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Geometria Analítica 35 2Uma Revisão sobre Produto Escalar, Vetorial e Misto. Definir e compreender um produto escalar; Identificar as propriedades do produto escalar; Interpretar geometricamente o módulo do produto escalar; Definir e compreender um produto vetorial; Identificar as características do produto vetorial; Interpretar geometricamente o módulo do produto vetorial; Definir e compreender um produto misto; Identificar as propriedades do produto misto; Interpretar geometricamente o módulo do produto misto. Geometria Analítica 36 Objetivo da Unidade Nesta segunda unidade vamos estudar os vetores, produto escalar e seus conceitos, propriedades e interpretação geométrica; produto escalar e seus conceitos, caraterísticas e interpretação geométrica e; produto misto e seus conceitos, propriedades e interpretação geométrica. Plano da Unidade Definir e compreender um produto escalar; Identificar as propriedades do produto escalar; Interpretar geometricamente o módulo do produto escalar; Definir e compreender um produto vetorial; Identificar as características do produto vetorial; Interpretar geometricamente o módulo do produto vetorial; Definir e compreender um produto misto; Identificar as propriedades do produto misto; Interpretar geometricamente o módulo do produto misto. Geometria Analítica 37 PRODUTO ESCALAR (OU INTERNO) I. No IR2. Sejam 2211 y ,x v e y ,x u . y . y x. v . 2121 xu Exemplo: 1) Ache v . u onde 2 5,- v e 1 2, u . Solução: 8- v . u 2 . 1 5- . 2 v . u 2) Ache AC . AB onde A (2, 3), B (5, 0), C (-1, 3). Solução: 9- AC . AB 0 . (-3) (-3) . 3 AC . AB :Logo (-3,0), AC 3) (2, - (-1,3) AC A -C AC 3)- (3, AB 3) (2, - (5,0) AB A -B AB II. No IR3. Sejam )z ,y ,(x u 111 e )z ,y ,(x 222v . 212121 z . z y . y x. x v . u Exemplo: 1) Sejam 5) 1, (0, v e 3) 1, (2, u . Ache: a) v . u b) u . v Geometria Analítica 38 Solução: a) 16 v . u 5 . 31 . 1 0 . 2 v . u b) 16 u . v 3 . 5 1 . 1 2 . 0 u . v Note que u . v v . u PROPRIEDADES DO PRODUTO ESCALAR a) u . v v . u b) w . u v . u )w v( . u c) d . b c . b d . a c . a ) d c( . ) b a( Sejam k1 e k2 e |R ) v . u ( k k ) v (k . )u k( 2121 Exemplos: a) v . u 18 ) v .u ( 6 . 3 ) v (6 . )u 3( b) v . u 10- ) v . u ( 10- ) v (5 . )u 2( MÓDULO OU NORMA DE UM VETOR 1. No IR2. Sejam )y , (x u 11 um vetor do IR2 onde denotaremos por u módulo de u . Geometria Analítica 39 Pitágoras: y x ) ( 21 2 1 2 u 2 1 2 1 y x u Exemplo: 1. Ache o módulo (comprimento) dos vetores abaixo: a) 5 u (-4) 3 u 4)- (3, 22 u b) 13 v 3 2 v (2,3) 22 v c) 13 w 12 (-5) w (-5,12) 22 w 2. Ache o módulo do vetor ?) AB ( AB onde A (3, -1) e B(1, 