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Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Analítica II
Unidade I – ESTUDO DAS CÔNICAS
1) Equação da circunferência
De maneira geral, denominamos de uma curva a toda equação em x e y cujas soluções ( x,y) são as
coordenadas dos pontos da curva.
No caso de um circunferência de centro C ( xC , yC ) e raio r dados, temos: y
r • P
P (x,y) ∈ curva ⇔ d (CP) = r C •
x
Assim, usando a fórmula de distância entre dois pontos, obtemos:
d = 2
c
2
c
)y(y)x(x −+−
r =
2
c
2
c
)y(y)x(x −+−
r² = ( x – xc ) ² + ( y – yc ) ² que é denominada equação reduzida da circunferência.
Exemplos:
1) Determine a equação reduzida da circunferência de centro C ( 3, -1) e raio r = 2.
Solução :
( x – 3 ) ² + (y – (-1))² = 2², ou seja, ( x – 3 )² + ( y +1)² = 4
2) Verifique se os pontos A (2, -1) e B (3,0) pertencem a circunferência de equação (x-2)²+(y-3)²=16.
3) Identifique o centro e o raio da circunferência de equação ( x+3)² + (y-1)² = 9
4) Determine a equação da circunferência de centro ( 0,0) e raio 5.
Já conhecemos a equação reduzida da circunferência, que é r² = ( x – xc ) ² + ( y – yc ) ².
Desenvolvendo esta equação, temos:
r² = ( x – xc ) ² + ( y – yc ) ²
r² = x² - 2xxc + xc ² + y² - 2yyc +yc²
Reorganizando, teremos:
x² - 2xxc + xc ² + y² - 2yyc +yc² - r² = 0
Pondo
-2xc = a , –2yc = b e xc ² + yc² - r² = c, teremos:
x² + y² + ax + by + c = 0 que é a equação geral da circunferência.
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Observamos que: -2 xc = a ⇒
2
a
x
c
−
=
-2 yc = b ⇒
2
by
c
−
=
xc² + yc² - r² = c ⇒ cyxr 2c
2
c
−+=
Exemplos:
1) Determine a equação geral da circunferência de centro C(2,3) e raio 1.
2) Determine o centro e o raio da circunferência de equação x² + y²- 8x + 12y + 3 = 0.
2) O gráfico da circunferência
Dada a equação (x-1)² + (y-2)² = c, podemos observar os seguintes casos:
a) Se c > 0, então a equação representa uma circunferência de centro (1,2) e raio r = c .
b) Se c = 0, então a equação representa o ponto (1,2)
c) Se c < 0, então ela representa o conjunto vazio.
Faça o gráfico para visualizar melhor.
Exercícios:
1) Determine a equação da circunferência ( reduzida e geral) em cada caso:
a) C ( 3,3) e r = 6
b) C(-1,-3) e r = 2
2) Sendo dado o ponto P(1,1) pertencente a circunferência e o centro C(3,3), determine a equação
reduzida e geral da circunferência.
3) Determine o centro e o raio da circunferência em cada caso:
a) x² + y² - 4x – 8y + 19 = 0
b) 2x² + 2y² + 4x – 8y – 8 = 0
c) 2x² - y² = 9
d) 4x² + 4y² + 8x – 4y – 3 = 0
Respostas:
1) a) (x-3)² + (y-3)² = 36 e x² + y² - 6x – 6y –18 = 0
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b) (x+1)² + (y+3)² = 4 e x² + y² + 2x + 6y + 6 = 0
2) (x-3)² + (y-3)² = 8 e x² + y² - 6x – 6y + 10 = 0
3) a) C (2,4) r = 1 b) C(-1,2) e r = 3 c) não é circunferência d) C(-1, ½ ) r= 2
3) A circunferência definida por três pontos
1) Determine a equação da circunferência de centro C(2,0) e que passa pelo ponto P(4,1).
Solução:
Para obtermos o raio, basta usar a fórmula da distância:
r = 22 )01()24( −+−
r P r = 5
C •
A equação da circunferência fica então definida como ( x – 2) ² + y² = 5.
2) Vamos agora determinar a equação da circunferência que passa pelos pontos M(2,0) e N(4,-2) e
tem centro na reta s: y = 2x.
Solução:
Como o centro equidista de todos os pontos na circunferência, temos que N s
d(CM) = d(CN) M
2
c
2
c
2
c
2
c
)y2()x(4)y(0)x(2 −−+−=−+− •
Ficamos com 4xc – 4 yc = 16 ou xc – yc = 4. C
Como C(xc ,yc ) pertence a s: y = 2x, temos que yc = 2xc .
Substituindo esta equação na equação acima, vem: xc = -4 e yc = - 8.
Assim, o centro é C = ( -4, -8) e podemos obter o raio:
r = 10)80()42( 22 =+++
A equação da circunferência é ( x + 4 )² + ( y + 8 ) ² = 100
3) Determine a equação da circunferência que passa pelos pontos M(3, -1) , N(0,8) e P (0,0) .
Situação:
N
C •
M
P
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Exercícios:
1) Encontre a equação da circunferência sabendo que os pontos A(4,-2) e B(2,0) pertencem a
circunferência e cujo centro é o ponto médio de AB.
2) Determine a equação de um circunferência de raio igual a 3, tangente aos eixos coordenados e
contida no 2º quadrante.
3) Determine a equação da circunferência que passa pelos pontos A(-1,0) e B(1,0) e tem raio igual a
10 .
4) Determine a equação da circunferência que passa pelos pontos A(7,10), B(-9,2) e D(9,-4)
Respostas: 1) (x-3)² +(y+1)² = 2 2) (x+3)² + (y-3)² = 9
3) x² + (y +3)² = 10 ou x² + ( y-3)² = 10 4) (x-1)²+(y-2)²=100
4) Posições relativas:
I ) Posição relativa entre ponto e circunferência:
Dado um ponto P qualquer e um circunferência, podemos ter três casos:
γ P • P
•
•P
• C • C • C
γ
γ
P ∈ γ P ∈ interior de γ P ∈ exterior de γ
Exemplos:
Verifique qual é a posição do ponto P dado em relação à circunferência de equação dada:
a) P (5,-1) e x² + y² - 6x – 2y + 8 = 0
b) P ( 1, -2) e x² + y² - 2x + 4y – 3 = 0
c) P (1, -3) e x² + y² -2x + 4y – 3 = 0
Conclusão:
- Se d(CP) > r o ponto é exterior à circunferência
- Se d (CP) = r o ponto pertence à circunferência
- Se d(CP) < r o ponto é interior à circunferência.
Ainda com relação a posição entre ponto e circunferência, podemos observar algumas inequações e
gráficos .
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Considere a equação da circunferência de centro (2,3) e raio 2 .
a) Se ( x-2)² + (y-3)² < 2, teremos pontos dentro da circunferência.
b) Se ( x-2)² + (y-3)² ≤ 2, teremos pontos dentro e sobre a circunferência.
c) Se ( x-2)² + (y-3)² = 2, teremos pontos sobre a circunferência.
d) Se ( x-2)² + (y-3)² > 2, teremos pontos fora da circunferência.
e) Se ( x-2)² + (y-3)² ≥ 2, teremos pontos fora e sobre a circunferência.
