação geral para α substituindo a, b e c pelas componentes do vetor normal e calculando o valor de d a partir da relação d = -ax0 - by0 - cz0. Como = (3, 5, 2), temos a = 3, b = 5 e c = 2. Substituindo esses valores na expressão ax + by + cz + d = 0, temos 3x + 5y + 2z + d = 0. Para que possamos encontrar o valor de d, vamos utilizar a relação d = -ax0 - by0 - cz0 Já sabemos quais são os valores de a, b e c. Quanto aos valores de x0, y0 e z0, vamos substituí-los pelas coordenadas do ponto A = (1, 2, 4), ou seja, x0 = 1, y0 = 2 e z0 = 4. Portanto d = -3 . 1 - 5 . 2 - 2 . 4 Efetuando as respectivas multiplicações, temos d = - 3 - 10 - 8 Que resulta em d = - 21 Logo, a equação geral do plano α é dada por 3x + 5y + 2z - 21 = 0. 3. Considere os pontos A = (2, 6, 2), B = (3, 1 , 4) e C = (5, 2, 3). Determine uma equação geral do plano α que contém os pontos A, B e C. Precisamos, inicialmente, de um vetor normal ao plano α. Podemos fazer = e = . Como e são paralelos ao plano α, ovetor = × é normal a α. Logo, vamos calcular o produto vetorial × para que possamos encontrar o vetor . O vetor é dado por = Logo = B - A Substituindo B por (3, 1, 4) e A por (2, 6, 2), temos = (3, 1, 4) - (2, 6, 2) que resulta em = (3 - 2, 1 - 6, 4 - 2) donde = (1, -5, 2) Para encontrarmos o vetor , vamos fazer = ou, equivalentemente, = C - A Como C = (5, 2, 3) e A = (2, 6, 2), temos = (5, 2, 3) - (2, 6, 2) Vamos subtrair as respectivas componentes = (5 - 2, 2 - 6, 3 - 2) Logo = (3, -4, 1) Já temos os vetores = (1, -5, 2) e = (3, -4, 1). O produto vetorial × é dado por: Substituindo as respectivas componentes de e , temos Precisamos efetuar as multiplicações indicadas acima × = (-5 + 8)i + (6 - 1)j + (-4 + 15)k Vamos agora somar os termos que estão entre parênteses × = 3i + 5j + 11k Logo, o vetor normal ao plano α é dado por = (3, 5, 11) Podemos agora utilizar a expressão . = 0 para encontrarmos uma equação geral para o plano α, pois = (3, 5, 11), A = (2, 6, 2) e P = (x, y, z). Sabemos que . = 0 é equivalente a . ( - )= 0 Logo (3, 5, 11) . ((x, y, z) - (2, 6, 2)) = 0 Subtraindo as respectivas componentes, temos (3, 5, 11) . (x - 2, y - 6, z - 2) = 0 Multiplicando (3, 5, 11) por (x - 2, y - 6, z - 2), temos3.(x - 2) + 5.(y - 6) + 11.(z - 2) = 0 Que resulta em 3x - 6 + 5y - 30 + 11z - 22 = 0 Somando os termos semelhantes, temos 3x + 5y + 11z - 58 = 0 Que é a equação geral do plano α. 4. Resolva o Exercício 3 substituindo a, b e c pelas componentes do vetor normal e calculando o valor de d a partir da relação d = -ax0 - by0 - cz0. Sabemos que a = 3, b = 5 e c = 11, pois = (3, 5, 11). Vamos substituindo esses valores na expressão ax + by + cz + d = 0. 3x + 5y + 11z + d = 0 O próximo passo é encontrarmos o valor de d utilizando a relação d = -ax0 - by0 - cz0 Nese caso, a = 3, b = 5 e c = 11 e x0 = 2, y0 = 6 e z0 = 2, pois A = (2, 6, 2). Logo: d = -3 . 2 - 5 . 6 - 11 . 2 Efetuando as respectivas multiplicações, temos: d = - 6 - 30 - 22 Que resulta em: d = - 58 Logo, a equação geral do plano α é dada por: 3x + 5y + 11z - 58 = 0 Sugestões de Estudo Para conhecer um pouco mais sobre Equação Geral de um Plano clique no botão Saiba Mais e aprecie! http://www.mat.ufmg.br/gaal/aulas_online/at4_02.html Agora que você já fez a leitura, assista aos vídeos a seguir e aprimore ainda mais seus conhecimentos! https://www.youtube.com/watch?v=EDoby2Sg2IY https://www.youtube.com/watch?v=Gr3oHWKrRyA Que tal rever o conteúdo desta parte da aula? Aprecie o vídeo do professor Nacib Jr. acessando o material on-line! Planos no Espaço Tridimensional Três situações: uma, duas e três dimensões Observe o estudo da equação z = 3 em três diferentes situações: 1ª situação: considerando-se somente um eixo real, z = 3 é o ponto que está a 3 unidades de distância da origem (marcação 0), no sentido positivo do eixo (indicado pela orientação da seta): 2ª situação: considerando-se dois