2). Solução: (-2,3) AB (3,-1) - (1,2) A - B AB Logo: 13 AB 3 (-2) 22 AB Geometria Analítica 40 2. No |R3. Seja )z ,y ,(x 111u um vetor do IR3 onde denotaremos por v módulo do vetor u . Aplicando Pitágoras, temos: 2 1 2 1 2 1 zyxu Exemplos: 1. Ache o módulo dos vetores abaixo: a) u (2, 1, 3) u = 14312 222 u b) v (6, 2, -3) 7)3(26 222 vv Geometria Analítica 41 2. Ache AB onde A (1, 4, -2) e B ( 7, 2, -5). Solução: 7)3()2(6)3 ,2 ,6( )2 ,4 ,1()5 ,2 ,7( 222 ABABAB ABAB DISTÂNCIA ENTRE DOIS PONTOS OU MÓDULO DE UM VETOR I. IR2. Sejam A (x1, y1) e B (x2, y2) A(x1, y1) B(x2, y2) Note que a distância de A até B é igual ao AB . Aplicando GRASMAN, obtemos: 2 12 2 12 1212 1122 )()( ),( ),(),( YYXXABd LogoYYXXAB YXYXABABAB II. IR3. Sejam A (x1, y1, z1) e B (x2, y2, z2). De forma analógica no IR2, temos: 2 12 2 12 2 12 )()()( ZZYYXXABd Geometria Analítica 42 Exemplos: 1. Ache as distancias entre os pontos abaixo: a) A (2, 1) e B (6, 4) 5)41()62( 22 dd Podemos mudar a ordem das diferenças, pois estão elevadas ao quadrado, veja: 5)14()26( 22 dd b) C (1,-2) e D (2,3): 26)32()12( 22 dd Geometria Analítica 43 c) E (1, -2, -3) e F (3, 1, -9): 7 d 49 ))9(3()12()13( 222 d d d) G (1,3,5) e H (0,-1,2): 26 2)-(5 3)-(-1 0)-(1 222 d d 2. Em um triângulo ABC os vértices são A (1, 2), B (-2, 3) e C(0, 5). Calcule o comprimento da mediana AM. Solução: M é médio de .BC M = (-1,4) M 2 CB Repare que o comprimento da mediana AM é o módulo do vetor AM . 22 d 2)-(4 1)-(-1 2 2 d 3. Determinar a natureza do triângulo de vértices A (2, -3), B (-5, 1) e C (4, 3). Solução: Determinação dos lados do triângulo. 102 40 (-3))-(32)-(4 85 1) - (3 4)- (-5 65 1) (3 2)- (-5 22 22 22 AC BC AB Geometria Analítica 44 Como os lados são diferentes o triângulo é escaleno (classificação em relação aos lados) classificação em relação aos ângulos. 2)85( 22 )40( )65( triângulo acutângulo. Resposta: triângulo acutângulo e escaleno. 4. Determinar o ponto do eixo Ox equidistante dos pontos A (6, 5) e B (-2, 3). Solução: Temos que d (P, A) = d (P, B) 2222 0) - (3 (-2))-(x 0) - (5 )6( x Elevando ao quadrado ambos os membros, temos: x2 - 12x + 36 + 25 = x2 + 4x + 4 + 9 onde x = 3. Logo, P (3, 0). 5. Verificar se o triângulo de vértices A (0, 1), B (2, 2) e C(1, 3) é escaleno, isóscele ou equilátero. Solução: Vamos calcular as medidas dos três lados do triângulo: AB = 5 1)-(2 )02( 22 AC = 5 1)-(3 )01( 22 BC = 2 2)-(3 )21( 22 Logo o triângulo ABC é isósceles. Geometria Analítica 45 MÓDULO DE UM VETOR EM FUNÇÃO DO PRODUTO ESCALAR I. IR2. Considere )y,(x u e )y,(x 1111u . 