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Exercícios:
1) Determine a posição de P em relação a γ nos casos:
a) P (4,4) e γ : (x-3)² + (y-2)² - 4 = 0
b) P (3,1) e γ : x² + y² -4x – 2y + 4 = 0
c) P (5,3) e γ: x² + y² - 8x = 0
2) Determine k para que o ponto P(3,k) pertença ao interior da circunferência de equação x² + y² - 4x
= 0.
3) Determine k para quea equação x² + y² - 2x + 4y + k = 0 represente uma circunferência.
4) Idem para x² + y² - 4x – 3y + m = 0.
5) Faça o gráfico que represente as relações abaixo:
a) x² + y² < 1 b) x² + y² > 4 c) 1 ≤ x² + y² ≤ 4
6) Represente graficamente as soluções do sistema:
<+
≤+
2yx
4yx 22
Respostas:
1) a) exterior b) pertence à circunferência c) interior
2) 33 <<− k
3) k < 5
4) m < 25/4
II ) Posição relativa entre reta e circunferência:
Uma reta t e uma circunferência γ do plano cartesiano podem apresentar as seguintes posições
relativas:
Secante Tangente Exterior
P P
t
t
d Q d d
• C t C • • C
d < r e t ∩∩∩∩ γγγγ = { P, Q} d = r e t ∩∩∩∩ γγγγ = { P} d > r e t ∩∩∩∩ γγγγ = ∅∅∅∅
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Dada a equação de t, ax + by + c = 0, o centro e o raio de γ, C ( xc, yc ) e r, podemos estabelecer a
posição relativa calculando a distância d entre o centro e a reta:
ba
cbyax
d
22
cc
+
++
=
Comparando d com r, temos:
d < r ⇔⇔⇔⇔ t e γγγγ são secantes
d = r ⇔⇔⇔⇔ t e γγγγ são tangentes
d > r ⇔⇔⇔⇔ t e γγγγ são exteriores
Exemplos:
1) Considere a reta t: x + y – 4 = 0 e a circunferência γ: x² + y² = 16 e verifique a posição relativa
entre t e γ.
Solução: 1º modo: centro e raio de γ: C ( 0, 0) e r = 4
Distância entre C e t: 22
2
4
11
)4(00
d
22
==
+
−++
=
Como 422 < , temos d < r e concluímos que t e γ são secantes.
2º modo: vamos resolver o sistema das equações de t e γ :
S =
=+
=−+
16yx
04yx
22
Teremos duas soluções: x = 0 ou 4.
Para x = 0 teremos y = 4 enquanto que para x = 4 termos y = 0.
Logo, os pontos de intersecção são (4,0) e (0,4).
Ou seja, há dois pontos de intersecção, logo a reta e a circunferência são secantes.
III ) Posição relativa entre duas circunferências:
Duas circunferências γ1 e γ2 do plano cartesiano podem apresentar as seguintes posições relativas:
a) EXTERIORES b) TANGENTES EXTERNAMENTE
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c) SECANTES d) UMA NO INTERIOR DA OUTRA
e) TANGENTES INTERIORMENTE f) CONCÊNTRICAS
Exemplo:
1) Verifique a posição relativa das circunferências: γ1 = ( x – 1 )² + ( y – 2 ) ² = 5
γ2 = ( x – 3 )² + ( y – 3 )² = 10
Exercícios
1) Determine a posição relativa entre a reta x + y – 3 = 0 e a circunferência x² + y² -2x –2y –3 = 0.
2) Idem para x + y = -3 e x² + y² - 4x –2y –13 = 0.
3) Idem para x = y + 1 e x² + y² - 2x + 2y – 3 = 0
4) Determine o valor de m para que o ponto P (-1,3) pertença a circunferência x²+y²-2x+3y + m = 0.
5) Quais os pontos de intersecção entre a reta x+y+15=0 e a circunferência x² + y² - 4x -10y - 35=0.
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6) Calcule o comprimento da corda que a reta x + y - 3 = 0 determina na circunferência de equação
(x+2)² + (y-1)² = 10.
7) Quais são os valores de k para que a reta t, de equação 4x + 3y + k = 0 e a circunferência de
equação x² + y² - 12x + 6y + 9 = 0 sejam secantes?
8) Verifique a posição entre as circunferências:
a) α: ( x-1)² + y² = 1
β: ( x-1)² + (y-4)² = 1
b) α: ( x-1)² + y² = 1
β: ( x-2)² + y² = 4
c) α: ( x-2)² + (y-2)² = 4
β: x² + y² = 25
d) α: ( x-4)² + y² = 4
β: ( x-2)² + y² = 1
9) As circunferências de equações x² + y² + 2x – 4y = 0 e x² + y² - x – y = 0 cortam-se nos pontos A
e B. Obtenha a equação da reta AB.
Respostas:
1) secantes
2) tangentes
3) secantes
4) m = -21
5) ∅
6) 22
7) k > -45 e k < 15
8) a) exteriores b) tangentes internamente
c) interiores não concêntricas d) secantes
9) x – y = 0
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ELIPSE
Algumas aplicações das cônicas são:
• As órbitas dos planetas têm a forma de elipse;
• A hipérbole é utilizada no estudo descritivo da expansão de gases em motores a explosão;
• A parábola é a curva que descreve a trajetória de um projétil, desprezando a resistência do ar.
Aparece ainda na construção de espelhos parabólicos, utilizados em faróis de automóveis, e de
antenas parabólicas.
Neste capítulo, vamos estudar a elipse.
Uma maneira prática de desenhar a elipse é a seguinte: espetamos um alfinete em cada foco e
amarramos neles as pontas de um pedaço de linha com comprimento 2 a . Deslizando a ponta do lápis
pela linha, de modo a mantê-la sempre bem esticada, faremos o desenho de uma elipse.
1) Definição:
A elipse é o lugar geométrico dos pontos de um plano os quais a soma das distâncias a dois pontos
fixos desse plano, F1 e F2 é uma constante 2a (maior que a distância 21FF ).
P •
F1• • F2
Ao conjunto de todos os pontos P do plano tais que:
d(P,F1 ) + d(P,F2 ) = 2a
ou
|PF1 | + | PF2 | = 2 a
dá-se o nome de ELIPSE.
Observação: a distância 2a é o tamanho do fio que se usou para construir a elipse.
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2) Elementos da elipse: B2
•
a a
b
A1 F1• c c • F2 A2
a a
b
B1
• F1 e F2 são ditos FOCOS;
• d( F1 , F2 ) = distância focal;
• C = centro
• A1 , A2 , B1 e B2 = vértices
• | A1 A2 | = 2 a ( eixo maior)
• | B1 B2 | = 2 b ( eixo menor)
• a = semi eixo maior
• b = semi eixo menor
Em toda a elipse vale a relação: a² = b² + c²
Excentricidade: e =
a
c
( 0 < e < 1 )
3) Equação da Elipse de centro na origem do sistema:
1º CASO: o eixo maior está sobre o eixo dos x.
