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Conversa inicial Na aula de hoje, estudaremos as retas e os diversos formatos de equações de uma reta. Iniciaremos com equações cartesianas: forma reduzida e forma geral. Em seguida, veremos como se determina uma equação vetorial para uma reta bem como as respectivas equações paramétricas. Por fim, estudaremos os conceitos de ângulo formado por duas retas, paralelismo, perpendicularismo e intersecções entre retas. Acessando o material on-line, você pode assistir ao vídeo do professor Nacib Jr. sobre o conteúdo que será visto nesta aula. Não deixe de acompanhar! Contextualizando Um recurso muito utilizado em anúncios ou animações é o movimento de objetos ou de personagens sobre um determinado caminho. NÍVEL Graduação CURSO Engenharia de Produção DISCIPLINA Geometria Analítica MÓDULO A1 2016 AULA 3 PROFESSOR Nacib Mattar Jr Muitos softwares possuem ferramentas que facilitam o trabalho de criar animações, mas em alguns casos é preciso programar o movimento desejado. Mas como esse movimento é feito? Cada ponto localizado na tela de um computador corresponde a um par ordenado do tipo (x, y), algo muito parecido com as coordenadas cartesianas que conhecemos. A única diferença é que os valores positivos de y são contados de cima para baixo, e não de baixo para cima como estamos acostumados. No caso da nossa aula, para mantermos o padrão conhecido, vamos considerar o plano cartesiano usual. No caso de movimentos bidimensionais, o computador precisa da expressão matemática associada ao movimento e, ao variar o valor de x, é possível obter os respectivos valores de y. A cada par ordenado (x, y), o personagem ou objeto tem a respectiva posição na tela do computador. Por exemplo, se o objetivo é fazer com que um determinado objeto se desloque sobre uma reta, é preciso a equação dessa reta. Assista ao vídeo a seguir e veja como são feitas as animações bidimensionais e as tridimensionais: http://olhardigital.uol.com.br/video/veja-como-sao-feitas-as-animacoes- 2d-e-3d/13295 Equações Cartesianas Equação cartesiana: forma reduzida Observe a reta r representada no Plano Cartesiano a seguir: Pode-se determinar, por exemplo, a equação cartesiana da reta r, por meio das coordenadas dos pontos A=(1,6) e B=(6,5), pertencentes a r. Substituindo-se as coordenadas destes dois pontos na equação y = ax + b, a equação cartesiana reduzida para uma reta genérica, forma-se um sistema de duas equações com o qual se pode obter os coeficientes a e b, e, por consequência, a equação cartesiana reduzida da reta r em particular. Observe: Com a equação da reta – neste caso, a equação cartesiana reduzida – podem ser realizadas análises diversas sobre a reta ou o que ela representa em um contexto prático, daí a importância de conhecer métodos para determinação da equação de uma reta. Os coeficientes da equação reduzida de uma reta são denominados de coeficiente angular e coeficiente linear: Para o exemplo, tem-se: O coeficiente linear de uma reta indica o ponto em que a reta intersecta o eixo das ordenadas (eixo y), ou seja, indica que a intersecção da reta r, cuja equação cartesiana é: Com o eixo y é dada pelo ponto : O coeficiente angular de uma reta é igual a tangente do ângulo de inclinação da reta. Da equação pode-se concluir que , sendo o ângulo de inclinação da reta, marcado em relação à horizontal. Exemplo 1: Substitua x por 0, 5 e 10 na equação da reta r: e determine três pontos pertencentes à reta r. Note que o ponto é a intersecção da reta com o eixo y. Exemplo 2: Substitua y por 0, 5 e 10 na equação da reta r: , e determine três pontos pertencentes à reta r. Note que o