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UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 1 A RETA 1.1.Equação Vetorial da Reta Seja r uma reta que passa pelo ponto A e tem a direção de um vetor não nulo . v Para que um ponto P do espaço pertença à reta r, é necessário e suficiente que os vetores veAP sejam colineares, isto é: vtAPouvtAP ),,(),,(),,( 111 cbatzyxzyxouvtAPou se ).,,( ),,( );,,( 111 cbavezyxAzyxP O vetor ),,( cbav é chamado vetor diretor da reta r e t é denominado parâmetro. É fácil verificar que cada valor de t corresponde um ponto particular P: quando t varia de a , o ponto P descreve a reta r. Exemplo: Determinar a equação vetorial da reta r que passa pelo ponto A(3,0,-5) e tem a direção do vetor .22 kjiv 1.2.Equações Paramétricas da Reta Sejam ),,,0( kji um sistema de coordenadas, ),,( ),,( 111 zyxAezyxP um ponto genérico e um ponto dado, respectivamente, da reta r, e kcjbiav um vetor de mesma direção de r. Da equação vetorial da reta r: , vtAP ou ),,(),,(),,( 111 cbatzyxzyx ou, ainda: ctzz btyy atxx vemctzbtyatxzyx 1 1 1 11 : ),,(),,( UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 2 As equações, nas quais a, b e c não são todos nulos ( 0 v ) são denominadas equações paramétricas da reta r, em relação ao sistema de coordenadas fixado. A reta r é o conjunto de todos os pontos (x, y, z) determinados pelas equações paramétricas quando t varia de . a Exemplo: Determine as equações paramétricas da reta r, que passa pelo ponto A(3,-1,2) e é paralela ao vetor ).1,2,3( v 1.3.Reta Definida por Dois Pontos A reta definida pelos pontos ),,( ),,( 222111 zyxBezyxA é a reta que passa pelo ponto A (ou B) e tem a direção do vetor ).,,( 121212 zzyyxxABv Exemplo: Determine as equações da reta r que passam pelos pontos A(1,-2,-3) e B(3,1,-4). 1.4.Equações Simétricas da Reta Das equações paramétricas ctzz btyy atxx 1 1 1 , supondo ,0abc vem: c zz t b yy t a xx t 1 1 1 , logo: .111 c zz b yy a xx Estas equações são denominadas equações simétricas ou normais de uma reta que passa por um ponto ),,( 111 zyxA e tem a direção do vetor ),,( cbav . Exemplo: Determinar as equações simétricas da reta que passa pelo ponto A(3,0,-5) e tem a direção do vetor .22 kjiv UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 3 1.4.1. Condição para que três pontos estejam em linha reta A condição para que três pontos ),,( ),,(),,,( 333322221111 zyxAezyxAzyxA estejam em linha reta é que os vetores 21AA e 31AA sejam colineares, isto é: 3121 AAAA m , para algum m ou . 13 12 13 12 13 12 zz zz yy yy xx xx 1.5.Equações Reduzidas da Reta Às equações simétricas da reta c zz b yy a xx 111 pode-se dar outra forma, isolando as variáveis y e z e expressando-as em função de x. Assim b yy 1 a xx 1 nmxy e c zz 1 = a xx 1 qpxz . Estas, são as equações reduzidas da reta Exemplo: Estabelecer as equações reduzidas da reta r que passa pelos pontos A(2,1,-3) e B(4,0,-2). 