B2 P ( x,y)
A1 F1(-c,0) F2(c,0) A2
b
B1 a
Usando a definição, temos:
d(P,F1 ) + d(P,F2 ) = 2a
ou, em coordenadas:
2ayc)(xyc)(x 2222 =+−+++
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Isolando um dos radicais, temos:
2222 yc)(x2ayc)(x +−+=++
e elevando ao quadrado, temos:
x² + 2cx + c² + y² = 4a² - 4 a 222222 yc2cxxc2cxyx ++−++−+
Isolando o radical e tornando a elevar ao quadrado ficamos com:
4a 4cx4ac2cxyx 2222 −=+−+
a cxac2cxyx 2222 −=+−+
Elevando novamente ao quadrado:
a² [ x² - 2cx + c² + y² ] = a4 – 2a²cx + c²x²
a²x² - 2a²cx + a² c² + a²y² = a4 – 2 a²cx + c²x²
(a² - c²)x² + a² y² = a² ( a² - c²)
Dividindo por a² ( a² - c²) fica
1
ca
y
a
x
22
2
22
=
−
+
Como já sabemos que a² = b² + c², podemos escrever a² - c² = b²
Logo, substituindo esta relação teremos:
1
b
y
a
x
2
2
2
2
=+ que é a equação reduzida da elipse.
2º CASO: o eixo maior está sobre o eixo dos y.
b
A2
(0,c)
a •F2
B1 0 B2
•F1
(0,-c)
A1
Com um procedimento análogo ao 1º caso, obteremos a equação reduzida
1
a
y
b
x
2
2
2
2
=+
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Observação:
Tendo em vista que a² = b² + c², segue que
a² > b² e daí a > b
Então, sempre o maior dos elementos na equação reduzida representa o número a², onde “a” é a
medida do semi-eixo maior.
Exemplos:
1) Dadas as elipses 3
a) b)
2
-2 2
-3 3
-3
-2
as equações em cada caso são:
a) 1
2
y
3
x
2
2
2
2
=+ ou 1
4
y
9
x
22
=+ b) 1
3
y
2
x
2
2
2
2
=+ ou 1
9
y
4
x
22
=+
2) Determine a equação da elipse de centro na origem e eixo maior horizontal sendo 10 cm e a
distância focal 6 cm.
Solução:
Se o eixo maior = 10, temos que 2a = 10 logo, a = 5.
E se a distância focal = 6, temos que 2c = 6, logo, c = 3
Assim, a equação fica:
1
b
y
a
x
2
2
2
2
=+ com a= 5, c = 3 e b = ????
Como achar b?
Da relação a² = b² + c² temos que b = 4
Logo, a equação da elipse fica
1
16
y
25
x
ou 1
4
y
5
x
22
2
2
2
2
=+=+
3) Determine o eixo maior, o eixo menor, a distância focal, os focos, a excentricidade e o gráfico da
elipse de equação x² + 4y ² = 16.
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4) Idem para a equação 9x² + 25 y² = 225.
5) Idem para a equação 4x² + y² = 16
6) Idem para a equação x² + y² - 9 = 0
7) Uma elipse de centro na origem tem um foco no ponto ( 3,0) e a medida do eixo maior é 8.
Determine sua equação.
A excentricidade
A excentricidade de uma elipse de eixo maior 2a e distância 2c é o número tal que e =
a
c
.
Imaginemos uma seqüência de elipses, todas com mesmo eixo maior, porém com distância focais cada
vez menores:
a a a
• c1 • • c2 • • c3 •
F1 F2 F1 F2 F1 F2
e1 =
a
c1
e2 =
a
c 2
e3 =
a
c 3
Conforme os focos vão se aproximando, a excentricidade da elipse vai diminuindo ( e1 > e2 > e3 ). Veja
que quando a excentricidade é menor, a elipse fica mais arredondada.(Se e = 0, temos circunferência).
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Analítica II
Como curiosidade, saiba que tanto a trajetória da Terra em torno do Sol, como a da Lua em torno da
Terra, são elipses, porém muito próximas de circunferências, pois têm excentricidade próximas de
zero: a primeira tem excentricidade e = 0,016, enquanto a segunda tem excentricidade e = 0,054.
4) Equação da Elipse com centro fora da origem do sistema:
1º CASO: o eixo maior é paralelo ao eixo dos x.
Considere a elipse de centro C ( xc , yc ) e seja P (x, y) um ponto qualquer da mesma.
• P (x,y)
F1 F2
yc A1 • • A2
C
xc
A equação de uma elipse de centro C (0,0) e eixo maior sobre o eixo dos x dada por 1
b
y
a
x
2
2
2
2
=+
passa agora, quando o eixo maior for paralelo ao eixo dos x e o centro for C( xc , yc ), para equação
1
b
)y-(y
a
)x-(x
2
2
c
2
2
c
=+
2º CASO: o eixo maior é paralelos ao eixo dos y.
A2
•F2
yc C
•F1
A1
xc
De forma análoga, temos:
1
a
)y-(y
b
)x-(x
2
2
c
2
2
c
=+
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Exemplo:
1) Determine a equação da elipse de centro C(2,-1) e tangente aos eixos coordenados, sendo os eixos
de simetria paralelos aos eixos x e y.
2) Determine o centro, os focos, o eixo maior e o eixo menor da elipse 4x² + 9y² - 16x – 18y – 11 = 0.
Exercícios:
1) Dê a equação e a excentricidade da elipse nos casos seguintes:
a) O eixo menor mede 8 e os focos são F1 (-6,0) e F2 (6,0).
b) Um foco é F1 (0,4), o centro dela é C(0,0), ela passa em P(2,0).
c) O eixo maior mede 14 e os focos são F1 (0,-5) e F2 (0,5).
2) Determine o centro, os focos, o eixo maior e o eixo menor da elipse em cada caso:
a) 25x² + 16y² + 50x + 64y – 311 = 0
b) 4x² + 9y² - 24x + 18y + 9 = 0
c) 16x² + y² + 64x – 4y + 52 = 0
d) 4x² + 9y² - 8x – 36y + 4 = 0
3) Determine a equação da elipse em cada caso:
a) eixo maior = 10, focos (-4,0) e (4,0)
b) centro ( 0,0), um foco em F1 =( ¾ , 0) e um vértice em A1 = (1,0)
c) eixo menor = 4, Centro (0,0) e um foco em F1 = (0, 5− ).
d) Centro C(2,4), um foco F(5,4) e excentricidade ¾.
e) Eixo maior mede 10 e focos em F1 (2,-1) e F2 = (2,5).
4) Determine o centro, os vértices A1 e A2 , os focos F1 e F2 , e a excentricidade das elipses dadas:
a) 1
9
3)(y
16
2)(x 22
=
+
+
−
b) 1
100
y
36
x
22
=+
c) 9x² + 25y² - 25 = 0 d) 9x² + 5y² = 45
Respostas:
1) a) 1
16
y
52
x 22
=+ , e ≅ 0,83 b) 1
20
y
4
x
22
=+ , e ≅ 0,89
c) 1
49
y
24
x
22
=+ , e ≅ 0,71
2) a) C(-1,-2) , F1 (-1,1) e F2 (-1,-5), eixo maior = 10, eixo menor = 8
b) C(3,-1), F1 ( 1,53 −+ ) e F2 ( 1,53 −− ), eixo maior = 6, eixo menor = 4
c) C(-2,2), F1 ( 152 ,2 +− ) e F2 ( 152 ,2 −− ), eixo maior = 8, eixo menor = 2
d) C(1,2), F1 ( 2 ,51 − ) e F2 ( 2 ,51 + ), eixo maior = 6, eixo menor = 4
3) a) 9x² + 25y² = 225
b) 7x² + 16y² = 7
c) 9x² + 4y² - 36 = 0
d) 7x² + 16y² - 28x – 128y + 172 = 0
e) 25x² + 16y² - 100x – 64y – 236 = 0
4) a) C(2,-3), A1 (-2,-3), A2 (6, -3), F( 2± 7 , -3), e = 4
7
17
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Analítica II
b) C(0,0), A(0, ± 10), F ( 0, ±8) , e =
5
4
c) C(0,0), A (±
3
5
, 0 ) , F (±
3
4
, 0) , e =
5
4
d) C(0,0), A ( 0, ± 3) , F ( 0, ± 2) , e =
3
2
18
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Analítica II
HIPÉRBOLE
1) Definição:
Hipérbole é o lugar geométrico dos pontos de um plano cuja diferença das distâncias, em valor
absoluto, a dois pontos fixos desse plano é constante.