eixos reais, y e z, z = 3 representa a reta r paralela ao eixo y e que dista 3 unidades de y, no quadrante positivo. A reta r é formada por todos os pontos tais que: 3ª situação: considerando-se três eixos reais, x, y e z, z = 3 representa o plano α paralelo ao plano xy e que se encontra 3 unidades acima de xy. A figura a seguir representa parte deste plano. Note que α é formado por todos os pontos (x, y, z) tais que (x, y, z) = (x, y, 3). Exemplo 1 Planos α : z = 3, β : y = 2 e γ : x = 1. Na figura a seguir representou-se parte de cada um dos três planos: Enquanto z = 3 é o plano paralelo a xy e que está 3 unidades “acima” de xy, y = 2 é o plano paralelo a xz e que está 2 unidades “à direita” de xz. A equação x = 1 representa o plano paralelo a yz e que está uma unidade “à frente” de yz. Observe que as equações dos planos xy, xz e yz são, respectivamente, z = 0, y = 0 e x = 0. Este exemplo ilustra três casos em que a equação geral do plano ax + by + cz + d = 0 possui dentre os coeficientes a, b e c, dois deles com valor nulo. Sempre que isto acontecer, o plano dado pela equação será paralelo a um dos planos coordenados: xy, xz ou yz. Neste exemplo em particular, tem-se: α : 0x + 0y + z + (-3) = 0 ∴ z = 3 → plano paralelo a xy. β : 0x + y + 0z + (-2) = 0 ∴ y = 2 → plano paralelo a xz. γ : x + 0y + 0z + (-1) = 0 ∴ x = 1 → plano paralelo a yz. Exemplo 2 Dois planos: plano α : x + z = 3 e β : x + 2y = 4. Plano α: x + z = 3. Se considerarmos somente os eixos x e z, a equação x + z = 3 representa a reta r, ilustrada a seguir: Considerando-se os três eixos, a equação x + z = 3 representa o plano α, representado parcialmente na figura a seguir: Observe que a intersecção entre α e o plano xz é a reta r. Além disso, x não intersecta o eixo y. Os pontos de intersecção com os eixos x e z podem ser obtidos como a seguir: Intersecção em x : z = 0 em x + z = 3 → x + 0 = 3 → x = 3 → (3, 0, 0) Intersecção em z : x = 0 em x + z = 3 → 0 + z = 3 → z = 3 → (0, 0, 3) Plano β : x + 2y = 4. Se considerarmos somente os eixos x e y, a equação x + 2y = 4 representa a reta s ilustrada a seguir: Considerando-se os três eixos, a equação x + 2y = 4 representa o plano β, representado parcialmente na figura a seguir: Observe que a intersecção entre β e o plano xy é a reta s. Além disso, β não intersecta o eixo z. Os pontos de intersecção com os eixos x e y podem ser obtidos como a seguir: Intersecção com x : y = 0 em x + 2y = 4 → x + 2 . 0 = 4 → x = 4 → (4, 0, 0) Intersecção com y : x = 0 em x + 2y = 4 → 0 + 2y = 4 → y = 2 → (0, 2, 0) Os planos neste exemplo ilustram o caso em que a equação geral do plano ax + by + cz + d = 0 possui um dentre os coeficientes a, b e c com valor nulo. Sempre que isto acontecer, o plano dado pela equação não intersectará o eixo correspondente ao coeficiente nulo. Neste exemplo em particular, tem-se: α : x + 0y + z + (-3) = 0 ∴ x + z = 3 → plano não intersecta o eixo y. β : x + 2y + 0z + (-4) = 0 ∴ x + 2y = 4 → plano não intersecta o eixo z. Exemplo 3 Plano α : 2x + y + 3z = 6 Este plano intersecta os três eixos, x, y e z. Os pontos de intersecção com os eixos podem ser obtidos como a seguir: Intersecção com x : y = z = 0 em 2x + y + 3z = 6 → 2x = 6 → x = 3 → (3, 0, 0) Intersecção com y : x = z = 0 em 2x + y + 3z = 6 → y = 6 → (0, 6, 0) Intersecção com z : x = y = 0 em 2x + y + 3z = 6 → 3z = 6 → z = 2 → (0, 0, 2) As intersecções deste plano com os planos xy, yz e xz podem ser obtidas como a seguir: Intersecção com xy : z = 0 em 2x + y + 3z = 6 → 2x + y = 6 (reta r) Intersecção com yz : x = 0 em 2x + y + 3z = 6 → y + 3z = 6 (reta s) Intersecção com xz : y = 0 em 2x + y + 3z = 6 → 2x + 3z = 6 (reta t) Observe uma representação do plano α: 2x + y + 3z = 6 e suas intersecções com os eixos coordenados e com os planos xy, xz e yz: 1. Considere o plano α definido por 4x + 5y + 2z - 20 = 0. Determine os pontos A, B e C de