1.6.Retas Paralelas aos Planos e aos Eixos Coordenados Vimos que as equações ctzz btyy atxx 1 1 1 , ou as equações c zz b yy a xx 111 representam uma reta r determinada por um ponto ),,( 111 zyxA e por um vetor diretor ),,( cbav . Até agora, supôs-se que as componentes do vetor são diferentes de zero. Entretanto, uma ou duas destas componentes podem ser nulas. Então, temos dois casos: 1º) Uma só das componentes de v é nula. Neste caso, o vetor v é ortogonal a um dos eixos coordenados e, portanto, a reta r é paralela ao plano dos outros eixos. Assim: a) Se yOzrOxcbva //),,0( ,0 As equações de r ficam: c zz b yy xx 11 1 nas quais se verifica que, das coordenadas (x, y, z) de um ponto genérico P da reta r, variam somente y e z, conservando-se x = x1 constante. Isto significa que a reta r se acha num plano paralelo ao plano coordenado y0z. UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 4 b) Se xOzrOycavb //),0,(,0 As equações de r ficam: c zz a xx yy 11 1 . Das coordenadas de um ponto genérico P(x, y, z) da reta r variam somente x e z, conservando-se y = y1 constante. A reta r se acha num plano paralelo ao plano xOz. c) Se yxrzbavc 0//0)0,,(,0 As equações de r ficam: b yy a xx zz 11 1 . Das coordenadas de um ponto genérico P(x, y, z) da reta r variam somente x e y, conservando-se z = z1 constante. A reta r se acha num plano paralelo ao plano xOy. 2º) Duas das componentes de v são nulas. UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 5 Neste caso, o vetor v tem a direção de um dos vetores )1,0,0( )0,1,0( )0,0,1( koujoui e, portanto, a reta r é paralela ao eixo que tem a direção de . kdeoujdeoui Assim: a) Se zrkcvba 0// // ),0,0( ,0 As equações de r ficam: ctzz yy xx 1 1 1 . Costuma-se dizer, simplesmente, que as equações da reta r são: 1 1 yy xx subentendendo-se z variável. b) Se yrjbvca 0//// )0,,0( ,0 As equações de r ficam: 1 1 1 zz btyy xx ,ou simplesmente: 1 1 zz xx , subentendendo-se y variável. c) Se xriavcb 0////)0,0,( ,0 As equações de r ficam: 1 1 1 zz yy atxx ou, simplesmente, , 1 1 zz yy UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 6 subentendendo-se x variável. Observação: Os eixos 0x, 0y e 0z são retas particulares. Assim o eixo 0x é uma reta que passa pela origem O(0,0,0) e tem a direção do vetor ).0,0,1( i Logo, suas equações são: .0 0 z y De forma análoga, as equações do eixo 0y são: 0 0 z x e as equações do eixo 0z são: .0 0 y x 1.7.Ângulo de duas retas Sejam asretas r1, que passa pelo ponto ),,( 1111 zyxA e tem direção de um vetor ),,( 1111 cbav , e r2 , que passa pelo ponto ),,( 2222 zyxA e tem a direção de um vetor ),,( 2222 cbav . Chama-se ângulo de duas retas r1 e r2 o menor ângulo de um vetor diretor de r1 e de um vetor diretor de r2. Logo, sendo este ângulo, tem-se . 2 0 , . . cos 21 21 com vv vv ou, em coordenadas: 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 212121 . cos cbacba ccbbaa Observação: Na figura, o ângulo , sup edelementaré portanto, .coscos O ângulo é o ângulo formado por . 2121 vevouvev UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 7 Exemplo: Calcular o ângulo entre as retas tz ty tx r zyx r 21 3 : 11 3 2 2 : 1 2 1.8.Condição de Paralelismo de duas retas A condição de paralelismo das retas r1 e r2 é a mesma dos vetores ),,( 1111 cbav e ),,( 2222 cbav , que definem as direções dessas retas, isto é: 21 vmv ou 2 1 2 1 2 1 c c b b a a Exemplo: Verifique se a reta r1, que passa pelos pontos A1 (-3,4,2) e B1 (5,-2,4), e a reta r2 , que passa pelos pontos A2 (-1,2,-3) e B2 (-5,5,-4), são paralelas. Observações: I) Seja uma reta r1, que passa por um ponto ),,( 1111 zyxA e tem a direção de um vetor ),,( 1111 cbav , expressa pelas equações: 1 1 1 1 1 1 c zz b yy a xx . Qualquer reta r2, paralela à reta r1, tem