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apostila vetor (1)

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Capítulo 3.
Vetores-
Definição
Conceitos matemáticos são muitas vezes ligados a fenômenos físicos, para adequada representação dos mesmos. Grandezas como temperatura, potência e outras são completamente definidas por um único valor numérico. Exemplificando: 5 kg de massa, 10 m2 de área, 12 cm de largura.
Tais grandezas são denominadas escalares porque, na forma gráfica, podem ser visualizadas como um ponto em uma escala conforme Figura (a).
Outras, como velocidade, força, etc., precisam, além do valor escalar, de uma direção e um sentido, e graficamente são representadas por um segmento de reta com seta, sendo estas chamadas grandezas vetoriais.
Portanto, um vetor define corretamente a grandeza através do seu comprimento e do ângulo que faz com uma referência, conforme (b) da figura.
Exemplo: Uma força é aplicada em um corpo, sendo a direção, sentido e intensidade da força representados pelo vetor denotado por 
 de acordo com a figura.
Comprimento de 
: Representa a intensidade da força.
Ângulo que 
 faz com a referência: Fornece a direção e sentido de 
.
Notações de vetor
Uma letra minúscula encimada por uma seta. Ex: 
Uma letra latina minúscula sobrelinhada. Ex: 
Dois pontos que são a origem e a extremidade do vetor.
 Ex:
 Vetor: 
Vetores equivalentes.
Vetores orientados com mesma direção, mesmo sentido e mesmo comprimento representam o mesmo vetor. 
 Não equivalentes
 Equivalentes
Módulo de um vetor
	É o número não negativo que indica o comprimento do vetor.
 
 
Vetor nulo (
)
	É um vetor de módulo igual a zero, sendo um ponto a sua representação gráfica.
Vetor unitário
	É o vetor de módulo igual a 1.
 
 Então: 
Versor
	O versor de um vetor 
 não nulo, é o vetor unitário que tem a mesma direção e o mesmo sentido de 
.
 Exemplo:
� então 
 
Vetor oposto
Dado um vetor 
 o seu oposto é o vetor 
, e se indica por -
. O vetor oposto de um vetor 
 é representado por -
.
Exemplo: 
Vetores paralelos
	Dois vetores são paralelos se possuem a mesma direção.
Exemplo:
 
 
Multiplicação de um vetor por um escalar
	Seja k um escalar e 
 um vetor. O produto do vetor 
 pelo número real k é representado por 
.
 
: Tem a mesma direção de 
;
 Tem comprimento 
 vezes o comprimento de 
;
 Tem o mesmo sentido de 
 se k > 0, e sentido contrário a 
 se k<0.
	A figura ilustra a relação entre 
 e os vetores 
, 
 e 
 �
	Um vetor da forma 
 é chamado múltiplo escalar de 
. Como é visível da figura anterior, vetores que são múltiplos escalares um do outro são paralelos.
Soma e subtração de vetores.
Somando dois vetores
A regra da adição: dados os vetores 
 e 
, faça uma translação de 
 de modo que seu ponto inicial coincida com o ponto final de 
. A soma 
 é o vetor que sai do ponto inicial de 
 e vai até o ponto final de 
 
Na figura abaixo, construímos duas somas 
 e 
, ficando evidente que:
 
 
É evidente também que a soma coincide com a diagonal do paralelogramo determinado por 
 e 
 quando estes vetores são posicionados com o mesmo ponto inicial. Isto conduz a uma versão equivalente à regra da adição:
Regra do paralelogramo- Dados os vetores 
 e 
, sua soma 
 é o vetor sobre a diagonal do paralelogramo determinado por 
 e 
. (ver figura abaixo)
 
Subtraindo dois vetores 
	Se 
 e 
 são dois vetores quaisquer então a diferença entre 
 e 
 é definida por 
 
 (Ver figura abaixo)
 �
	Para obter a diferença 
 sem construir 
, posicione 
 e 
 de tal modo que seus pontos iniciais coincidam; o vetor do ponto final de 
 ao ponto final de 
 é então o vetor 
 (Ver figura abaixo).
 �
	Da figura abaixo, pode-se ver que: Num paralelogramo construído sobre dois vetores 
 e 
, 
 e 
 correspondem às diagonais deste paralelogramo.
 
 Exercícios:
1) Desenhe os vetores 
, 
 
2) Some os vetores pelo primeiro modo (origem com extremidade)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3) Some os vetores pela regra do paralelogramo.
 