intersecção do plano α com os eixos coordenados x, y e z, respectivamente. O ponto de intersecção do plano α com o eixo x ocorre quando y = 0 e z = 0. Logo, vamos substituir esses valores na equação 4x + 5y + 2z -20 = 0 O que resulta em 4x + 5(0) + 2(0) - 20 = 0 Logo 4x - 20 = 0 Somando 20 nos dois membros da equação 4x - 20 + 20 = 0 +20 Donde 4x = 20 Dividindo ambos os membros por 4, temos Portanto x = 5 Logo, o ponto A de intersecção do plano α com o eixo x é igual a A = (5, 0, 0). Para encontrarmos o ponto de intersecção do plano α com o eixo y vamos considerar agora x = 0 e z = 0. Substituindo esses valores na equação 4x - 5y + 2z - 20 = 0 Temos 4(0) - 5y + 2(0) - 20 = 0 Os cálculos para encontrarmos o valor de y são análogos aos realizados anteriormente: Portanto, o ponto B de intersecção do plano α com o eixo y é igual a B = (0, 4, 0). O ponto de intersecção do plano α com o eixo z ocorre quando x = 0 e y = 0. Logo: Assim, o ponto C de intersecção do plano α com o eixo z é igual a C = (0, 0, 10). A figura a seguir apresenta os pontos A, B e C onde o plano α intercepta os eixos coordenados x, y e z, respectivamente. 2. Seja o plano α definido por 4x + 5y + 2z - 20 = 0 conforme o Exercício 1. Determine as intersecções do plano α com os planos xy, yz e xz. O plano α intercepta o plano xy quando z = 0. 4x + 5y + 2z - 20 = 0 Logo: 4x + 5y + 2(0) - 20 = 0 4x + 5y + 0 - 20 = 0 4x + 5y - 20 = 0 4x + 5y = 20 O plano α intercepta o plano yz quando x = 0. 4x + 5y + 2z - 20 = 0 Logo: 4(0) + 5y + 2z - 20 = 0 0 + 5y + 2z - 20 = 0 5y + 2z - 20 = 0 5y + 2z = 20 O plano α intercepta o plano xz quando y = 0. 4x + 5y + 2z - 20 = 0 Logo: 4x + 5(0) + 2z - 20 = 0 4x + 0 + 2z - 20 = 0 4x + 2z - 20 = 0 4x + 2z = 20 Agora que o conteúdo já foi visto, acesse o material on-line e assista ao vídeo preparado pelo professor Nacib Jr. para apreender um pouco mais! Bons estudos! Equação Vetorial de um Plano Equação vetorial Seja um plano α , dois vetores e não paralelos entre si e ambos paralelos a α e um ponto A ∈ α. Todo ponto P ∈ α pode ser escrito como uma combinação linear de e , ou seja, pode-se escrever: = t1 . + t2 . → Equação Vetorial do Plano, com t1 e t2 reais. Para P = (x, y, z), A = (x0 , y0 , z0 ), = (a1 , b1 , c1 ) e = (a2 , b2 , c2 ) tem-se: Exemplo 1: Determine a equação vetorial do plano α, que contém os pontos A = (1,0,1), B = (3,5,2) e C = (-2,3,2). Como calculado no exemplo da seção anterior, pode-se fazer: = = (3, 5, 2) - (1, 0, 1) = (2, 5, 1) e = = (3, 5, 2) - (-2, 3, 2) = (5, 2, 0) Assim, para t1 e t2 reais: (x, y, z) = (1, 0, 1) + t1 . (2, 5, 1) + t2 . (5, 2, 0) (x, y, z) = (1, 0, 1) + (2t1 , 5t1 , t1 ) + (5t2 , 2t2 , 0) (x, y, z) = (1 + 2t1 + 5t2 , 5t1 + 2t2 , 1 + t1 ) Observação: Para determinarmos uma equação vetorial do plano, precisamos de dois vetores quaisquer pertencentes ao plano e que não sejam paralelos entre si. 1. Encontre uma equação vetorial do plano α que passa pelos pontos A = (2, 6, 2), B = (3, 1, 4) e C = (5, 2, 3). Considere = . Como = B – A temos = (3, 1, 4) - (2, 6, 2) Que resulta em = (3 - 2, 1 - 6, 4 - 2) Donde = (1, -5, 2) Vamos considerar = Sabemos que = C - A Logo = (5, 2, 3) - (2, 6, 2) Donde = (5 - 2, 2 - 6, 3 - 2) Portanto = (3, -4, 1) Como já temos os vetores e e o ponto A = (2, 6, 2), a equação vetorial do plano pode ser facilmente obtida. Vamos substituir A, e na expressão P = A + t1 + t2 o que resulta em: (x, y, z) = (2, 6, 2) + t1(1, -5, 2) + t2(3, -4, 1) Multiplicando t1 por (1, -5, 2) e t2 por (3, -4, 1), temos (x, y, z) = (2 + t1 + 3t2, 6 - 5t1 - 4t2, 2 + 2t1 + t2) Que é a equação vetorial α. 2. Utilize o produto misto para encontrar uma equação vetorial do plano α que passa pelos pontos A = (2, 6, 2) , B = (3, 1, 4) e C = (5, 2, 3). Sabemos que o produto misto .