parâmetros diretores a2, b2, c2 proporcionais aos parâmetros diretores a1, b1, c1 de r1. Em particular, a1, b1, c1, são parâmetros diretores de qualquer reta paralela à reta r1. Nestas condições, se ),,( 2222 zyxA é um ponto qualquer do espaço, as equações da paralela à reta r1, que passa por A2 , são: 1 2 1 2 1 2 c zz b yy a xx . II) Se as retas r1 e r2 forem expressas, respectivamente, pelas equações reduzidas: ,: : 22 22 2 11 11 1 qxpz nxmy re qxpz nxmy r cujas direções são dadas, respectivamente pelos vetores: ),,,1( ),,1( 222111 pmvepmv a condição de paralelismo permite escrever: 2 1 2 1 1 1 p p m m ou . 2121 ppemm 1.9.Condição de Ortogonalidade de duas retas UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 8 A condição de ortogonalidade da retas r1 e r2 é a mesma dos vetores ),,( 1111 cbav e ),,( 2222 cbav que definem as direções dessas retas, isto é: 0 0. 21212121 ccbbaaouvv Exemplo: As retas 4 3 5 1 3 : 6 1 8 3 3 : 21 zyx rezx y r são ortogonais. De fato: I) A direção de r1 é dada pelo vetor );6,0,8(1 v II) A direção de r2 é dada pelo vetor );4,5,3(2 v III) A condição de ortogonalidade de duas retas é: 0 212121 ccbbaa e, neste caso: 0240244)6(5038 xxx ,o que prova serem ortogonais as retas r1 e r2. Observação: Uma reta r, cujo vetor diretor v é ortogonal (ou normal) a um plano , é ortogonal a qualquer reta contida nesse plano. Assim, existem infinitas retas que passam por um ponto A e são ortogonais à reta r. 1.10. Condição de Coplanaridade de duas retas A reta r1, que passa por um ponto ),,( 1111 zyxA e tem a direção de um vetor ),,( 1111 cbav , e a reta r2, que passa por um ponto ),,( 2222 zyxA e tem a direção de um vetor ),,( 2222 cbav , são coplanares se os vetores 2121 , AAevv forem coplanares, isto é, se for nulo o produto misto ( 2121 , AAevv ) UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 9 0),,( 121212 222 111 2121 zzyyxx cba cba AAvv 1.11. Posições Relativas de duas retas Duas retas r1 e r2, no espaço, podem ser: a) coplanares, isto é, situadas no mesmo plano. Neste caso, as retas poderão ser: I) concorrentes: }1{21 rr (I é o ponto de intersecção das retas r1 e r2); II) paralelas: 21 rr ( é o conjunto vazio) (0 caso de serem r1 e r2 coincidentes pode ser considerado como um caso particular de paralelismo.) b) reversas, isto é, não situadas no mesmo plano. Nesse caso: .21 rr Observações: A igualdade 0),,( 2121 AAvv é a condição de coplanaridade de duas retas r1 e r2 que passam, respectivamente, pelos pontos A1 e A2, e têm por vetores diretores os vetores 21 ,vv : a) se r1 e r2 forem paralelas, serão coplanares, isto é: 0),,( 2121 AAvv , pois duas linhas do determinante utilizado para calcular ),,( 2121 AAvv apresentam elementos proporcionais );( 21 vkv UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 10 b) se r1 e r2 não forem paralelas, a igualdade 0),,( 2121 AAvv exprime a condição de concorrência dessas retas; c) se o determinante utilizado para calcular ),,( 2121 AAvv for diferente de zero, as retas r1 e r2 são reversas. 1.12. Intersecção de duas retas Duas retas r1 e r2 coplanares e não paralelas são concorrentes. Consideremos as retas: tz ty tx re xz xy r 2 21: 13 23 : 21 e determinemos o seu ponto de intersecção. Se I(x,y,z) é este ponto, suas coordenadas satisfazem o sistema formado pelas equações de r1 e r2, isto é, I(x,y,z) é a solução do sistema: tz ty tx xz xy 2 21 13 23 . Eliminando t nas três últimas equações, temos o sistema equivalente xz xy xz xy 2 21 13 23 . Resolvendo o sistema, encontramos: . 