ponto (31, 0) é a intersecção da reta com o eixo x. Exemplo 3: Dada a reta s de equação y = 3-2x, identifique os coeficientes angular e linear e determine os pontos de intersecção com o eixo das abscissas e das ordenadas. Desenhe s no Plano Cartesiano. y = 3 - 2x → Equação reduzida a = - 2 → Coeficiente angular b = 3 → Coeficiente linear Como b = 3, o ponto de intersecção com o eixo das ordenadas é igual a (0,3). Ponto de intersecção com o eixo das abscissas: Reta s: Exemplo 4: Verifique se o ponto P = (1, 2) pertence à reta de equação y = 4x + 2. Substituindo-se x = 1 e y = 2 na equação da reta obtém-se: y = 4x + 2x 2 = 4 . 1 + 2 2 = 6 → Equação Falsa Como a equação encontrada é falsa, o ponto P não pertence à reta (pertenceria se a equação encontrada fosse verdadeira). Exemplo 5: Obtenha a equação reduzida da reta r a seguir. O ponto (0, 2) é a intersecção da reta com o eixo das ordenadas, portanto: b = 2. A inclinação da reta, em relação ao eixo horizontal, é igual a 45º. Assim: a = tg (45º) = 1. Equação da reta: r: y = 1x + 2. Equação cartesiana: forma : y - y0 = m . (x - x0) A figura a seguir ilustra uma reta r com dois de seus pontos indicados, A e B. Do triângulo destacado na figura pode-se obter: Exemplo 6: Determine a equação da reta a seguir pela expressão y - y0 = m . (x - x0) Fazendo-se: A = (x0, y0) = (1, 6) e B = (x, y) = (6, 5) tem-se: Determinado o valor de m (coeficiente angular), substitua o valor encontrado e as coordenadas do ponto A: Exemplo 7: Resolva novamente o exemplo 5 usando agora a expressão y - y0 = m . (x - x0 ) . m = tg(45º) = 1 e (x0 , y0 ) = (0, 2): y - 2 = 1.(x - 0) y - 2 = x y = x + 2 Equação cartesiana: forma geral: A partir da equação reduzida de uma reta podem ser obtidas equações no formato geral: ax + by + c = 0. Observe o exemplo: Da equação reduzida obteve-se a equação x + 5y - 31 =0, no formato geral. No entanto, para esta mesma reta há inúmeras equações no formato geral, todas equivalentes entre si. Veja alguns exemplos: x + 5y - 31 = 0 5x + 25y - 155 = 0 -x - 5y + 31 = 0 10x + 50y - 310 = 0 1. Sabendo que a equação reduzida da reta r é y = ax + b, encontre a equação da reta que passa pelos pontos A = (3, 1) e B = (4, 3). 2. Determine a inclinação da reta r de equação y = 2x - 5. 3. Verifique se o ponto P = (1, -3) pertence à reta r definida por y = 2x - 5 apresentada no exercício anterior. 4. Considere a reta r dos Exercícios 1 e 2 cuja equação é y = 2x - 5. Verifique se o ponto Q = (2, 6) pertence à reta r. 5. Qual é o ponto de intersecção da reta r de equação y = 2x - 5 com o eixo y? 6. Considere a reta r de equação y = 3x + 12. Determine o coeficiente angular e o coeficiente linear dessa reta. 7. Utilizando a expressão y - y0 = m.(x - x0), determine a equação da reta que passa pelos pontos A = (2, 5) e B = (4, 3). 8. Considere a reta t representada na figura a seguir. Com base nas informações apresentadas, escreva a equação reduzida da reta t. 9. Considere a reta t apresentada no exercício anterior. Encontre a equação reduzida de t utilizando a expressão y - y0 = m.(x - x0). 10. Seja a reta r definida pela equação reduzida y = 5x + 11. Escreva a equação de r no formato geral. Para compreender melhor o conteúdo visto nesta parte da aula acompanhe o vídeo feito pelo professor Nacib Jr no material on-line! Retas: Equação VetorialEquação vetorial da reta Como comentado anteriormente, uma mesma reta no Plano Cartesiano possui diversas equações, todas equivalentes entre si, que a representam. Observe novamente a representação da reta r, agora com dois vetores destacados na figura: A soma de com um múltiplo de resulta sempre em um vetor com ponto inicial na origem e ponto final sobre a reta r. Por exemplo, para + 1 . = (1, 6) + 1.