( × ) é calculado a partir do determinante da matriz formada pelas componentes dos vetores , e : Precisamos, então, definir a partir dos pontos A, B, C e P, os vetores , e . É importante ressaltar que P é um ponto pertencente a α tal que P = (x, y, z). Vamos fazer = , = e = . O vetor = é obtido como segue: = P - A = (x, y, z) - (2, 6, 2) = (x - 2, y - 6, z - 2) Para encontrarmos o vetor = , basta fazer: = B - A = (3, 1, 4) - (2, 6, 2) = (3 - 2, 1 - 6, 4 - 2) = (1, -5, 2) O vetor = também pode ser facilmente obtido: = C - A = (5, 2, 3) - (2, 6, 2) = (5 - 2, 2 - 6, 3 - 2) = (3, -4 ,1) Como já temos os vetores , e , podemos calcular o produto misto . ( × ) e, para obtermos a equação geral do plano, igualar esse produto misto a zero. Que corresponde a: . ( × ) = (x - 2)(-5)(1) + (y - 6)(2)(3) + (z - 2)(1)(-4) -(x - 2)(2)(-4)-(y - 6)(1)(1) - (z - 2)(-5)(3) = 0 Vamos agora efetuar as multiplicações indicadas -5x + 10 + 6y - 36 - 4z + 8 + 8x - 16 - y + 6 + 15z - 30 = 0 Somando os termos semelhantes, temos: 3x + 5y + 11z - 58 = 0 que é a equação geral do plano α. Equações paramétricas do plano A equação vetorial do plano apresentada acima, r(t1 , t2 ) = (x, y, z) = (x0 , y0 , z0 ) + t1 . (a1 , b1 , c1 ) + t2 . (a2 , b2 , c2 ) , é uma parametrização do plano, isto é, é uma regra P = r(t1 , t2 ) que determina as coordenadas dos pontos P pertencentes a um plano em função dos parâmetros reais t1 e t2. Comparando-se os componentes nesta equação podem ser obtidas as equações paramétricas do plano: Exemplo Determine as equações paramétricas do plano α que contém os pontos: A = (1, 0, 1). B = (3, 5, 2) e C = (-2, 3, 2). De (x, y, z) = (1 + 2t1 + 5t2 , 5t1 + 2t2 , 1+ t1) tem-se: Para cada combinação de valores reais de t1 e t2 tem-se um ponto diferente do plano, e para cada ponto do plano sempre existirá uma combinação de valores dos parâmetros que resulta neste ponto. 1. Encontre um sistema de equações paramétricas do plano α que passa pelos pontos A = (2, 6, 2), B = (3, 1, 4) e C = (5, 2, 3). A partir dos pontos A, B e C, precisamos definir os vetores diretores do plano α: O primeiro vetor pode ser = : = B - A = (3, 1, 4) - (2, 6, 2) = (1, -5, 2) O segundo vetor diretor pode ser = = C - A = (5, 2, 3) - (2, 6, 2) = (3, -4, 1) Como as equações paramétricas são dadas por Basta substituirmos x0, y0 e z0 pelas respectivas coordenadas do ponto A, a1, b1 e c1pelas respectivas coordenadas do vetor e a2, b2 e c2 pelas respectivas coordenadas do vetor : Logo, as equações paramétricas de α são: Sugestões de Estudo Para conhecer um pouco mais sobre Equação Vetorial de um Plano, confira os links a seguir: https://www.youtube.com/watch?v=6LAybr1Colc https://www.youtube.com/watch?v=TY77xqTDpsA E antes de prosseguir, confira o que o professor Nacib Jr. preparou para você no material on-line! Retas e Planos Retas e planos: perpendicularismo e paralelismo Para avaliar se uma reta r é paralela ou perpendicular a um plano α , podem ser comparados um vetor diretor de re um vetor normal a α . Observe: A figura vista anteriormente ilustra o caso em que um vetor diretor de r, vetor , é paralelo a um vetor normal de α , vetor : a reta é perpendicular ao plano. Na figura a seguir, ilustra-se o caso em que um vetor diretor de r é ortogonal a um vetor normal de α : a reta é paralela ao plano: Exemplo: Verifique que a reta r dada por: É perpendicular ao plano α , dado por α : 7x - y -3z +45 = 0. Pode-se escrever r: (x, y, z) = (13, 5, 0) + t . (-14, 2, 6) com o que se evidencia o vetor diretor de r usado nesta parametrização: = (-14, 2, 6). A partir dos coeficientesda equação cartesiana do plano α pode-se obter um vetor normal a α: 7x - y -3z + 45 = 0 → = (7, -1, -3). Assim, basta verificar que = (-14, 2, 6) e são paralelos entre si, ou seja, que = k . para algum k real: = k . (-14, 2, 6) = k . (7, -1, -3) (-14, 2, 6) = (7k, -k, -3k) Portanto, como um vetor diretor de r é paralelo a um vetor normal de α, r é ortogonal a α . Exemplo: Verifique que a reta r dada por: É