Consideremos no plano dois pontos distintos F1 e F2 tal que a distância d (F1, F2 ) = 2c.
Ao conjunto de todos os pontos P do plano tais que:
| d (P, F1) - d (P, F2) | = 2 a ou | PF1| - | PF2 | = 2a
dá-se o nome de hipérbole.
• P
• •F1 F2
Na verdade, | d (P, F1) - d (P, F2) | = 2 a significa que d (P, F1) - d (P, F2) = ±±±± 2 a
Quando P estiver no ramo da direita, a diferença é + 2a e, em caso contrário, será – 2a .
P3 • P1
F1 A1 A2 F2
C
P4 • P2
2 a
2c
A hipérbole é uma curva simétrica em relação a estas duas retas, como também em relação ao ponto C.
Se P1 é um ponto da hipérbole, existem os pontos P2 , P3 e P4 tais que: P2 é o simétrico de P1 em
relação à reta horizontal, P3 é o simétrico de P1 em relação à reta vertical, P4 é o simétrico de P1 em
relação à origem.
Ainda pela simetria, conclui-se que
d (A1 , F1) = d (A2 , F2)
19
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Analítica II
e da própria definição vem
d (A1 , A2) = 2a
2) Elementos:
B1
c
b
F1 A1 a A2 F2
B2
2 a
2c
Focos: F1 e F2
Distância focal: 2 c entre os focos
Centro: ponto médio do segmento F1F2
Vértices: A1 e A2
Eixo real ou transverso: é o segmento A1A2 de comprimento 2a
Eixo imaginário ou conjugado: é o segmento B1B2 de comprimento 2b
O valor de b é definido através da relação:
c² = a² + b²
onde a, b e c são as medidas dos lados do triângulo retângulo no desenho.
Excentricidade: e =
a
c
com c > a e e > 1 .
3) Equação da hipérbole com centro C ( 0,0) na origem do sistema:
1º CASO: eixo real sobre o eixo dos x:
| d (P, F1) - d (P, F2) | = 2 a
2a |0)(yc)(x0)(yc) -(x| 2222 =−+−−−+
Com o mesmo procedimento da equação da elipse, chegamos a equação:
1
b
y
a
x
2
2
2
2
=− que é a equação reduzida da hipérbole de centro na origem e
eixo real sobre o eixo dos x.
2º CASO: eixo real sobre o eixo dos y:
20
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Analítica II
1
b
x
a
y
2
2
2
2
=− que é a equação reduzida da hipérbole de centro na origem e
eixo real sobre o eixo dos y.
Exemplos:
1) A hipérbole da figura a seguir tem equação reduzida ............
2
-3 3
-2
1
2
y
3
x
2
2
2
2
=− ou 1
4
y
9
x
22
=−
2) No exemplo anterior, determine os vértices A1 e A2 e os focos F1 e F2 .
Basta fazermos y = 0, encontrando na equação 3. ou x 1
9
x
2
±== Logo, A1 (3,0) e A2 (-3,0) .
Para encontrarmos os focos, precisamos encontrar a distância focal, ou seja, o valor de c.
Como c² = a² + b², temos c² = 9 + 4 = 13
Assim, c = 13±
Logo, F1 ( 13 , 0) e F2 (- 13 , 0).
4) Equação da hipérbole com centro C ( xc , yc ) fora da origem do sistema:
1º CASO: eixo real sobre o eixo dos x:
1
b
)y-(y
a
)x-(x
2
2
c
2
2
c
=−
2º CASO: eixo real sobre o eixo dos y:
1
b
)x-(x
a
)y-(y
2
2
c
2
2
c
=−
21
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Analítica II
5) Hipérbole Equilátera:
Os semi eixos real e imaginário são iguais:
Logo, a = b
Exemplos:
Em cada caso ( 1 até 5) , determine:
- a equação reduzida;
- a medida dos semi-eixos;
- um esboço do gráfico;
- os vértices;
- os focos;
- a excentricidade.
1) 9x² - 7y² - 63 = 0
Solução: 9x² - 7y² - 63 = 0 ou 1
9
y
7
x
ou
63
63
63
7y
63
9x 2222
=−=−
a² = 7 logo, a = 7
b² = 9 logo, b = 3
Gráfico:
Vértices: A1 (- 7 ,0) e A2 ( 7 , 0)
Focos: precisamos do valor de c:
c² = a² + b²
c = 4
Logo, os focos são F1 (-4,0) e F2 (4, 0)
Excentricidade: e = c/a = 4 / 7
2) x² - 4y² + 16 = 0
3) x² - y² = 4
22
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Analítica II
4) 16x² - 25y² - 1600 = 0
5) x² - y² = 1
Exercícios:
6) Determine a equação de uma hipérbole de Focos (-5, 0) e (5,0) e a medida do eixo real é igual a
6.
7) Sendo dados os vértices A1 ( 5,5) e A2 (5, -1), e a excentricidade e = 2, determine a, b e c,
grafique a hipérbole e determine sua equação.
8) Ídem ao exercícios 7, sendo dados os focos F1 (3,4) e F2 (3, -2), e a excentricidade e = 2.
9) Sendo F1 ( -1,-5) e F2 (5, -5), determine a equação da hipérbole equilátera. Faça também um
esboço do gráfico.
10) Determine a equação da hipérbole de vértices A1 ( 1,-2) e A2 (5, -2), sabendo que F(6,-2) é um de
seus focos.
11) Determine o centro, um esboço do gráfico, os vértices, os focos e a excentricidade das hipérboles
de equação:
a) 9x² - 4y² - 18x – 16y – 43 = 0
b) 9x² - 4y² - 54x + 8y +113 = 0
c) 4x² - y² - 32x + 4y + 24 = 0
d) x² - 4y² + 6x + 24y – 31 = 0
Respostas:
6) 1
16
y
9
x
22
=−
7) a=3, b= 3 3 e c = 6, 1
27
5)-(x
9
2)-(y 22
=−
8) 4x² - 12y² - 24x + 24y + 51 = 0
9) 2x² - 2y² - 8x – 20y – 51 = 0
10) 5x² - 4y² - 30x - 16y + 9 = 0
11) a)C(1,-2) , A1 (-1,-2), A2 (3, -2) , F ( 1 13± , -2) , e = 2
13
b) C(3,1) , A1 (3,-2), A2 (3, 4) , F (3, 1 13± ) , e = 3
13
c) C(4,2) , A1 (1,2), A2 (7, 2) , F ( 534 ± , 2) , e = 5
d) C(-3,3) , A1 (-5,3), A2 (-1,3) , F ( 53 ±− , 3) , e = 2
5
23
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Analítica II
PARÁBOLA:
Consideremos em um plano uma reta d e um ponto F não pertencente a d.