(5, -1) = (6, 5), o vetor resultante, em amarelo na figura a seguir, possui extremidade final em B, que é ponto de r: Um outro exemplo é dado pelo caso em que se tem + 2. : O ponto P, dado por P = + 2. = (1, 6) + 2.(5, -1) = (1, 6) + (10, - 2) = (11, 4) é ponto de r(verifique!). Para citar mais um exemplo, caso se tenha -1. a representação é dada pela figura a seguir: O ponto P dado por P = + (-1). = (1, 6) - 1.(5, -1) = (-4, 7) também é ponto de r. Por este procedimento é possível obter qualquer ponto da reta r, desde que se encontre o “múltiplo” adequado de , isto é, desde que se determine o valor para o parâmetro real t na expressão: P = (1, 6) + t. (5, -1), expressão esta denominada de equação vetorial da reta. Os dois vetores usados na composição desta fórmula são denominados de vetor posição e vetor diretor, sendo o vetor posição um vetor com extremidade inicial na origem do plano cartesiano e extremidade final sobre um ponto de r, enquanto o vetor diretor é um vetor paralelo à r. Em resumo, tem-se, para este caso: = (1, 6) → vetor de posição = (6, 5) - (1, 6) = (5, -1) → vetor de direção Um ponto qualquer da reta r pode ser determinado por: r(t)=P=(1,6) + t.(5,-1) → Equação vetorial de r r(t)=P=(vetor posição)+t.(vetor direção), para t ∈ ℝ → Equação vetorial de r Como comentado, o vetor resultante, r(t), sempre possui extremidade final em um ponto de r, determinando, assim, os pontos que compõem a reta r. Na equação vetorial, t é denominado de parâmetro e uma equação vetorial de uma reta pode ser entendida como uma parametrização desta reta, ou seja, uma representação desta reta por meio de uma regra P = r(t) que calcula as coordenadas dos pontos P pertencentes à reta em função do parâmetro real t. Encontre uma equação vetorial da reta que passa pelos pontos A = (1, 2) e B = (3, 5). Pode-se fazer: = (1, 2) → Vetor posição = (3, 5) - (1, 2) = (2, 3) → Vetor direção E então: P= (1, 2)+ t. (2, 3) Ou ainda: (x, y)= (1 + 2t, 2 + 3t) Como a formulação da equação vetorial da reta depende da escolha dos pontos A e B – e, em consequência, dos vetores posição e diretor – cada reta possui inúmeras equações vetoriais, todas equivalentes entre si. É importante notar que são duas as escolhas possíveis para o sentido do vetor diretor: dados dois pontos A e B de uma reta, pode-se escolher como vetor diretor tanto vetor como o vetor , e o sentido do vetor diretor define o sentido da parametrização r(t). A regra r(t) = (Vetor posição)+ t.(Vetor direção) é válida para o plano cartesiano – espaço ℝ² -, para o espaço tridimensional – espaço ℝ³ - e também para espaços de dimensões maiores, ainda que, nestes casos, não exista uma representação geométrica. Observe o exemplo a seguir, para uma reta r em ℝ³, em que foram destacados dois pontos pertencentes a r, e , bem como os vetores posição, vetor a, e diretor, vetor b. Omitiram-se os eixos para simplificar o desenho: O desenho a seguir ilustra o conceito da equação vetorial para r (para cada valor real de t obtém-se um ponto da reta r): 1. Determine uma equação vetorial da reta r que passa pelos pontos M = (2, 4) e N = (5, 3). 2. Encontre uma equação vetorial para a reta r passando pelos pontos A = (1, 2, 1) e B = (2, 3, 3). Dada uma equação vetorial de uma reta r, todo ponto de r pode ser obtido por meio desta equação e vale também o contrário, todo ponto obtido a partir desta equação será um ponto der. Equações paramétricas da reta Dada uma reta r qualquer, uma sua equação vetorial pode ser obtida por: r(t)=(vetor posição)+t.