paralela ao plano α , dado por α : (x, y, z) = (1 +3t1 + 5t2, 2t2, 1 + 2t1). Pode-se escrever r: (x, y, z) = (1, 2, 3) + t . (1, 1, -1) com o que se evidencia o vetor diretor de r usado nesta parametrização: = (1, 1, -1). E também, pode-se escrever: α : (x, y, z) = (1, 0, 1) + t1 . (3, 0, 2) + t2 . (5, 2, 0), com o que se evidenciam dois vetores paralelos ao plano α , = (3, 0, 2) e = (5, 2, 0), a partir dos quais pode ser obtido um vetor normal a α : Finalmente, basta verificar que = (1, 1, -1) e (-4, 10, 6) são ortogonais entre si, ou seja, que . = 0 : . = (1, 1, -1) . (-4, 10, 6) = -4 + 10 -6 = 0. Portanto, como um vetor diretor de r é ortogonal a um vetor normal de α, r é paralela a α. Note que uma reta paralela a um plano pode ou não estar contida neste plano: acompanhe o próximo exemplo. Exemplo Em relação ao exemplo anterior, verifique se a reta r está ou não contida no plano α. Como, de acordo com o exemplo anterior, já se sabe que a reta é paralela ao plano, tem-se agora apenas que verificar se há dois pontos de r que também pertencem a α: se houver, a reta está contida no plano, caso contrário, a reta não está contida em α. Para determinar as coordenadas de dois pontos da reta, substitua quaisquer dois valores no parâmetro t, por exemplo: t = 0 : A = (1, 2, 3) + 0 . (1, 1, -1) → A = (1, 2, 3) t = 1 : B = (1, 2, 3) + 1 . (1, 1, -1) → B = (2, 3, 2) Em seguida, verifique se os dois pontos pertencem ao plano: A = (1, 2, 3): (1, 2, 3) = (1, 3t1 + 5t2 , 2t2, 1 + 2t1) Substituindo-se t1 = 1 e t2 = 1 na primeira equação: 1 = 1 + 3t1 + 5t2 1 = 1 + 3 + 5 1 = 9 → Falso (Sistema impossível) Como o sistema de equações resultante da aplicação das coordenadas do ponto A nas equações paramétricas do plano α não possui solução, A não pertence ao plano e, por isso, pode-se afirmar que a reta r não está contida no plano α - lembre-se: para se afirmar que r está contida em α seria necessário que os dois pontos, A e B, pertencessem ao plano. 1. Seja r a reta dada pelas equações: . Verifique se r é paralela ao plano α dado por α: (x, y, z) = (1 + t1 + 2t2, 3 + t1 + t2 , 3 + 3t1 + 2t2 ). r: (x, y, z) = (2 + 3t, 5 + t, 1 + 2t) Vetor diretor: = (3, 1, 2) Plano α: (x, y, z) = (1, 3, 3) + t1(1, 1, 3) + t2(2, 1, 2) Donde: = (1, 1, 3) = (2, 1, 2) = (-1, 4, -1) Ortogonalidade: = (3, 1, 2) = (-1, 4, -1) × = (3, 1, 2) . (-1, 4, -1) × = (3).(-1) + (1).(4) + (2).(-1) × = -3 + 4 -2 × = -1 Não são ortogonais 2. Considerando o Exercício 1, verifique se r está contida no plano α. Para que uma reta esteja contida no plano, essa reta deve ser paralela ao plano e é preciso ainda mostrar que dois pontos quaisquer da reta pertencem ao plano. Como r e α não são paralelos, a reta r não está contida no plano α. 3. Verifique se o ponto A = (4, 2, 3) pertence ao plano α: (x, y, z) = (1 + t1 + 2t2 , 3 + t1 + t2 , 3 + 3t1 + 2t2 definido no Exercício 1. Para sabermos se um ponto pertence ou não a um plano, basta substituirmos as coordenadas x, y e z desse ponto na equação do plano e verificarmos se os parâmetrost1 e t2 satisfazem a equação do plano. Nesse caso, temos: α : (x, y, z) = (1 + t1 + 2t2 , 3 + t1 + t2 , 3 + 3t1 + 2t2 ) Sendo assim: (4, 2, 3) = (1 + t1 + 2t2 , 3 + t1 + t2 , 3 + 3t1 + 2t2 ) Donde Agrupando os termos semelhantes, temos Ou, equivalentemente, Precisamos agora resolver o sistema de três equações e duas incógnitas para encontrarmos, caso existam, os parâmetros t1 e t2 que satisfazem o sistema de equações. Podemos resolver, inicialmente, o sistema formado pelas duas primeiras equações. Caso exista solução, devemos substituir t1 e t2 na terceira equação para, enfim, sabermos se o sistema possui solução e, consequentemente, se o ponto A = (4, 2, 3) pertence ao plano α. Logo: Multiplicado a segunda equação por -1 temos: Vamos agora somar os termos semelhantes: Logo, t2 = 4. Podemos substituir esse valor na equação t1 + t2 = -1 , o que resulta em t1 + t2 = -1 t1 + 4 = -1 t1 = -1 – 4 t1 = -5 Finalmente, para sabermos se o ponto A pertence ao plano α, vamos substituir t1 = -5 et2 = 4 na equação 3t1 + 2t2 = 0. 