Parábola é o lugar geométrico dos pontos do plano que são eqüidistantes de F e d.
F• F•
= _ _ = • P
•
= _ _ = V
d
A P’
Elementos:
F = ponto fixo ( FOCO)
d = diretriz ( reta)
eixo: é a reta que passa pelo foco e é perpendicular à diretriz
Vértice: é o ponto V de interseção da parábola com o seu eixo.
Por definição, temos que
d(PF) = d(PP’)
1) Equação da Parábola de Vértice na origem do sistema:
1º CASO: O eixo da parábola é o eixo dos y:
• F • P
2
p
2
p
x
d
P’
Da definição de parábola, temos que:
d(PF) = d(PP’)
Como, F ( 0,
2
p ) e P’( x, -
2
p ) temos:
| (x - 0, y -
2
p )| = | (x - x, y +
2
p )|
24
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Analítica II
ou
2222 )2
p(yx)(x)2
p(y0)(x ++−=−+−
Elevando ambos os membros ao quadrado, obteremos:
(x - 0)² + ( y -
2
p )² = ( x – x ) ² + ( y +
2
p )² .
ou
x² + y² - py +
4
2p
= y² + py +
4
2p
ou, simplesmente:
x² = 2 py
Esta equação é chamada equação reduzida da parábola e constitui a forma padrão da equação da
parábola de vértice na origem tendo para eixo o eixo dos y.
Da análise desta equaçãoconclui-se que, tendo em vista ser 2py sempre positivo (pois é igual a x²>0),
os sinais de p e de y são sempre iguais. Consequentemente, se p > 0 a parábola tem concavidade
voltada para cima e , se p < 0 a parábola tem concavidade voltada para baixo.
Este número real p ≠ 0 é conhecido como parâmetro da parábola.
2º CASO: O eixo da parábola é o eixo dos x:
y
P’ • • P(x,y)
A V • F(
2
p
, 0) x
2
p
2
p
d
Sendo P(x,y) um ponto qualquer da parábola de foco F(
2
p
,0), obteremos de forma análoga ao 1º caso a
equação reduzida:
y² = 2 px
25
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Analítica II
Conforme o sinal de p termos: se p > 0, a parábola tem concavidade voltada para a direita e , se p < 0
a parábola tem concavidade voltada para a esquerda.
Exemplos:
1) Determine o foco e a equação da diretriz das parábolas x² = 8y e y² = -2x.
Construir o gráfico:
Solução:
a) x² = 8y
A equação é da forma x² = 2py, logo:
2p = 8 p = 4
2
p
= 2
Portanto, foco : F ( 0, 2)
Diretriz = y = -2 y
F •2
x
0 4
diretriz
-2
b) y² = -2x
A equação é da forma y² = 2px, logo:
2p = -2 p = -1
2
p
= -
2
1
Portanto, foco: F = (-
2
1
, 0) d: x = ½
diretriz: x =
2
1
• 2
F •
-2
-2
3) Determine a equação de cada uma das parábolas, sabendo que:
a) vértice ( 0,0) e foco ( 1,0) ;
b) vértice ( 0,0) e diretriz y = 3;
c) vértice (0,0), passa pelo ponto P (-2,5) e concavidade voltada para cima.
d) Vértice ( 0,0) e foco ( 0, -3) ;
e) Foco ( 2,0) e diretriz x + 2 = 0.
26
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Analítica II
3) Translação de eixos:
Consideremos no plano cartesiano xOy um ponto O’(h,k) arbitrário.
Usando um novo sistema x’O’y’ tal que os eixos O’x’ e O’y’ tenham a mesma unidade de medida, a
mesma direção e o mesmo sentido dos eixos Ox e Oy. Assim, podemos obter este novo sistema pela
translação de eixos. y y’
• P
y’
x’
O’
y x’
k
x
h
x
Podemos observar que x = x’+ h e y = y’+ k
Logo, teremos: x’= x – h e y’= y – k
Estas são as fórmulas de translação.
A principal finalidade da transformação de coordenadas é modificar a forma de equações. Por
exemplo, seja a parábola de equação
x’² = 4y’ no novo sistema.
Se tivermos h = 3 e k = 2, isto é, O’( 3,2) e sabendo que x’= x – h e y’ = y – k, temos
x’= x – 3 e y’= y – 2
Logo, a equação da parábola em relação ao sistema xOy é:
(x-3)² = 4 (y-2)
ou
x² - 6x + 9 = 4y – 8
ou
x² - 6x – 4y + 17 = 0
Gráfico:
27
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Analítica II
4) Equação da Parábola de Vértice fora da origem do sistema:
1º CASO: O eixo da parábola é o eixo dos y:
y
y’
• P
y’
y
O’ = V x’
k x’
x
h
x
Seja P(x,y) um ponto qualquer desta parábola.
Sabe-se que a equação da parábola referida ao sistema x’O’y’ é:
x’² = 2py’
mas
x’= x – h e y’= y – k, logo:
( x – h )² = 2 p ( y – k )
que é a forma padrão da equação de uma parábola de vértice V(h,k) e eixo paralelo ao eixo dos y.
2º CASO: O eixo da parábola é o eixo dos x:
De modo análogo ao caso anterior, teremos:
( y – k )² = 2 p ( x – h )
Observamos que se V(h,k) = (0,0) voltamos a ter o caso inicial de vértice na origem.
Exemplos:
1) Determine a equação da parábola de vértice V(3,-1) sabendo que y-1=0 é a equação de sua
diretriz.
Solução:
Vejamos o gráfico para facilitar
y
1 y = 1 diretriz
2
p
3 x
-1 V
28
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Analítica II
A equação da parábola é da forma : ( x-h)² = 2p(y-k)
Mas
h=3 k= - 1 e p/2 = -2 , p = -4
substituindo na equação , vem:
(x-3)² = 2 . (-4) ( y+1)
ou
x² - 6x + 9 = -8y – 8
ou melhor:
x² - 6x + 8y + 17 = 0
2) Determine a equação da parábola de vértice V(4,1) e equação de diretriz x + 4 = 0
3) Determine a equação da parábola de foco em F(1,2), sendo x=5 a equação da diretriz:
4) Determine o vértice, o foco, a equação da reta diretriz e o gráfico de cada uma das parábolas:
a) x² + 4x + 8y + 12 = 0
b) y² - 12x – 12 = 0
c) y² + 2y – 16x – 31 = 0
d) x² - 2x – 20y – 39 = 0
29
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Analítica II
5) Equação da parábola na forma explícita:
Sabemos que a equação de uma parábola de vértice V(h,k) e eixo paralelo ao eixo dos y tem a forma
padrão :
(x-h)² = 2p(y-k)
Por exemplo, para V(2,-1) e p = 1/8, teríamos:
(x-2)² = ¼ (y+1)
Como o objetivo é escrever a forma explícita, vamos explicitar y na equação:
x² - 4x + 4 = ¼ y + ¼
ou
4x² - 16x + 16 = y + 1
de onde vem:
y = 4x² - 16x + 15
que é a forma explícita mais conhecida por nós, ou seja, está na forma: y = ax² + bx + c.