2 1 2 1111 1 y x u . u y . y x. x u . u e como y x 21 2 1 u , temos: u . u u u . u 2 u II. IR3. De forma análoga temos o mesmo resultado anterior. Exemplos: a) a . a a a . a 2 a b) b . b b b . b 2 b c) v . v u . v v . u u . u v u ) v u ( . ) v u ( v u 22 v v . u 2 u v u d) 22 v v . u 2 - u v u ÂNGULO ENTRE DOIS VETORES 180º 8 Geometria Analítica 46 Notação ) v , ( u OBS: 1. 2. 3. Os vetores v e u deve tera mesma origem. 4. Lei dos cossenos (geometria plana). a2 = b2 + c2 – 2b . c cos A b2 = a2 + c2 – 2ac cos Bˆ c2 = a2 + b2 – 2ab cos C Geometria Analítica 47 CÁLCULO DO ÂNGULO ENTRE DOIS VETORES VETORES ORTOGONAIS OU PERPENDICULARES Geometria Analítica 48 Exemplos: 1. O ângulo formado pelos vetores 1)- (-5, v e 3) (2, u Solução: 135º 2 2 - cos 2 1- cos cos . 2 . 13 13- cos . 2 . 13 . 13 13 - cos . 26 . 13 13- : a igual é cos . v . u v . u , 26)1()5(v 13 u 32 u 13- v . u (-1) . 3 (-5) . 2 v . cos . v . u v . 22 22 Logo v u u 2. Determine o ângulo entre os vetores u (2, 1, 1) e v (-1, -2, 1) v . u 2 . (-1) +1 . (-2) + 1 . 1 v . u = -3 120º 2 1- cos cos . 6 3- cos . 6 . 6 3- : 6 1 (-2) (-1) 6 1 1 2 222 222 Logo v u 3. Sendo A (3, 2), B (8, 3) e C (5, 5) o ângulo  do triângulo ABC é: Solução: Geometria Analítica 49 Solução: 45º 2 2 cos cos . 13 2 13 cos . 13 . 26 13 cos . AC . AB AC . AB 13 3 2 AC 26 1 5 AB 13 AC . AB 3 . 1 2 . 5 AC . AB (2,3) AC (3,2) - (5,5) A -C AC (5,1) AB (3,2) - (8,3) A -B AB 22 22 4. Ache o valor de t |R para que os vetores 3) (2, v e t)(1, u sejam ortogonais. Solução: Condição: 0 v . u 1 . 2 + t . 3 = 0 t = - 3 2 5. Dado o vetor 15) 16, -(x v , calcule x tal que v = 5 Solução: 25 15 16) -(x 5 22 v elevando ambos os membros ao quadrado temos: (x – 16)2 + 152 = 25, resolvendo a equação, temos: x = 12. VETORES COM A MESMA DIREÇÃO b c d) Geometria Analítica 50 Note que vK u , k IR I. IR2. Sejam )y ,x( v e )y ,(x u 2211 2 1 2 1 21 212211 2211 y y x x ky y ky x)ky ,kx() x,(x )y ,(xk )y ,(x vk u II. IR3. Sejam ).z ,y ,(x v e )z ,y ,(x 222111u 2 1 2 1 2 1 z z y y x x Exemplos: 1. Ache o valor de k IR para que os vetores u (k – 1, 2) e v (3, 1). Sejam: a) paralelos b) perpendiculares Solução: a) 7 1 2 3 1 kk b) 3 1 0 1 . 2 3 . )1(0 . kkvu 2. Calcule m para que os pontos A (1, 2), B (3, -1) e C (m, 2m-1) pertençam à mesma reta (colineares). Solução: A (1, 2) B (3, -1) C (m, 2m - 1) )3m2,1m(BC)2,1()1m2,m(BCBC )3,2(AB)2,1()1,3(ABAB AB e BC tem a mesma direção: 7 9 3 3 64 32 3 1 2 mmmmm Geometria Analítica 51 3. Sabendo que 12a e 2b , calcular os valores de m de modo que os vetores bma e bma sejam perpendiculares. Solução: Condição: 0 )bm- a( . )bm ( a 6 m 0 2 . m - 12 0 b m - 0 b . b m . m - b . a m b . a m - 0 bm . bm- a . bm )b(m . a a . a 222 2 2 2 2 a a PRODUTO VETORIAL OU EXTERNO