3t1 + 2t2 = 0 3(-5) + 2(4) = 0 -15 + 8 = 0 -7 = 0 Como -7 ≠ 0, podemos concluir que o ponto A = (4, 2, 3) não pertence ao planoα: (x, y, z) = (1 + t1 + 2t2 , 3 + t1 + t2 , 3 + 3t1 + 2t2 ). Intersecção de retas com planos Caso exista, a intersecção entre uma reta r e um plano α , é formada pelo ponto (ou conjunto de pontos) ponto comum a ambas e que, portanto, atende às equações da reta e do plano ao mesmo tempo. Exemplo: Verifique se a reta r dada por: r: y = 3 - 2x, com z = 0, intersecta o plano α, dado por: α: 2x + y + z = 5. Para determinar uma equação vetorial de r, encontre dois pontos pertencentes a r atribuindo valores em x: Para x = 0 : y = 3 → A = (0, 3, 0) Para x = 1 : y = 3 - 2 = 1 → B = (1, 1, 0) Assim: r: (x, y, z) = + t. r: (x, y, z) = (0, 3, 0) + t . ( - ) r: (x, y, z) = (0, 3, 0) + t . ((1, 1, 0) - (0, 3, 0)) r: (x, y, z) = (0, 3, 0) + t . (1, -2, 0) r: (x, y, z) = (t, 3 - 2t, 0 com t ∈ ℝ) Em seguida, verifique se há algum ponto que atenda às equações do plano e da reta ao mesmo tempo. Por exemplo, substitua Na equação do plano: α : 2x + y + z = 5 r ∩ α : 2 . (t) + (3 - 2t) + 0 = 5 r ∩ α : 2t + 3 - 2t + 0 = 5 r ∩ α : 3 = 5 → Equação Falsa A equação falsa encontrada no desenvolvimento indica que não existe ponto que atenda tanto às equações da reta como à equação do plano e, assim, não há intersecção entre a reta e o plano. Obs.1: uma equação vetorial para a reta pode ser facilmente encontrada substituindo-se a variável x pelo parâmetro t: r : y = 3 - 2x, com z = 0 x = t : y = 3 - 2t, com z = 0 r : (x, y, z) = (t, 3- 2t, 0) Obs.2: pode-se desenvolver este exercício por meio das equações dadas, sem que seja determinada uma equação vetorial para a reta: α : 2x + y + z = 5 ∩ r : y = 3 - 2x com z = 0: 2x + 3 -2x + 0 = 5 ∴ 3 = 5 Exemplo: Verifique se a reta r dada por: P = (1, 2, 4) + t (1, 2, 1) intersecta o plano α, dado por: α: (x, y, z) = t1 . (2, 1, -1) + t2 . (0, 3, 2). Deve-se procurar por algum ponto que atenda as equações da reta e do plano, ou seja, um ponto tal que: Para t, t1 e t2 reais, ou seja, por uma solução para o sistema de equações: Da primeira equação obtém-se: 1 + t = 2t1 → 2t1 – 1 Substituindo-se este resultado na segunda equação: 2 + 2t = t1 + 3t2 → 2 + 2 . (2t1 - 1) = t1 + 3t2 → t1 = t2 Substituindo-se t = 2t1 - 1 e t1 = t2 na terceira equação, tem-se: 4 + t = - t1 + 2t2 → 4 + 2t1 - 1 = 1t1 + 2t1 → t1 = -3 Finalmente, aplicando-se t1 = -3 em t = 2t1 - 1 e t1 = t2, tem-se a solução do sistema: t = 2 . (-3) - 1 = -7 e t1 = t2 = -3, ou ainda: O plano e a reta se intersectam em P = (-6, -12, -3). Sugestões de Estudo Para conhecer um pouco mais sobre Retase Planos, confira os vídeos a seguir! https://www.youtube.com/watch?v=gyqDMNxtY7k https://www.youtube.com/watch?v=LwsQ9XXtaSs E depois de conferir os vídeos, assista às explicações dadas pelo professor Nacib Jr. no material on-line! Planos: Ângulos, Paralelismo e Perpendicularismo O ângulo θ entre dois planos α e β é dado pelo menor ângulo formado entre um vetor normal aα e um vetor normal a β, podendo ser calculado pela expressão: Destacam-se dois casos particulares: planos paralelos e planos perpendiculares. Quando dois planos forem paralelos (ângulo de 0º), os vetores normais aos dois planos também serão paralelos entre si. Observe a ilustração: Quando dois planos forem perpendiculares entre si (ângulo de 90º), os vetores normais aos dois planos serão ortogonais uns aos outros. Observe a ilustração: Exemplo Encontre a medida do ângulo entre os planos α: x + 2y - z = 0 e β: x + y + z = 0. Dos coeficientes de x, y e z nas equações gerais dos planos α e β obtêm-se os vetores: = (1, 2, -1) e = (1, 1, 1), normais, respectivamente, a α e β. Assim: cos (θ) = 0,471 