2 1 1 z y x Logo, o ponto de intersecção das retas r1 e r2 é: I(1,-1,2). 1.13. Reta Ortogonal a duas retas Sejam as retas r1 e r2, não paralelas, com as direções dos vetores ),,( 1111 cbav e ),,( 2222 cbav , respectivamente. Qualquer reta r, simultaneamente ortogonal às retas r1 e r2, terá um vetor diretor paralelo ou igual ao vetor .21 vxv UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 11 Nas condições dadas, uma reta r estará bem definida quando se conhece um de seus pontos. Observação: Se as retas r1 e r2 são paralelas, existem infinitas retas que passam por um ponto A e são ortogonais ao mesmo tempo a elas.EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1ª) Verificar se os pontos P1 (5,-5,6) e P2 (4,-1,12) pertencem à reta 2 2 2 1 1 3 : zyx r 2ª) Determinar o ponto da reta tz ty tx r 21 3 2 : que tem abscissa 4. 3ª) Determinar “m” e “n” para que o ponto P (3,m,n) pertença à reta tz ty tx s 4 3 21 : 4ª) Determinar os pontos da reta 21 1 2 3 : zyx r que têm : 4.1.) abscissa 5; 4.2.) ordenada 4: 4.3.) cota 1. 5ª) O ponto P (2,y,z) pertence à reta determinada por A (3,-1,4) e B(4,-3,-1). Calcular P. 6ª) Determinar as equações reduzidas, com variável independente x, da reta que passa pelo ponto A (4,0,-3) e tem a direção do vetor .542 kjiv 7ª) Determinar as equações reduzidas ( variável independente x) da reta determinada pelos pares de pontos: 7.1.) A (1,-2,3) e B(3,-1,-1) 7.2.) A(-1,2,3) e B(2,-1,3) 8ª) Determinar as equações reduzidas, tendo z como variável independente, da reta que passa pelos pontos P1 (-1,0,3) e P2 (1,2,7). 9ª) Mostrar que os pontos A (-1,4,-3) ; B (2,1,3) e C (4,-1,7) são colineares. UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 12 10ª) Qual deve ser o valor de “m” para que os pontos A (3,m,1) ; B (1,1,-1) e C (-2,10,-4) pertençam à mesma reta ? 11ª) Citar um ponto e um vetor diretor de cada uma das seguintes retas: 11.1.) 1 4 3 3 1 y zx 11.2.) 3 2 z yx 11.3.) tz y tx 2 1 2 11.4.) 1 3 z y 11.5.) xz xy 3 11.6.) zyx 12ª) Determinar as equações das seguintes retas: 12.1.) reta que passa por A (1,-2,4) e é paralela ao eixo dos x; 12.2.) reta que passa por B (3,2,1) e é perpendicular ao plano x0z; 12.3.) reta que passa por A (2,3,4) e é ortogonal ao mesmo tempo aos eixos dos x e dos y; 12.4.) reta que passa por A (4,-1,2) e tem a direção do vetor ; ji 12.5.) reta que passa pelos pontos M (2,-3,4) e N (2,-1,3). 13ª) Representar graficamente as retas cujas equações são: 13.1.) tz ty tx 39 510 1 13.4.) tz ty tx 2 3 1 13.7.) 3 2 x yz 13.2.) tz y tx 55 3 24 13.5.) 3 2 z xy 13.8.) 4 3 y x 13.3.) 4 63 xz xy 13.6.) xz y 2 3 13.9.) 4 3 z x 14ª) Determinar o ângulo entre as seguintes retas: 14.1.) r: 2 1 2 6 4 : 43 2 22 zyx se tz ty tx 14.2.) r: 2; 3 1 3 : 2 12 x zy se xz xy UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 13 14.3.) r: 0 0 : 35 21 y x se tz ty tx 14.4.) r: 3 2 4 1 1 : 2 1 12 4 zy x se zyx 15ª) Determinar o valor de “n” para que seja de 30º o ângulo entre as retas 22 5 : 35 4 4 2 : xz nxy se zyx r 16ª) Calcular o valor de “n” para que seja de 30º o ângulo que a reta 32 5 : xz nxy r forma com o eixo dos y. 17ª) A reta tz ty tx r 3 21 : forma um ângulo de 60º com a reta determinada pelos pontos A (3,1,-2) e B (4,0,m). Calcular o valor de “m”. 