INTRODUÇÃO I. IR2 Dados os vetores i (1, 0) e j (0, 1), unitários dos eixos Ox e Oy, respectivamente, então qualquer vetor v (x, y) do R2 pode ser escrito: v (x, y) = x i + y j II. IR3 Geometria Analítica 52 Dados os vetores i (1, 0, 0), j (0, 1, 0), k (0, 0, 1) unitários dos eixos Ox, Oy e Oz, respectivamente, então qualquer vetor v (x, y, z) do R3 pode ser escrito: v (x, y, z) = x i + y j + zk EXPRESSÃO ANALÍTICA DO PRODUTO VETORIAL Dados os vetores do R3 u (x1, y1, z1) e v (x2, y2, z2), então: u x v = 222 111 zyx zyx kji Exemplo: Ache u x v onde u (2, 1, -1) e v (1, 0, 3). Solução: u x v = j6 - j - i3 |01 |12 | 301 112 k jikji 1)- 7,- (3, v x k - j7 - i3 v x uu Geometria Analítica 53 Vamos calcular u x v escalar com u e com v . 1. (u x v ) . u = 3 . 2 + (-7) . 1 + (-1) . (-1) (u x v ) . v = 0, logo u x v é perpendicular a u . 2. (u x v ) . v = 3 . 1 + (-7) . 0 + (-1) . 3 (u x v ) . v = 0, logo u x v é perpendicular a v . DIREÇÃO DE u x v u x v é perpendicular ou ortogonal a u e v simultaneamente. SENTIDO DE u x v Note que: u x v = é um vetor u x v = -(v x u ) (anticomutativo) u x u = 0 Geometria Analítica 54 Nota: TRIÂNGULO A = 2 ah A = 2 absen PARALELOGRAMO: A = ah ou A = 2 . 2 ab sen A = ab sem Área do paralelogramo: ÁREAABCD = |u x v | u x v Área do triângulo: ÁREAABCD = 2 | v | xu u x v Geometria Analítica 55 Nota: Área de um triângulo no R2: OBS: Com dois vetores com a mesma origem podemos formar ou gerar. 1. TRIÂNGULO 2. PARALELOGRAMO Geometria Analítica 56 INTERPRETAÇÃO GEOMÉTRICA DO PRODUTO VETORIAL MÓDULO: | u x v | = |u | |v | sen EXEMPLOS: Ache a área do paralelogramo gerado pelos vetores u (2, 2, 0) e v (0, 2, 0). Solução: Solução: |u | = 22 |u| 0 2 2 222 |v | = 2 |v| 0 2 0 222 Área do paralelogramo(S) S = 2 . 2 2 . sen 45º S . 2 . 2 . 2 2 S = 4 Geometria Analítica 57 Veja que a área do paralelogramo coincide com o módulo u x v . u x v = |20 |22 | 020 022 jikji u x v = 4k = o i + o j + 4 k u x v = (0, 0, 4), temos então: |u x v | = 222 4 0 0 | u x v | = 4 Logo, numericamente, temos: |u x v | = |u | . |v | . sen 2. (UFF) Dados os vetores x = i - 2 j + k e y = j + k um vetor perpendicular ao plano de x e y é: (1, 0, 3) d) (-6,-2,2) (-3, -1,-5) e) (1,1,1) (1, 3 ,1) Geometria Analítica 58 Solução: x x y = k - i3- |10 |21 | 110 121 j jikji x x y = (-3,-1,1) Resposta: Letra D Geometria Analítica 59 3. Ache a área do triângulo de vértices A (1, 2, 0), B (3, 0, -3) e C (5, 2, 6). Solução: U = AB = B – A = (3, 0, -3) – (1, 2, 0) U = AB = (2,-2,-3) V = AC = C – A = (5, 2, 6) – (1, 2, 0) V = AC = (4, 0, 6) U x V = k8 12 - i24 604 322 j kji |U x V | = 28 784 8 )12( )24( 222 S = 14. S 2 28 4. (UFF) os vetores U eV do |R3 determinam um ângulo de 135º e são tais que |U | = 2 e |V | = 3 . Ache |U x V |. Geometria Analítica 60 Solução: |U x V | = |U | . |V | . sen , = 135º |U x V | = 2 . 