(vetor direção) Para t ∈ ℝ, de acordo com o exposto anteriormente. Para retas em ℝ² ou ℝ³ tem-se: Retas em ℝ²: r(t) = (x, y) = (xa , ya) + t.(xb , yb) Retas em ℝ²: r(t) = (x, y, z) = (xa , ya, za) + t.(xb , yb , za) As equações obtidas pela comparação dos componentesx, y e z nas expressões acima são denominadas de equações paramétricas da reta: Retas em ℝ²: Retas em ℝ³: Exemplo 1: Seja r a reta em ℝ² que passa pelos pontos A = (3, -1) e B = (2, 4). Encontre duas parametrizações possíveis para r e as respectivas equações paramétricas em cada caso. Cada equação obtida por r(t) = (x, y) = (xa, ya) + t.(xb, yb) é uma parametrização de r que será definida a partir da escolha dos vetores posição e diretor. Como são conhecidos os pontos A = (3, -1) e B = (2, 4), uma primeira escolha poderia ser (sempre para t real): = = (3, -1) → vetor posição = = - = (2, 4) - (3, -1) = (-1, 5) → vetor direção r(t) = (x, y) = (3, -1) + t.(-1, 5) Neste caso, as equações paramétricas seriam dadas por: Também é possível fazer: = = (2, 4) → vetor posição = = - = (3, -1) - (2, 4) = (1, -5) → vetor direção r(t) = (x, y) = (2, 4) + t.(1, -5) Note que o sentido do vetor diretor escolhido neste caso é contrário ao do vetor diretor anterior. As equações paramétricas seriam dadas por: Para encontrar novas parametrizações é possível, por exemplo, usar as parametrizações acima para determinação de outros pontos da reta r para que sejam então escolhidos outros vetores posição e diretor. Exemplo 2: Seja r a reta em r a reta em ℝ³ que passa pelos pontos r a reta em A = (3,-1,5) e r a reta em B = (2,4,6). Encontre duas parametrizações possíveis para r e as respectivas equações paramétricas em cada caso. Uma primeira escolha poderia ser (sempre para r a reta em t real): = = (3, -1, 5) → vetor posição = = - = (2, 4, 6) - (3, -1, 5) = (-1, 5, 1) → vetor direção r(t) = (x, y, z) = (3, -1, 5) + t.(-1, 5, 1) Neste caso, as equações paramétricas seriam dadas por: Também é possível fazer: = = (2, 4, 6) → vetor posição = = - = (3, -1, 5) - (2, 4, 6) = (1, -5, -1) → vetor direção r(t) = (x, y, z) = (2, 4, 6) + t.(1, -5, -1) Novamente, o sentido do vetor diretor escolhido neste caso é contrário ao do vetor diretor anterior. As equações paramétricas seriam dadas por: Exemplo 3: Volte ao exemplo 2 e, para cada uma das parametrizações obtidas, determine o parâmetro correspondente ao ponto P = (-7, 49, 15). De r(t) = (x, y, z) = (3, -1, 5) + t. (-1, 5, 1), primeira parametrização obtida no exemplo 2, tem-se: e então: . Portanto, para esta parametrização, o parâmetro t = 10 corresponde ao ponto P = (-7,49,15). De r(t) = (x, y, z)= (2, 4, 6) + t . (1, -5, -1), primeira parametrização obtida no exemplo 2, tem-se: e então: . Portanto, para esta parametrização, o parâmetro t = –9 corresponde ao ponto P = (-7, 49, 15). Exemplo 4: No exemplo anterior, caso o ponto P fosse P = (-5, 24, 10), poderiam ser obtidos os parâmetros a ele correspondente em cada parametrização? De r(t) = (x, y, z) = (3, -1, 5) + t.(-1, 5, 1) tem-se: Como t não possui o mesmo valor nas três equações paramétricas, P = (-5, 24, 10) não é ponto da reta r e, portanto, não pode ser representado pelas parametrizações de r. Verifique que a mesma conclusão pode ser obtida a partirda parametrização dada por: r(t) = (x, y, z) = (2, 4, 6)+ t.(1, -5, -1). Exemplo 5: Considere o Exercício 1. Obtenha as equações paramétricas da reta r. Para finalizar, reveja o conteúdo assistindo ao vídeo do professor Nacib Jr disponível no material on-line! Retas: Ângulo, Paralelismo Ângulo entre retas, paralelismo e perpendicularismo O menor ângulo formado entre duas retas coincide com o menor ângulo formado entre os vetores diretores de cada reta: O ângulo entre duas retas r e s, dado pelo menor ângulo formado entre um vetor diretor de r e um vetor diretor de s, pode ser calculado por uma das formulações do produto interno: , ou ainda: Exemplo 1: Determine o ângulo entre as retas r e s com vetores diretores: Exemplo 2: Determine o ângulo entre as retas r e s dadas, respectivamente, pelas equações vetoriais: P = (1,-5,4) + t.