Reciprocamente, dada uma equação na forma explícita, podemos sempre conduzi-la à forma padrão.
Assim, se a equação é :
y= 4x² - 16x + 15 temos:
4x² - 16x = y – 15
4 ( x² - 4x ) = y – 15
Completando quadrados:
4 ( x² - 4x + 4 ) = y – 15 + 16
4(x-2)² = y + 1
( x – 2 )² = ¼ (y+1)
Logo, o vértice é V ( 2, -1) e
2p = ¼ portanto p = 1/8 .
OBS.: Se a parábola tem eixo paralelo ao eixo dos x, sua equação na forma explícita é
x = ay² + by + c, correspondente a forma padrão ( y – k )² = 2p(x - h)
Exemplos:
1) Determine a equação da parábola que passa pelos pontos ( 0,1), (1,0) e (3,0) conforme a figura:
1
1 3
30
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Analítica II
Exercícios:
1) Em cada caso estabeleça a equação de cada uma das parábolas sabendo que:
a) vértice V(0,0) e diretriz d: y = -2
b) vértice V(0,0) e foco F(0,-3)
c) foco F(0,-1) e diretriz d: y – 1 = 0
d) vértice V(-2,3) e foco F(-2,1)
e) vértice V(0,0), eixo y = 0 e passa por (4,5).
f) Foco F(6,4) e diretriz y = -2
g) Eixo de simetria paralelo ao eixo dos y e a parábola, passa pelos pontos A(0,0), B(1,1) e C (3,1).
2) Em cada caso, determine o vértice, o foco, uma equação para a diretriz e uma equação para o eixo
da parábola de equação dada. Esboce o gráfico:
a) x² = -12 y
b) y² = -3x
c) y²+ 4y + 16x – 44 = 0
d) 6y = x² - 8x + 14
e) y² - 16x + 12y + 49 = 0
Respostas:
1) a) x² = 8y
b) x² = - 12y
c) x² = - 4y
d) x² + 4x + 8y – 20 = 0
e) 5x² - 16y = 0
f) (x-6)² = 12 (y-1)
g) y = x
3
4
x
3
1 2 +−
2) a) V(0,0), F(0,-3) , y = 3 e x =0
b) V(0,0), F(- ¾ , 0), x = ¾ e y =0
c) V(3,-2), F(-1,-2), x=7 e y =-2
d) V(4, -1/3 ), F(4, 7/6), 6y + 11 = 0 e x-4=0
e) V(
16
13
,-6), F(
16
77
,-6), x =
16
51−
e y = -6
31
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Analítica II
Aplique seus conhecimentos e descubra as equações das cônicas e retas das embalagens representadas
em seu corte transversal longitudinal:
32
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Analítica II
Unidade II - ESPAÇOS VETORIAIS
Relembrando vetores e suas operações ( Geometria Analítica):
Sejam ur = (x1 , y1 , z1) e vr = (x2 , y2 , z2) vetores no R³ e α número real, então:
a) ur = vr se x1 = x2 , y1 = y2 e z1 = z2 ;
b) ur + vr = (x1 + x2 , y1 + y2 , z1 + z2 );
c) αur = (αx1 , αy1 , αz1);
d) ur • vr = x1 . x2 + y1 . y2 + z1 . z2 ;
e) |ur | = u.u rr = 212121 zyx ++
f) proj v ur = |v|
vu
r
rr
•
1. Propriedades de vetores:
1) (ur + vr ) + wr = ur + ( vr + wr ) (Propr. Associativa da Adição)
2) ur + vr = vr + ur ( Propr. Comutativa da Adição)
3) ur + 0 = 0 + ur = ur ( elemento neutro da Adição)
4) ur + (-ur ) = 0 ( elemento oposto da Adição)
5) (αβ) ur = α (βur ) ( Propr. Associativa da Multiplicação)
6) (α+β) ur = α ur + βur ( Propr. Distributiva da Mult.)
7) α (ur + vr ) = α ur + αvr ( Propr. Distributiva da Mult.)
8) 1 . ur = ur ( Elemento neutro da Mult. )
2. Definição:
Seja um conjunto V, não vazio, sobre o qual estão definidas as operações adição e
multiplicação por escalar, isto é:
→ ∀ u
r
, v
r
∈ V, temos u
r
+ v
r
∈ V
→ ∀ α ∈ R, ∀ u
r
∈ V, temos α u
r
∈ V
O conjunto V com essas duas operações é chamado ESPAÇO VETORIAL REAL se forem
verificados os seguintes axiomas:
A1 (ur + vr ) + wr = ur + (vr + wr ) ∀ ur, vr , wr ∈ V
A2 u
r
+ v
r
= v
r
+u
r
∀ u
r
, v
r
∈ V
A3 ∃ 0 ∈ V, ∀ u
r
∈ V , u
r
+ 0 = 0 + u
r
= u
r
A4 ∀ u
r
∈ V , ∃ (-ur) ∈ V , ur + (-ur) = 0
M1 (αβ) ur = α (βur) ∀ α, β ∈ R e ∀ ur ∈ V
M2 (α+β) ur = α ur + βur ∀ α, β ∈ R e ∀ ur ∈ V
M3 α (ur + vr ) = α ur+ αvr ∀ α ∈ R e ∀ ur, vr ∈ V
33
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Analítica II
M4 1 . u
r
= u
r
∀ u
r
∈ V
Obs.: Os elementos do Espaço Vetorial V serão chamados vetores, independentes de sua
natureza.