 
 
 
4) Desenhe o vetor:
a) 
 
 
b) 
 
 
 
 
Vetores em sistemas de coordenadas
	A introdução de um sistema de coordenadas retangulares muitas vezes simplifica problemas envolvendo vetores. Seja V um vetor no plano, que tenha sido posicionado com seu ponto inicial na origem de um sistema de coordenadas retangulares de acordo com a figura abaixo. As coordenadas 
 do ponto final de V são chamadas de componentes de V e escrevemos
 V
 �
	Por exemplo: Na figura abaixo 
 
	Muitas vezes é conveniente usar vetores coluna ao invés de vetores linha, por exemplo, outra representação de 
 é 
.
	Um vetor que tem seu ponto inicial na origem, está na posição padrão. Todo vetor pode ser desenhado na posição padrão.
 �
Um vetor nem sempre está na posição padrão, ou seja, seu ponto inicial pode ser um ponto qualquer do plano.
	Por exemplo, considere um vetor 
 com ponto inicial A=(3,1) e ponto final B=(6,3), podemos ver pela figura que em termos de componentes 
 pode ser escrito como 
 
 
Note que o vetor 
. é simplesmente a diferença entre as respectivas coordenadas.
Exemplo: 
Dados A=(-1,2) e B=(3,4), ache 
 e redesenhe-o (a) na posição padrão e (b) com ponto inicial no ponto C=(2,-1).
Solução:
 
Exercícios:
5) Desenhe os seguintes vetores em posição padrão em 
.
a) 
 b) 
 c) 
 d) 
6) Para cada um dos seguintes pares de pontos, desenhe o vetor 
. Depois determine e redesenhe 
 na posição padrão.
a) A=(2,2), B= (3,5) b) A=(-3,5), B= (6,-2)
7) Ache o vetor representado pela flecha 
, onde P = (1,2), Q = (2,4). Represente 
 no plano de duas maneiras: Uma com origemem P e outra com origem em (0,0).
Operações vetoriais de soma e multiplicação por escalar em termos de componentes.
Soma
Como é ilustrado na figura abaixo, se 
 V
 e W= 
Então V + W= 
 �
Observe que em termos de notação de vetores coluna teremos,
 V + W
Exemplo:
Dados 
 e 
, calcule e desenhe 
.
Solução: 
Multiplicação por escalar
Se V
 e 
 é um escalar então 
 
V
 ou 
V
 �
Exemplo:
Se 
, determine e desenhe 
,
 e 
.
Solução:
 
Subtração
Sejam V
 e W= 
Então V - W= 
Resultado a que se chega das definições anteriores de soma e multiplicação por escalar, pois:
 V – W= V + (- W)= V + (-1) W
 
 
Exemplo:
Sendo 
 e 
, calcule 
 e desenhe 
, 
 e 
.
Exercícios:
8) Sendo 
 b) 
 c) 
 
Determine os vetores indicados e mostre como os resultados podem ser obtidos geometricamente.
a) 
 b) 
9) Sendo 
Calcule
Vetores no espaço tridimensional
Sistema de coordenadas retangulares tridimensional
Para construir um sistema de coordenadas retangulares tridimensional, selecionamos um ponto O, denominado origem e escolhemos três retas mutuamente perpendiculares passando pela origem, e denominadas eixos coordenados. Designe estes eixos por 
, 
 e 
 e selecione um sentido positivo para cada eixo coordenado, de acordo com a regra da mão-direita: Posicione quatro dedos da mão direita (de acordo com a figura) na direção e sentido de 
 positivo, gire os dedos na direção do eixo y positivo, a direção que apontar o dedo polegar será a direção positiva do eixo z.
 
Cada par de eixos coordenados determina um plano coordenado. Referimo-nos aos planos coordenados como planos 
, 
 e 
.
A cada ponto P no espaço tridimensional associamos um terno 
, de números, chamados coordenadas de P. (Ver figura abaixo)
Exemplo:
Marque os pontos cujas coordenadas são A=(3,4,5), B=(0,2,5) e C= (2,-2,3)
Vetores no espaço tridimensional
Se um vetor V no espaço tridimensional for posicionado com seu ponto inicial na origem de um sistema de coordenadas retangulares, como na figura abaixo, então as coordenadas do ponto final são chamadas os componentes de V e escrevemos 
 V
Tudo o que foi feito para vetores no plano se generaliza para vetores no espaço tridimensional. Veja o exemplo: 
 Se 
 e 
 então 
 
 
 
Exercícios:
10) Marque em um sistema de coordenadas tridimensional os pontos:
A= (3,4,5) B= (-3,4,5) C= (3,-4,5) D= (3,4,-5) E= (3,0,3)
11) Esboce os seguintes vetores com ponto inicial na origem:
 