(3,2,-4) e P = (0,0,4) + t.(2,1,2). Das equações podem ser obtidos vetores diretores de cada reta: : Assim: As retas r e s são ortogonais entre si! Exemplo 3 Determine o ângulo entre as retas r e s dadas, respectivamente, pelas equações vetoriais: r e P = (4,0,1) + t.(1,-3,2) e r e P = (5,5,4) + t. (-3,9,-6). Das equações podem ser obtidos vetores diretores de cada reta: . Assim: As retas r e s são paralelas entre si! Exemplo 4: Encontre um vetor diretor para cada uma das retas dadas por r: y= 3x + 5 e s: y= 3x + 1 e use os vetores encontrados para verificar que as retas são paralelas entre si. Reta r: y = 3x + 5: É possível obter dois pontos, A e B, da reta r substituindo-se dois valores distintos em x. Por exemplo: x = 0 : y = 3 . 0 + 5 = 5 → A = (0, 5) x = 1 : y = 3 . 1 + 5 = 8 → B = (1, 8) Com A e B pode-se determinar um vetor diretor da reta r: Reta s: y = 3x + 1: É possível obter dois pontos, P e Q, da reta s substituindo-se dois valores distintos em x. Por exemplo: x = 0 : y = 3 . 0 + 1 = 1 → P = (0, 1) x = 1 : y = 3 . 1 + 1 = 4 → Q = (1, 4) Com P e Q pode-se determinar um vetor diretor da reta s: Como e são paralelos entre si (neste exemplo os vetores são mais do que paralelos entre si: são equipolentes), as retas são paralelas entre si. Observe: 1. Determine o ângulo entre as retas r1 e r2 de equações: Precisaremos utilizar as teclas e . Vamos digitar o valor do cosseno de . Nesse caso, 0,7219. Depois precisamos pressionar a tecla [SHIFT] e em seguida a tecla [cos-1]. Em alguns outros modelos, primeiro pressionamos a tecla [SHIFT], em seguida a tecla [cos-1] e depois digitamos o valor 0,7219. Veja como é simples: 1° Caso: [ 0,7219 ] [ SHIFT ] [ cos-1 ] 2° Caso: [ SHIFT ] [ cos-1 ] [ 0,7219 ] [ = ] 2. Mostre que as retas r e s dadas por r e s são ortogonais. 3. Considere as retas g e h definidas pelas equações vetoriais g = (1, 9, 6) + t.(3, -2, 4) e h = (0, 3, -5) + t.(-6, 4, -8). Mostre que g e h são paralelas. Antes de partir para a próxima parte da aula, reveja no material on-line o conteúdo que você acabou de estudar: Retas: Ângulo, Paralelismo e Perpendicularismo. Intersecção entre Retas A intersecção entre duas retas, caso exista, pode ser obtida pela determinação do ponto cujas coordenadas solucionam os sistemas de equações formados pelas equações paramétricas das duas retas. Exemplo 1: Determine, se existir, o ponto de intersecção entre as retas r e s, sendo: e , para a e b reais. Se houver um ponto P = (xp, yp, zp) que pertença tanto àr como a s, obrigatoriamente se tem: , ou ainda: Como o sistema acima tem solução dada por a = 3 e b = 1, as duas retas possuem um ponto de intersecção, cujas coordenadas podem ser calculadas substituindo-se a = 3 nas equações de r ou b = 1 nas equações de s: Ou então: Exemplo 2: Verifique se há ponto de intersecção entre as retas r e s, sendo: r: (x, y, z) = (2 + 3t, 5t, t) e , para a e t reais. Se houver um ponto P = (xp, yp, zp) que pertença tanto à r como a s, obrigatoriamente se tem: ou ainda: Mas este sistema não possui solução, portanto, r e s não se intersectam. Exemplo 3: Verifique que as retas r e s são paralelas entre si, sendo r: (x, y, z) = (-1 + t, 3 + 2t, 2 + 3t) e , para a e t reais. Pode-se escrever: r:(x,y,z) = (-1,3,2) + t. (1,2,3) e s: (x,y,z) = (0,4,1) + t. (2,4,6) com