18ª) Calcular o valor de “m” para que os seguintes pares de retas sejam paralelas: 18.1.) 6; 1 6 5 : 4 3 3 : z m yx se z ty tx r 18.2.) 7; 5 1 6 4 : 3 32 : y zx se mtz ty tx r 19ª) A reta r passa pelo ponto A (1,-2,1) e é paralela à reta .3 2 : tz ty tx s Se P (-3,m,n) ,r determinar “m” e “n”. 20ª) Quais as equações reduzidas da reta que passa pelo ponto A (-2,1,0) e é paralela à reta 141 1 : zyx r ? 21ª) A reta que passa pelos pontos A (-2,5,1) e B (1,3,0) é paralela à reta determinada por C (3,-1,-1) e D (0,y,z). Determinar o ponto D. UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 14 22ª) A reta 1 3 : xz mxy r é ortogonal à reta determinada pelos pontos A (1,0,m) e B (-2,2m,2m). Calcular o valor de “m”. 23ª) Calcular o valor de “m” para que sejam coplanares as seguintes retas: 23.1.) m zyx se xz xy r 12 1 : 13 32 : 23.2.) xz mxy se y x r 4 : 3 1 : 23.3.) xz xy sez y m mx r 2 43 : 6; 3 4 : 24ª) Calcular o ponto de intersecção das retas: 24.1.) xz xy se xz xy r 3 24 : 12 13 : 24.2.) tz ty tx se zyx r 27 2 5 : 4 5 32 2 : 24.3.) 7 12 3 7 : 104 32 : zy xse xz xy r 24.4.) 5; 3 5 2 1 : 14 5 : y zx se xz y r 25ª) Dadas as retas tz ty tx he xz xy sx zy r 31 3 : 3 2 : ; 2; 2 1 2 3 : , determinar: 25.1.) o ponto de intersecção de s e h; 25.2.) o ângulo entre r e s. 26ª) Em que ponto a reta que passa por A (2,3,4) e B (1,0,-2) intercepta o plano xy ? 27ª) Sejam as retas 2 3 2 12 : 54 32 : x z xy se mtz ty tx r . 27.1. Calcular o valor de “m” para que r e s sejam concorrentes; 27.2. Determinar, para o valor de “m” , o ponto de intersecção de r e s. 28ª) Estabelecer as equações paramétricas da reta que passa pelo ponto A (3,2,1) e é simultaneamente ortogonal às retas 3 12 : 1 3 : xz xy se z x r . UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 15 29ª) Estabelecer as equações da reta que passa pelaorigem e é simultaneamente ortogonal às retas 4 13 : 2 3 12 : xz xy se zyx r 30ª) Determinar as equações paramétricas da reta que contém o ponto A (2,0,-1) e é simultaneamente ortogonal à reta 1; 1 1 2 3 : x zy r e ao eixo dos y. 31ª) Estabelecer as equações paramétricas da reta que passa pelo ponto de intersecção das retas yz yx se zy xr 22 1 : 32 1 2: e é, ao mesmo tempo, ortogonal a r e s. 32ª) A reta 2 1 : z b y a x r é paralela à reta que passa pelo ponto A (-1,0,0) e é simultaneamente ortogonal às retas xz xy re tz ty tx r 2 : 13 32: 21 .Calcular “a” e “b”. GABARITO 1ª) Apenas P1 2ª) (4,1,5) 3ª) m = -2; n = -5 4ª) )1, 2 1 ,2();10,4,7();2,2,5( 5ª) P(2,1,9) 6ª) 13 2 5 82 xzexy 7.1.) 52 2 5 2 xz x y 7.2.) 3 1 z xy 8ª) 2 3 2 1 2 5 2 1 zyezx 10ª) m = -5 12.1.) 4 2 z y 12.2.) 1 3 z x 12.3.) 3 2 y x 12.4.) 3 2 yx z UNIDADE V – A RETA EM 3 Professora – Simone Leal Schwertl 16 12.5.) 1 3 2 1 2 zy x 14.1.) 60º 14.2.) 30º 14.3.) 30º 14.4.) '11º48 3 2 arccos 15ª) 7 ou 1 16ª) 15 17ª) –4 18.1.) –2 18.2.) 2 5 19ª) m = 10 e n = 5 20ª) y = 4x + 9 e z = -x – 2 21ª) D(0,1,0) 22ª) 2 3 1 ou 23.1.) 4 23.2.) –7 23.3.) 2 3 24.1.) (1,2,3) 24.2.) (4,3,9) 24.3.) (2,1,-2) 24.4.) (1,-5,5) 25.1.) (2,4,-1) 25.2.) 6 3 arccos 26ª) 0,1, 3 4 27.1.) m = 2 27.2.) (-1,-1,-2) 28ª) tz y tx 1 2 3 29ª) zx y 0 30ª) 1 0 z y 31ª) tz ty tx 3 51 2 32ª) 10 14 b a
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