 
12) Sendo 
Calcule
Obtendo as componentes de um vetor (Vetores dados por extremidades).
	Vimos anteriormente, no estudo de vetores no plano, que um vetor nem sempre está na posição padrão, ou seja, seu ponto inicial pode ser um ponto qualquer do plano. Do exemplo dado vimos que um vetor com ponto inicial em A=(3,1) e ponto final B=(6,3), pode ser escrito como 
 
Sendo o vetor 
 simplesmente a diferença entre as respectivas coordenadas.
	Este resultado pode agora ser obtido, usando o conceito de diferença entre vetores. Observe a figura: 
Seja 
 o vetor com origem no ponto 
 e extremidade no ponto 
. Da figura vemos que
 
 
O que implica 
Logo:
 Sendo 
 e 
, o vetor 
 será dado por 
Exemplo:
Ache o vetor representado pela flecha 
, onde P = (1,2), Q = (2,4). Represente 
 no plano de duas maneiras: Uma com origem em P e outra com origem em (0,0).
	Em três dimensões, para obter o vetor 
 com extremidades 
 e 
, procedemos da mesma maneira anterior. Veja a figura:
Seja 
 o vetor com origem no ponto 
 e extremidade no ponto 
. Da figura vemos que
 
O que implica 
Logo:
 Sendo 
 e 
, o vetor 
 será dado por 
Exemplo:
Encontre o vetor 
, onde P = (1,2,3), Q = (4,5,6).
Solução: 
 
Exercícios:
13) Encontre as componentes do vetor de ponto inicial 
 e ponto final 
.
a) 
 b) 
c) 
 d) 
Norma de um vetor
O comprimento (módulo) de um vetor 
é muitas vezes chamado de norma de 
, podendo ser denotada por 
 ou 
.
Cálculo da norma de um vetor em termos das coordenadas do vetor.
Espaço bidimensional
Seja 
 �
Da figura vemos que a e b são as medidas dos catetos de um triângulo retângulo e 
 é o valor da hipotenusa . Do teorema de Pitágoras temos
 
Logo:
Sendo 
 a norma de 
 será dada por 
Exemplo:
Sendo 
, calcule 
.
Solução: 
 
=
Exemplo:
Calcule a norma do vetor de ponto inicial (5,3) e ponto final (2,4)
 
 
=
 (pois 2-5 e 4-3 são as componentes x e y respectivamente de 
)
 =
=
Espaço tridimensional
Seja 
Da figura vemos que a hipotenusa do triângulo retângulo no plano 
 de catetos a e b, é um cateto do triângulo retângulo que tem valor da hipotenusa 
.Chamando de h o valor da hipotenusa do triângulo retângulo no plano 
, temos 
 
 (1)
Mas 
�� EMBED Equation.3 (2)
Substituindo (1) em (2) finalmente obtemos
 
Logo:
Sendo 
 a norma de 
 será dada por 
Exemplo:
Calcule o módulo do vetor 
.
Solução:
 
Exemplo:
Calcule o módulo do vetor 
, onde P = (1,2,3), Q = (4,5,6).
Solução:
 
Ou diretamente: 
Exercícios:
14) Calcule a norma dos vetores:
15) Calcule a norma dos vetores de ponto inicial P e ponto final Q.
a) P = (3,2), Q = (2,1)
b) P = (3,-7,2), Q = (-2,5,-4)
c) P = (1,4), Q = (3,2)
d) P = (1,2,3), Q = (4,5,6)
16) Encontre um vetor unitário u com o mesmo sentido de a, sendo a = (3,4).
17) Encontre um vetor unitário v com sentido contrário a b, sendo b = (1,2,4).
Vetores unitários canônicos 
	Considere os vetores 
 
 
Estes vetores têm cada um módulo 1 e estão sobre os eixos coordenados (de acordo com a figura). Eles são chamados vetores unitários canônicos do espaço tridimensional.
 
Cada vetor 
 pode ser escrito em termos de 
,
 e 
, pois 
 
 =
Por exemplo, 
 
Exemplo:
Escreva o vetor de componentes (2,3) em termos dos vetores unitários na direção x e y no plano. Represente graficamente.
Solução:
Exercícios:
18) Dados 
 e 
 em cada item calcule: 
.
a) 
 
b) 
19) Sendo 
, 
 e 
 calcule a expressão 
.
Produto escalar de vetores
Conceito
Sejam u e v dois vetores no espaço bi ou tridimensional e suponha que estes vetores foramposicionados de tal modo que seus pontos iniciais coincidem. Pelo ângulo entre u e v entende-se o ângulo 
 determinado por u e v que satisfaz 
, conforme figura abaixo.
 �
Definição:
Se 
e 
 são vetores no espaço bi ou tridimensional e 
 é o ângulo entre eles, então o produto escalar 
, ou produto interno, é definido por
 