o que ficam evidenciados os vetores posição e diretor da parametrização de cada reta, em especial, os vetores diretores: e , múltiplos um do outro ( ). Sendo assim, as retas podem ser paralelas entre si ou coincidentes. Para eliminar esta última hipótese, basta encontrar um ponto de r que não pertença a s, por exemplo, o ponto de coordenadas (-1, 3, 2) - verifique que, de fato, este ponto não pertence à reta s. 1. Sejam as retas: Verifique se w e z são concorrentes. Em caso afirmativo, determine o ponto P de intersecção dessas retas. Equações da reta Equação cartesiana na forma reduzida: y = ax + b onde a é o coeficiente angular e b é o coeficiente linear. Equação cartesiana na forma y - y0 = m.(x - x0), onde e (x0, y0) = (xA, yA) ou (x0, y0) = (xB, yB). Equação cartesiana na forma geral: ax + by + c = 0 Equação vetorial: r(t) = (vetor posição) + t(vetor direção) t ∈ ℝ, Para retas em R2: r(t) = (xA, yA) + t.(xB, yB) Para retas em R3: r(t) = (xA, yA, zA) + t.(xB, yB, zB) Equações paramétricas da reta: Ângulo entre retas, paralelismo e perpendicularismo Ângulo entre duas retas: Retas ortogonais: r1 r2 ⇔ 1 . 2 = 0 onde 1 e 2 são as direções de r1 e r2, respectivamente. Se r1 e r2 são concorrentes, então r1 e r2 são perpendiculares. Obs.: Duas retas são concorrentes quando há um ponto de intersecção entre elas. Retas paralelas: Duas retas são paralelas quando o ângulo entre elas é igual a 0. Intersecção de retas: Duas retas r1 e r2 possuem intersecção caso haja um ponto P comum às duas retas. Para encerrar essa aula, aprimore seus conhecimentos sobre Intersecção entre Retas assistindo ao vídeo com o professor Nacib Jr. no material on-line! Bons estudos! Na prática Vamos colocar em prática o que estudamos nessa aula! Um programador deseja fazer uma animação simples, onde um barco localizado no ponto de coordenadas (3, 5) irá se deslocar sobre uma linha reta até chegar ao ponto de coordenadas (10, 8). Para isso, ele irá precisar da equação da reta que passa por esses dois pontos. Vamos ajudá-lo a encontrar essa equação? Com o que estudamos até aqui, encontre a equação reduzida da reta. A forma geral da equação da reta é y=ax+b. Basta substituirmos as coordenadas de cada ponto na equação e resolvermos o sistema linear resultante. Portanto, para encontrarmos a equação reduzida da reta, precisamos resolver o seguinte sistema: { 3𝑎 + 𝑏 = 5 10𝑎 + 𝑏 = 8 Podemos utilizar o método da adição. Vamos multiplicar a primeira equação por (-1): { −3𝑎 − 𝑏 = −5 10𝑎 + 𝑏 = 8 Agora precisamos somar as equações termo a termo: Para o ponto de coordenadas (3, 5), temos: y=ax+b 5=a.3+b 5=3a+b 3a+b=5 Essa é a primeira equação. Para o ponto de coordenadas(10, 8), temos: y=ax+b 8=a.10+b 8=10a+b 10a+b=8 Essa é a segunda equação. { −3𝑎 − 𝑏 = −5 10𝑎 + 𝑏 = 8 7𝑎 + 0 = 3 Resolvendo a equação 7a=3, temos a=3/7. Para encontrarmos o valor de b, basta substituirmos a=3/7 em uma das duas equações. Escolhendo ao acaso a primeira equação, temos: 3a+b=5 3(3/7)+b=5 9/7+b=5 b=5-9/7 b=35/7-9/7 b=26/7 Logo, a equação da reta que passa pelos pontos (3, 5) e (10, 8) é dada por: 𝑦 = 3 7 𝑥 + 26 7 Síntese Chegamos ao final da aula! Após os estudos, você é capaz de determinar a equação reduzida da reta, na forma 0 0y y m x x e na forma geral. Conhecemos também a equação vetorial da reta e as equações paramétricas. Em seguida, aprendemos a calcular o ângulo entre retas, determinar se duas retas são paralelas ou perpendiculares entre si e a encontrar, caso exista, a intersecção entre duas retas. Até a próxima! Referências WINTERLE, P. Vetores e Geometria Analítica. 2. ed. São Paulo: Pearson, 2014.
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