Então para encontrar o ângulo, usa-se arccos (θ)=0,471, portanto θ=61,9° Qual é a medida do ângulo entre os planos α: 6x + 2y - 4z = 15 e β : 2x -4y + z = -13 ? Dos coeficientes de x, y e z nas equações gerais dos planos α e β obtêm-se os vetores: = (6, 2, -4) e = (2, -4, 1), normais, respectivamente, a α e β. Assim: Este exemplo ilustra o caso em que os vetores normais a dois planos são ortogonais entre si e, com isso, os planos são perpendiculares entre si. Lembre-se: . = 0 ⇔ e são ortogonais entre si. Intersecção entre planos A intersecção entre dois planos não paralelos entre si é uma reta cujas equações podem ser obtidas a partir das equações dos planos. Exemplo: Determine a intersecção entre os planos α: 6x + 2y -4z = 15; e β: 2x - 4y + z = -13. Como os dois planos são perpendiculares (veja o exemplo da seção anterior), a intersecção entre eles existe e pode ser determinada pelo sistema de equações a seguir: Substituindo-se z = -13 -2x + 4y em 6x + 2y - 4z = 15: Substituindo-se: Portanto, a intersecção entre os dois planos é a reta de equações: Ou ainda, fazendo-se x=t: Exemplo: Determine a intersecção entre os planos α: 6x + 2y -4z = 15 e β: 2x - 4y + z = -13, usando-se outro método. A figura a seguir ilustra a ideia de que um vetor diretor da reta formada pela intersecção de dois planos é ortogonal aos vetores normais aos planos: Os vetores = (6, 2, -4) e = (2, -4, 1) são normais, respectivamente, a α e β. Como, de acordo com as propriedades do produto vetorial, = × é um vetor ortogonal tanto a como a , = × é um vetor diretor de r. Assim: Para se determinar um vetor posição de r é preciso encontrar um ponto A que pertença aos dois planos, α e β, ou seja, é preciso determinar uma das soluções do sistema formado pelas equações dos planos. Para isso, atribua um valor qualquer (por exemplo, 0) em uma das incógnitas (por exemplo, emx): Em seguida, resolva o sistema assim obtido: O ponto pertence à reta r e, portanto, é um vetor posição de r. Finalmente, uma equação vetorial de r pode ser obtida como a seguir: Obs.: o desenvolvimento aplicado neste exemplo para a determinação do ponto A, pertencente à intersecção dos dois planos, parte do pressuposto de que o sistema de equações obtido com as equações dos planos possui grau de liberdade igual a 1, conceito este que será explorado na disciplina de Álgebra Linear. Em linhas gerais, pode-se dizer que, como apresentado, o sistema de equações formado pelas equações dos planos pode ser reduzido a duas equações em que as incógnitas y e z estão em função de x e, assim, para cada (um) valor atribuído a x, determina-se uma solução do sistema. No desenvolvimento acima, atribuiu-se o valor 0 a x, determinando-se uma dentre as soluções do sistema. 1. Encontre o ângulo formado entre os planos α : x + y + z - 5 = 0 e β : 2x + 3y + z - 12 = 0. O ângulo entre dois planos é dado pelo menor ângulo entre os vetores normais desses dois planos. A fórmula a ser utilizada é a seguinte O vetor normal ao plano α é = (1, 1, 1) e o vetor normal ao plano β é = (2, 3, 1). Substituindo esses vetores na expressão: Temos: Nesse caso, o ângulo entre os planos α: x + y + z - 5 = 0 e β : 2x + 3y + z - 12 = 0 é igual a 22,21°. Sugestões de Estudo Para conhecer um pouco mais sobre Planos: Ângulos, Paralelismo e Perpendicularismo, assista aos vídeos a seguir: https://www.youtube.com/watch?v=TZy-yItttQ8 https://www.youtube.com/watch?v=jNcZKMYHe4A E para finalizar seus estudos, acesse o material on-line e assista com atenção ao vídeo que o professor Nacib Jr. preparou para você! Planos Equações do plano Equação geral do plano: ax + by + cz + d = 0 onde a, b e c são as componentes do vetor normal , d = -ax0- by0 - cz0 e . = 0, A,P ∈ α. Equação vetorial do plano: P = A + t1 + t2 onde e são paralelos a α, A, P ∈ α e t1, t2 ∈ ℝ. Equações paramétricas do plano: Produto misto: Onde = (x1, y1 , z1 ), = (x2, y2 , z2 ) e = (x3, y3 , z3 ). Ângulo entre dois planos: Com 0 ≤ θ ≤ 90º. Na prática Vamos colocar em prática o que estudamos nessa aula! Agora que você já é capaz de encontrar um vetor normal a um plano, uma equação do plano que passa por três pontos e também como proceder para determinarmos o ângulo entre dois planos, poderá ajudar o Marcelo a resolver o seu problema. O GPS fornece coordenadas globais e, para simplificar o processo de obtenção de uma equação do plano, vamos considerar as coordenadas dos pontos em relação a um sistema hipotético de eixos, onde a origem desse sistema de eixos está localizada na parte plana do terreno e próxima ao morro. Sendo assim, as coordenadas dos pontos em relação ao sistema de eixos são: A=(2, 5, 10), B=(0, 8, 9) e C=(4, 9, 2). Para encontrar um vetor �⃗� normal a esse plano, considerar �⃗� = 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗ e 𝑣 = 𝐴𝐶⃗⃗⃗⃗ ⃗. Calcular o produto vetorial �⃗� × 𝑣 para que se possa encontrar o vetor �⃗� . O vetor �⃗� é dado por �⃗� = 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗. Logo: �⃗� = 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗ �⃗� = 𝐵 − 𝐴 �⃗� = (0, 8, 9) − (2, 5, 10) �⃗� = (−2, 3,−1) O vetor 𝑣 é dado por 𝑣 = 𝐴𝐶⃗⃗⃗⃗ ⃗. Logo: 𝑣 = 𝐴𝐶⃗⃗⃗⃗ ⃗ 𝑣 = 𝐶 − 𝐴 𝑣 = (4, 9, 2) − (2, 5, 10) 𝑣 = (2, 4,−8) A partir dos vetores �⃗� e 𝑣 , pode-se encontrar o vetor �⃗� . �⃗� = �⃗� × 𝑣 = | 𝑖 𝑗 �⃗� −2 3 −1 2 4 −8 | �⃗� = | 𝑖 𝑗 �⃗� −2 3 −1 2 4 −8 | 𝑖 𝑗 −2 3 2 4 | �⃗� = −24𝑖 − 2𝑗 − 8�⃗� − 16𝑗 + 4𝑖 − 6�⃗� �⃗� = −20𝑖 − 18𝑗 − 14�⃗� Dessa maneira, tem-se que o vetor normal ao plano é dado por �⃗� = (−20,−18,−14). Para determinar o ângulo entre dois planos, basta conhecer os vetores normais a esses planos, mas como exercício determinar também a equação do plano que passa pelos pontos A, B e C. Para encontrar a equação do plano, utilizar a expressão �⃗� . 𝐴𝑃⃗⃗⃗⃗ ⃗ = 0 com A=(2, 5, 10) e P=(x, y, z). Logo: (-20, -18, -14). ((x, y, z) - (2, 5, 10)) = 0 Subtraindo as respectivas componentes, tem-se: (-20,-18, -14) . (x - 2, y - 5, z - 10) = 0 Multiplicando (-20, -18, -14) por (x - 2, y - 5, z - 10), tem-se: (-20).(x - 2) + (-18).(y - 5) + (-14).(z - 10) = 0 Que resulta em: -20x + 40 - 18y + 90 - 14z + 140 = 0 Somando os termos semelhantes, tem-se: -20x - 18y - 14z + 270 = 0 Essa é a equação geral do plano em questão. Precisamos agora de um vetor normal ao plano horizontal. Pode-se considerar o vetor �⃗� = (0, 0, 1) como sendo o vetor normal ao plano. Mas por que isso? A resposta é bem simples. Esse vetor coincide com o vetor canônico �⃗� que é normal ao plano horizontal. horizontal, utilizar a fórmula: 𝑐𝑜𝑠𝜃 = |𝑛1⃗⃗⃗⃗ . 𝑛2⃗⃗⃗⃗ | |𝑛1⃗⃗⃗⃗ |. |𝑛2⃗⃗⃗⃗ | onde 𝑛1⃗⃗⃗⃗ = (−20,−18,−14) e 𝑛2⃗⃗⃗⃗ = (0, 0, 1). Logo: 𝑐𝑜𝑠𝜃 = |(−20,−18,−14). (0, 0, 1)| |(−20,−18,−14)|. |(0, 0, 1)| 𝑐𝑜𝑠𝜃 = |(−20,−18,−14). (0, 0, 1)| |(−20,−18,−14)|. |(0, 0, 1)| 𝑐𝑜𝑠𝜃 = |(−20)(0) + (−18)(0) + (−14). ( 1)| √(−20)2 + (−18)2 + (−14)2. √(0)2 + (0)2 + (1)2 𝑐𝑜𝑠𝜃 = | − 14| √400 + 324 + 196.√0 + 0 + 1 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 14 √920.√1 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 14 30,33 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 0,46 𝜃 = 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠(0,46) 𝜃 = 62,61° Portanto, o ângulo formado entre o plano e o plano horizontal é de 62,61°. Síntese Chegamos ao final da aula! Nessa aula, aprendemos a obter uma equação geral de um plano. Vimos também que um plano pode ser representado por equações vetoriais e também por equações paramétricas. Aprendemos a avaliar se uma reta é paralela ou perpendicular a um plano e também a encontrar, caso exista, a intersecção de uma reta com um plano. E por fim, aprendemos a encontrar o ângulo entre dois planos e verificar se há intersecção entre planos. Até a próxima! Referências WINTERLE, P. Vetores e Geometria Analítica. 2. ed. São Paulo: Pearson, 2014.
Compartilhar