Exemplo:
O ângulo entre os vetores 
 e 
 é de 45° Calcule 
Solução: 
 
 
Vetores ortogonais
Dois vetores 
e 
 são perpendiculares se o ângulo 
 entre eles é um ângulo reto, isto é, 
 radianos, ou 90°.
Assim 
, portanto 
	Isto motiva a seguinte definição:
 Dois vetores 
e 
 são ortogonais entre si se 
Produto escalar em termos de componentes
Para efeitos de cálculo, é desejável ter uma fórmula que dê o produto escalar de dois vetores em termos dos componentes do vetor.
Sendo dados 
 e 
, como calcular 
?
Temos:
Logo:
 
No entanto:
analogamente 
 
analogamente 
 
Assim: 
Logo:
Seja 
 e 
 dois vetores no espaço. O produto escalar entre 
 e 
, é dado por
 
Analogamente: 
Seja 
 e 
 dois vetores no plano. O produto escalar entre 
 e 
, é dado por
 
Exemplo:
Considere os vetores 
 e 
. Encontre 
.
Obtendo o ângulo entre vetores
Se 
 e 
 são vetores não-nulos, então podemos escrever
 
Exemplo:
Considere os vetores 
 e 
.
a) Encontre 
b) Determine o ângulo 
 entre 
 e 
Exemplo:
Considere os vetores 
 e 
.
a) Encontre 
b) Determine o ângulo 
 entre 
 e 
Exercícios:
20) Encontre 
a) 
 e 
 b) 
 e 
c) 
 e 
 d) 
 e 
.
21) Nos exercícios de a até b, calcule o ângulo entre os vetores:
a) 
b) 
Produto vetorial de vetores
Definição
O produto vetorial entre dois vetores 
, é outro vetor perpendicular ao plano formado por 
e 
,sendo a direção e o sentido deste, dados pela regra da mão-direita, de acordo com a figura:
�
O módulo de 
 é definido pela expressão
Exemplo:
Considere um elétron penetrando em uma região com campo magnético 
, como mostrado na figura.
A expressão que fornece a força sofrida pelo elétron ao penetrar no campo é dada por
 
 (onde q é a carga do elétron, 
é a velocidade e 
 é o campo magnético).
Em cada caso desenhe na figura o vetor 
 e calcule 
. Considere 
1, 
3,0x107m/s e 
1,5 
(Newton vezes segundo sobre metro) 
�� EMBED Equation.3 2,0
a)
 
 B1
b) 
 c) 
 
 B3
 B2 
Produto vetorial em termos de componentes
Sendo dados 
 e 
, como encontrar 
?
Temos:
Logo:
 
No entanto:
analogamente 
 
Observando as figuras e utilizando o fato que 
, podemos concluir que 
. 
 
Assim temos:
e 
 
Logo teremos:
 
Expressão que pode ser colocada na forma de determinante (“Simbólico”):
Exemplo:
Calcule o produto vetorial entre os vetores:
 
Exercícios:
22) Nos exercícios de a até c, use produto vetorial para encontrar um vetor não nulo 
, ortogonal a 
e 
. 
a) 
 = (3,2,1), 
= (4,1,3)
b) 
= (2,-1,3), 
= (5,1,-1)
c) 
= (3,4,5), 
= (1,2,3)
 Exercícios de Revisão 
1) Sendo 
 b) 
 c) 
 
a) Desenhe num mesmo sistema de coordenadas os vetores acima na posição padrão.
b) Desenhe num mesmo sistema de coordenadas os vetores acima com suas origens em (1,1).
c) Determine 
 e mostre como o resultado pode ser obtido geometricamente.
c) Determine 
e mostre como o resultado pode ser obtido geometricamente.
2) Esboce os seguintes vetores com ponto inicial na origem:
 