Exemplo:
1) O conjunto V = R² = { (x, y) / x, y ∈ R } é um espaço vetorial com as operações de adição
e multiplicação por número real definidas por:
(x1 , y1 ) + (x2 , y2 ) = (x1 +x2 , y1 + y2 )
α (x
, y ) = ( αx
, αy )
Demonstração:
Sejam ur = (x1 , y1 ) , vr = (x2 , y2 ) e wr = ( x3 , y3 )
A1 ) (ur + vr ) + wr = [( x1 , y1 ) + (x2 , y2 ) ] + (x3 , y3 )
= [( x1 + x2 , y1 + y2 ) ] + (x3 , y3 )
= ( x1 + x2 + x3 , y1 + y2 + y3 )
= [ x1 + (x2 + x3 ), y1 + (y2 + y3 )]
= ( x1 , y1 ) + [ (x2 + x3 , y2 + y3 )]
= u
r
+ (vr + wr )
A2 ) ur + vr = ( x1 , y1 ) + (x2 , y2 )
= ( x1 + x2 , y1 + y2 )
= ( x2 + x1 , y2 + y1 )
= (x2 , y2 ) + (x1 , y1)
= v
r
+ u
r
A3) ∃ 0 = (0,0) → ur + 0 = ( x1 , y1 ) + (0,0) = ( x1 , y1 ) = ur
A4) ∀ ur ∈ V , ∃ (-ur) ∈ V → ur + (-ur) = ( x1 , y1 ) + ( -x1 , -y1 ) = ( x1 - x1 , y1 - y1 ) = (0,0) = 0
M1) (αβ) ur = (α β) ( x1 , y1 ) = (αβx1 , αβy1 )
= (α (βx1 ), α (βy1)) = α ( βx1 , βy1 )
= α[β ( x1 ,y1)] = α (βur)
M2) (α+β) ur = (α+β) ( x1 , y1 ) = ((α+β) x1 , (α+β) y1 )
= (α x1 + βx1 , αy1 + βy1 ) = ( αx1 , αy1 ) + (βx1 , βy1 ) = α (x1 , y1 ) + β (x1 , y1 )
= αu
r
+ βur
M3 ) α (ur + vr ) = α (( x1 , y1 ) + (x2 , y2 )) = α ( x1 + x2 , y1 + y2 )
=( α x1 + αx2 , αy1 + αy2 ) = (α x1 , α y1 ) + ( α x2 , α y2 ))
= α u
r
+ αv
r
M4 ) 1 . ur = 1 .( x1 , y1 ) = ( x1 , y1 ) = ur
Outros exemplos de Espaços Vetoriais:
2) R³
3) Rn
4) M (m,n) de matrizes
34
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Analítica II
5) Pn = { a0 + a1x + a2x2 + ...+ anxn } dos polinômios de grau n
6) O conjunto V = { (x, x²) / x ∈ R } com as operações de adição e multiplicação por número
real definidas por: (x1 , x12 ) ⊕ (x2 , x22 ) = (x1 +x2 , x1 ² + x2 ² )
α * (x
, x² ) = ( αx
, αx² )
Exercícios:
1) Verifique se o conjunto R² = {(a, b) / a,b ∈ R} com as operações ( a,b) + ( c,d) = (a+c, b+d)
e k ( a,b) = (ka, b) é um espaço vetorial, mostrando os axiomas.
2) Verifique se o conjunto M 2x2 =
d c
b a
e as operações usuais de soma e multiplicação
por escalar é um Espaço Vetorial .
3) Verifique se o conjunto V = { (x, x²) / x ∈ R } com as operações de adição e multiplicação
por número real definidas por: (x1 , x12 ) ⊕ (x2 , x22 ) = (x1 +x2 , x1 ² + x2 ² )
α * (x
, x² ) = ( αx
, αx² )
é um espaço vetorial.
3. Subespaços Vetoriais
Seja V um Espaço Vetorial e S um subconjunto não vazio de V. O subconjunto S é um
Subespaço Vetorial de V se S é um Espaço Vetorial em relação à adição e à multiplicação
por escalar definidas em V.
Teorema:
Um subconjunto S, não vazio de um espaço vetorial de V é um subespaço de V se
estiverem satisfeitas as condições:
i) para qualquer ur , vr ∈ S, tem-se que ur + vr ∈ S ;
ii) para qualquer α ∈ R, ur ∈ S tem-se que αur ∈ S .
Obs.: todo espaço vetorial V admite pelo menos dois subespaços: o conjunto {0}, chamado
subespaço zero ou nulo, e o próprio espaço vetorial V. Estes dois são os subespaços
triviais. Os demais subespaços são denominados próprios.
Exemplos:
1) Sejam V = R² e S = {(x,y) ∈ R² / y = 2x} ou S = {(x, 2x) / x∈ R}, isto é, S é o conjunto de
vetores do plano que tem a segunda componente igual ao dobro da primeira. Mostre que
S é subespaço de V.
35
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Analítica II
Solução:
Verificando as condições i e ii acima:
Sejam ur = ( x1 , 2x1 ) e vr = (x2 , 2x2 ). Então
i) ur + vr = ( x1 , 2x1 ) + (x2 , 2x2 ) = ( x1 + x2 , 2x1 + 2x2 ) = ( x1 + x2 , 2(x1 + x2 )) ∈ S .
ii) αur = α ( x1 , 2x1 ) = (α x1 , 2(αx1 )) ∈ S
Logo, S é subespaço de V.
2) Sejam V = M2x2 =
∈
R d c, b, a, ,
d c
b a
e S =
∈
R b a, ,
0 0
b a
. Verifique se S
é subespaço de V.
Solução:
Para qualquer
=
0 0
b a
u
11r
∈ S e
=
0 0
b a
v
22r
∈ S e α ∈ R, tem-se que:
i) ur + vr ∈ S pois:
ii) αur ∈ S pois:
3) Verifique se S é subespaço de V em cada caso:
a) V = R4 e S = {( x, y, z,0 ), x, y, z ∈ R }
b) V = R² e S = {(x, y) / x > 0}
c) V = R² e S = { ( x, |x| ) , x ∈ R }
d) V = R² e S = {(x,y) ∈ R² / y = -2x}
e) V = R² e S = {(x,y) ∈ R² / y = 4-2x }
f) V = R² e S = {(x,y) ∈ R² / x + 3y = 0 }
36
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Analítica II
4. Combinação Linear:
Sejam os vetores vr 1 , vr 2 , ... , vr n do espaço vetorial V e os escalares a1, a2 ,..., an .
Quaisquer vetores vr ∈ V da forma :
v
r
= a1v
r
1 + a2 v
r
2 + ... + an v
r
n
é uma combinação linear dos vetores vr 1 , v
r
2 , ... , v
r
n .
Exemplos:
1) Considere os vetores no R³ : vr 1 = (1, -3, 2) e vr 2 = ( 2, 4, -1).
a) Escreva vr = ( -4, -18, 7) como combinação linear de vr 1 e vr 2 .
Sol.:
v
r
= a1v
r
1 + a2 v
r
2 + ... + an v
r
n
( -4, -18, 7) = a1 (1, -3, 2) + a2 (2, 4, -1)
=−
−=+−
−=+
7a2a
184a3a
42aa
21
21
21
Resolvendo o sistema, temos: a1 = 2 e a2 = -3.
Logo, vr = 2 vr 1 – 3v
r
2 .
b) Mostre que o vetor vr = ( 4, 3, -6) não é combinação linear de vr 1 e vr 2 .
Sol.:
v
r
= a1v
r
1 + a2 v
r
2 + ... + an v
r
n
( 4, 3, -6) = a1 (1, -3, 2) + a2 (2, 4, -1)
=−
=+−
=+
-6a2a
34a3a
42aa
21
21
21
Resolvendo o sistema, não conseguimos encontrar uma solução que valha para as três
equações. Logo, não tem solução, ou seja, não é possível escrever vr como combinação
linear de vr 1 e v
r
2 .
c) determine k para que o vetor vr = ( -1, k, -7) seja combinação linear de vr 1 e vr 2 .
v
r
= a1v
r
1 + a2 v
r
2 + ... + an v
r
n
( -1, k, -7) = a1 (1, -3, 2) + a2 (2, 4, -1)
37
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Analítica II
=−
=+−
−=+
-7a2a
4a3a
12aa
21
21
21
k
Resolvendo o sistema, encontramos a1 = -3, a2 = 1, e portanto k = 13.
2) No Espaço Vetorial P2 dos polinômios de grau ≤ 2 , verifique se o polinômio
v
r
= 7x² +11x – 26 é uma combinação linear dos polinômios vr 1 = 5x² - 3x + 2 e
v
r
2 =-2x² +5x–8.