3 2 2 |U x V | = 3 5. (UERJ) Observe a figura abaixo: Ela representa um cubo de aresta 2, seccionada pelo plano ABCD, B = (2, 0, t) e t varia no intervalo [0, 2]. Determine a menor área do quadrilátero ABCD. Solução: Note que ABCD é um paralelogramo com A (2, 2, 0), B (2, 0, t) e C (0, 0, 2) Geometria Analítica 61 Vamos construir os vetores BA e BC com origem em B. BC = C – B = (0, 0, 2) – (2, 0, t) BC = (-2, 0, 2 - t) BA = A – B = (2, 2, 0) – (2, 0, t) BA = (0, 2, t) A área do paralelogramo é dada por: S = | BC x BA | BC x BA = 4)- 2t,- 4,-(2t 20 202 t t kji |BA x BC| . 8t 16t - 32 (-4) (-2t) 4) - 2( |BA x BC| 2 22 t É mínimo quando 32 – 16t + 8t2 é mínimo para t = - a4 = 24. Logo mínimo para área = área = .62 24 PRODUTO MISTO Definição: Sejam u , v e w três vetores do espaço. O produto misto de u , v e w , nesta mesma ordem, é o número, representado por [u ,v , w ], definido como sendo o produto escalar de u pelo produto vetorial de v por w , ou seja: Geometria Analítica 62 [u , v ,w ] = u (v x w ) OBS: [u ,v , w ] = 333 222 111 zyx zyx zyx VOLUME DE UM PARALELEPÍPEDO Dados três vetores do espaço, u , v e w , de direções não coplanares, estes, ao serem representados por segmentos orientados de mesma origem, definem um paralelepípedo. O volume deste sólido é dado por: V = SB . h V = |[u , v ,w ]| Geometria Analítica 63 EXEMPLO: Ache [u , v , w ] onde u (2, 0, 0), v (0, 3, 0) e w (0, 0,5) [u , v , w ] = 500 030 002 [u ,v , w ] = 30 Geometricamente Veja que o volume do paralelepípedo retângulo é V = SB . h, então V = 3 . 2 . 5 V = 30 OBS.: O volume de um paralelepípedo coincide numericamente com o módulo do produto misto dos vetores u , v , w , isto é: V = |[u , v , w ]| Geometria Analítica 64 VOLUME DE UM TETRAEDRO Sabemos da geometria espacial que o volume do tetraedro (pirâmide) é dado por 3 1 da área da base vezes altura. V = 3 1 SB . h Volume do paralelepípedo = SB . h Volume do tetraedro = 3 1 . h . S 6 1 h . 2 B BS Temos então que o volume do tetraedro é: V = 6 1 |[u , v , w ]| Geometria Analítica 65 VETORES COPLANARES [u ,v , w ] = 0 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 1. Calcule o volume do tetraedro de vértices A (1, 2, -1), B (0, 1, 5), C(-1, 2, 1), D (1, 2, 3). Solução: AB = B – A = (0, 1, 5) – (1,2,-1) = (-1, -1, 6) AC = C – A = (-1, 2, 1) – (1, 2, -1) = (-2, 0, 2) AD = D – A = (1, 2, 3) – (1, 2, -1) = (0, 0, 4) Geometria Analítica 66 [ AB , AC , AD ] = 8- 400 202 611 V = 6 1 |[ AB , AC , AD ]| V = 6 1 |-8| V = 3 4 2. Verifique se os pontos A (1, 2, -1), B (0, 1, 5), C (-1, 2, 1) e D (2, 1, 3) são coplanares. Solução: AB = B – A = (0, 1, 5) – (1,2,-1) = (-1, -1, 6) AC = C – A = (-1, 2, 1) – (1, 2, -1) = (-2, 0, 2) AD = D – A = (2, 1, 3) – (1, 2, -1) = (1, -1, 4) [ AB , AC , AD ] = 0 411 202 611 logo, AB , AC , AD são vetores coplanares. Daí A, B, C e D coplanares. Geometria Analítica 67 Vídeos Para ampliar os seus conhecimentos assista aos vídeos abaixo: http://www.youtube.com/watch?v=kUxpoWKkJII http://www.youtube.com/watch?v=gtR5eUxemUo http://www.youtube.com/watch?v=LnBxa8JKBSY http://www.youtube.com/watch?v=JLJBcR5jiuQ Nesta unidade, realizamos uma revisão sistemática sobre produto escalar, produto vetorial e produtos misto, além de aplicações práticas sobre esses tópicos. Na próxima unidade faremos uma revisão sobre produtos escalar, vetorial e misto. É HORA DE SE AVALIAR Lembre-se de realizar as atividades desta unidade de estudo, elas irão ajuda-lo a fixar o conteúdo, além de proporcionar sua autonomia no processo de ensino-aprendizagem. Caso prefira, redija as respostas no caderno e depois às envie através do osso ambiente virtual de aprendizagem (AVA). Interaja conosco! Geometria Analítica 68 Exercícios - Unidade 1 1) Dados os vetores abaixo calcule o ângulo entre os vetores e a) 0º b) 45º c) 120º d) 145º e) 200º 2) Dados os vetores u e v tais que 4u e 5v formam um ângulo de 60º. Ache u . v . a) 10 b) 15 c) 20 d) 25 e) 30 Geometria Analítica 69 3) (UNIFICADO) O menor valor do parâmetro k para o qual os vetores u (2, 1, 0), v (1, k, 4) e z (3, 1, -4k) são coplanares é: a) – 1 b) – 1/2 c) 0 d) 1/2 e) 1 4) Se dois vetores unitários (módulo igual a 1) formam entre si um ângulo igual a 60º, o produto escalar entre eles é igual a: a) 1 b) 60 c) 0 d) 2/3 e) ½ Geometria Analítica 70 5) Dados os vetores a (3, -2, 5), b (1, 3, -2) e c (5, 4, -3) o produto misto [b , a c ] é igual a: a) 144 b) 66 c) 84 d) 124 e) 132 6) O ângulo entre os vetores ݑሬԦ ൌ 3ଓԦ ଔԦ ݁ ݒԦ ൌ ଓԦ 2ଔԦ é igual a: a) 0º b) 30º c) 45º d) 60º e) 90º 7) O volume do tetraedro de vértices A(1, 2, 3), B(1, -1, 1), C(2, 3, 0) e D(-1, 0, -1) é: a) 5 b) 6 c) 4 d) 8 e) 2 Geometria Analítica 71 8) Determine o volume do paralelepípedo definido pelos vetores ݑሬԦ ൌ ሺ1, 0, െ2ሻ, ݒԦ ൌ ሺെ1, 1, 0ሻ e ݓሬሬԦ ൌ ሺ2, 3, െ1ሻ. a) 8 b) 9 c) 10 d) 11 e) 12 9) Verifique se os pontos do espaço P(1, 2, 3), A(1, 4, 4), B(4, 1, 2) e C(2, 3, 2) são coplanares. Geometria Analítica 72 10)ABC é um triângulo equilátero de lado L. O produto escalar ܣܤ ሬሬሬሬሬሬԦ.ܤܥሬሬሬሬሬԦ vale: െ ܮ ଶ√3 2 െ ܮ ଶ 2 ܮଶ 2 ܮଶ మ√ଷ ଶ
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