 
3) Sejam 
. Encontre os componentes de
4) Encontre as componentes do vetor de ponto inicial 
 e ponto final 
.
a) 
 b) 
c) 
 d) 
5) Dados a e b em cada item calcule: 
.
a) 
= (2,3), 
=(-1,-2)
b) 
 = 
+3
, 
= -2
-5
c) 
= (0,2,1), 
=(-1,1,1)
d) 
6) Encontre um vetor unitário 
com o mesmo sentido de 
e um vetor unitário 
com sentido oposto ao de 
.
7) Encontre 
a) 
 e 
 b) 
 e 
c) 
 e 
 d) 
 e 
.
8) Nos exercícios de a até b, calcule o ângulo entre os vetores:
a) 
b) 
9) Sejam p = (2,k) e q = (3,5). Encontre k tal que p e q são ortogonais.
10) Encontre todos os possíveis valores de k para os quais os dois vetores são ortogonais.
a) 
b) 
11) Encontre um vetor que é ortogonal a ambos 
e 
a) 
 e 
 
b) 
 e 
 
12) Sejam 
. 
 e 
 calcule 
a) 
b) 
APLICAÇÕES DE VETORES.
Distância entre dois pontos
A distância entre dois pontos 
 e 
 é a norma do vetor 
.
 e 
 no plano:
 
 e 
 no espaço tridimensional:
 
Exemplo:
Encontre a distância entre os pontos:
a) P (2,3) e Q=(5,4)
b) P (1,0,-5) e Q=(3,-2,4)
Cálculo de ângulos
Exemplo:
Encontre os ângulos internos do triângulo com vértices (0,-1), (1,-2) e (4,1).
Solução:
Um exemplo em física
Um bloco é puxado por uma força 
, se deslocando na direção 
. Qual a intensidade da força? Qual o valor da força na direção do deslocamento? e perpendicular ao deslocamento (força dada em Newton)? Qual o ângulo entre a força e a direção do deslocamento? Desenhe.
�
Intensidade da força: 
Força na direção do deslocamento 
: 
,e o bloco se desloca na direção 
, ou seja ao longo do eixo x, assim vemos que a força ao longo de x é de 2N. Que pode ser escrito como 
.
Valor da força perpendicular ao deslocamento: Como a direção perpendicular à direção do deslocamento está na direção do eixo y, pode também ser visto da expressão da força que 
 
.
Ângulo entre a força e a direção do deslocamento:Da figura vemos que o ângulo pode ser obtido de 
 
ou de 
Cálculo da área de um triângulo 
Recordemos que a área de um paralelogramo é dada por: 
 
Consideremos agora dois vetores com origens coincidentes, determinando um paralelogramo como na figura abaixo. Vimos que o módulo do produto vetorial entre eles será dado por
 
 �
Comparando as duas figuras podemos concluir que: o módulo do produto vetorial entre os dois vetores é igual a área do paralelogramo determinado por eles. Assim podemos escrever
 
onde S é a área do paralelogramo determinado pelos vetores 
 e 
.
Exemplo: Calcule a área do triângulocujos vértices são 
 A(2,1,-1), B(1,-1,0) e C(-1,1,2).
 �
Exercícios sobre aplicações:
1) Calcule a distância entre os pontos:
a) P1=(3,4), P2(5,7)
b) P1=(-3,6), P2(-1,-4)
c) P1=(7,-5,1), P2(-7,-2,-1)
d) P1=(3,3,3), P2(6,0,3)
2) Encontre os ângulos internos do triângulo com vértices (0,-1), (1,-2) e (4,1).
3) Encontre os três ângulos do triângulo com vértices A(1,1,1), B(3,-2,3) e C(3,4,6).
4) Encontre o ângulo entre a diagonal do cubo e uma de suas arestas adjacentes, de acordo com a figura
5) Um bloco é puxado por uma força 
, se deslocando na direção 
. Qual a intensidade da força? Qual o valor da força na direção do deslocamento? e perpendicular ao deslocamento (força dada em Newton)? Qual o ângulo entre a força e a direção do deslocamento? Desenhe.
6) Calcule a área do triângulo cujos vértices são 
 A(1,2,-1), B(3,-1,0) e C(-3,2,2).
7) Com relação a figura abaixo
resolva:
a) Encontre os ângulos dos vértices do triângulo 
b) Calcule a área do triângulo 
y
z
x
y
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
�
y
y
z
x
y
x
y
x
y
x
y
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ���
x
x
�
� EMBED Equation.3 ���
y
x
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
vers � EMBED Equation.3 ���
1
�
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
x
1
y
x
2
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
y
x
� EMBED Equation.3 ���
b
a
y
x
� EMBED Equation.3 ���
c
b
a
x
z
y
y
z
x
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
3
2
� EMBED Equation.3 ���
x
y
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
y
θ
u
v
θ
u
v
θ
u
v
θ
u
v
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
x
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
y
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
y
z
x
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
y
z
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
x
B(1,-2)
C(4,1)
A(0,-1)
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
2
1
y
x
� EMBED Equation.3 ���
b
a
�PAGE �
�PAGE �39�
_1236257185.unknown
_1236496433.unknown
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