Sol.:
De fato, vr = a1v
r
1 + a2 v
r
2 + ... + an v
r
n
7x² +11x – 26 = a1 (5x² -3x +2) + a2 ( -2x² +5x–8 )
=−
=+−
=−
-26a82a
11a53a
72a5a
21
21
21
Resolvendo o sistema, encontramos a1 = 3 e a2 =4, portanto
v
r
= 3vr 1 + 4 v
r
2
3) Mostre que o vetor vr = ( 3, 4 ) ∈ R² pode ser escrito de infinitas maneiras como
combinação linear de vr 1 = ( 1,0) , vr 2 = ( 0,1) e vr 3 = ( 2,-1) .
5. Subespaços Gerados
Seja V um espaço vetorial. Consideremos um subconjunto A = { vr 1, vr 2 , ..., vr n } ⊂ V, A ≠ 0.
O conjunto S de todos os vetores de V que são combinação linear dos vetores de A é um
subespaço vetorial de V.
De fato, se u
r
= a1 v
r
1 + a2 v
r
2 + ... + an v
r
n e v
r
= b1 v
r
1 + b2 v
r
2 + ... + bn v
r
n são dois
vetores quaisquer de S, pode-se escrever
u
r
+ v
r
= ( a1 + b1 )vr 1 + (a2 + b2 )vr 2 + ... + (an+ bn)vr n
α u
r
= (αa1 )vr 1 + (αa2)vr 2 + ... +(α an)vr n
Tendo em vista que ur + vr ∈ S e que α ur ∈ S, por serem combinações de vr 1, v
r
2 , ..., v
r
n
, conclui-se que S é um subespaço vetorial de V.
Simbolicamente, o subespaço S é
S = { vr ∈ V / vr = a1 vr 1 + a2 vr 2 + ... + anvr n , a1 , a2 , ..., an ∈ R }
Observações:
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Analítica II
1) O subespaço S diz-se GERADO pelos vetores vr 1, vr 2 , ..., vr n ou gerado pelo conjunto
A, e se representa por:
S = [vr 1, vr 2 , ..., vr n ] ou S = G(A)
Os vetores vr 1, v
r
2 , ..., v
r
n são chamados geradores do subespaço S, enquanto A é o
conjunto gerador de S.
2) Para o caso particular A = ∅, defini-se [ ∅ ] = {0}
3) A ⊂ G(A) ou seja, { vr 1, vr 2 , ..., vr n } ⊂ [vr 1, vr 2 , ..., vr n ].
4) Todo conjunto A ⊂ V gera um subespaço vetorial de V, podendo ocorrer G(A) = V. Nesse
caso, A é o conjunto gerador de V.
Exemplos:
1) Os vetores (1,0)i =
r
e (0,1)j =r geram o espaço vetorial R², pois qualquer vetor (x,y)
∈ R² é combinação linear de i
r
e jr .
Demonstração:
(x,y) = x i
r
+ y jr = x ( 1,0) + y ( 0,1) = ( x,0) + ( 0, y) = ( x, y).
Então: [ i
r
, jr ] = R² .
2) Os vetores (1,0,0)i =
r
e (0,1,0)j =r do R³ geram o subespaço S={ (x,y,0) ∈ R³ / x,y ∈ R}.
Demonstração:
(x,y,0) = x i
r
+ y jr = x ( 1,0, 0) + y ( 0,1,0) = ( x,0,0 ) + ( 0, y, 0 ) = ( x, y, 0)
Assim, [ i
r
, jr ] = S é um subespaço próprio do R³ e representa geometricamente o plano
xOy .
z
k
r
jr
y
i
r
x
39
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Analítica II
Exercícios:
1) Mostre que o conjunto A = { (3,1), (5,2) } gera o R².
2) Seja V = R³. Determine o subespaço gerado pelo vetor vr 1 = ( 1, 2, 3).
3) Considere os vetores ur = ( 1,2 ,-1) e vr = ( 6, 4, 2 ) em R³. Mostre que w = ( 9, 2, 7 ) é
combinação linear de ur e vr e que s = ( 4, -1, 8) não é combinação linear de ur e vr .
4) Verifique se vr 1 = ( 1, 1, 2 ), vr 2 = ( 1, 0, 1) e vr 3 = (2, 1, 3) geram o espaço vetorial R³.
5) Idem para vr 1 = ( 2, -1, 3 ), vr 2 = ( 4, 1, 2) e vr 3 = (8, -1, 8).
6) Idem para vr 1 = ( 2, 2, 2 ), vr 2 = ( 0, 0, 3) e vr 3 = (0, 1, 1).
40
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Analítica II
7) Determine se os seguintes polinômios geram P2 : p1 = 1 – x + 2x²
p2 = 3 + x
p3 = 5 – x + 4x²
p4 = -2 – 2x + 2x²
8) Seja M2x2 o espaço vetorial das matrizes de ordem 2. Encontre quatro matrizes que
geram M2x2 .
9) Sejam vr 1 = ( 2, 1, 0, 3 ), vr 2 = ( 3, -1, 5, 2) e vr 3 = (-1, 0, 2, 1). Quais dos seguintes
vetores podem ser gerados por [vr 1 ,vr 2 , vr 3 ].
a) ( 2, 3, -7, 3)
b) ( 0, 0, 0, 0 )
c) ( 1, 1, 1, 1)
d) ( -4, 6, -13, 4)
6. Dependência e Independência Linear
Definição:
Sejam V um espaço vetorial e A = { vr 1 ,vr 2 , ..., vr n } ⊂ V. Consideremos a equação
a1 v
r
1 + a2 v
r
2 + ... + anv
r
n = 0
Sabemos que essa equação admite pelo menos uma solução: a1 = 0 , a2 = 0, ..., an = 0,
chamada solução trivial.
O conjunto A diz-se linearmente independente ( LI ) ou os vetores vr 1 ,vr 2 , ..., vr n são LI
caso a equação admita apenas a solução trivial.
Se existirem soluções ai ≠ 0, diz- se que o conjunto A é linearmente dependente ( LD) ou
que os vetores vr 1 ,v
r
2 , ..., v
r
n são LD.
41
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Analítica IIExemplos:
1) Verifique se são LI ou LD os conjuntos abaixo:
a) no espaço V = R³ e os vetores vr 1 = ( 2, -1, 3 ), vr 2 = ( -1, 0, -2) e vr 3 = (2, -3, 1).
b) no espaço V = R4 e os vetores vr 1 = ( 2, 2, 3, 4 ), vr 2 = ( 0, 5, -3, 1) e vr 3 = (0, 0, 4, -2).
c) no espaço V = R³ e os vetores e1 = ( 1, 0, 0 ), e2 = ( 0, 1, 0 ) e e3 = (0, 0, 1).
d) no espaço V = M2x2 e o conjunto A =
−
−
1 3
4- 3
,
0 3
3- 2
,
1 3
2 1
.
Teorema:
Um conjunto A = {vr 1 ,vr 2 , ..., vr n } é LD se e somente se pelo menos um desses vetores é
combinação linear dos outros.
Obs.:
1) O teorema também pode ser enunciado como: “Um conjunto A = {vr 1 ,vr 2 , ..., vr n } é LI
se e somente se nenhum desses vetores for combinação linear dos outros. ”
2) Dois vetores vr 1 e vr 2 são LD se e somente se um vetor é múltiplo escalar do outro.
Ex.: v
r
1 = ( 1, -2, 3) e vr 2 = ( 2, -4, 6) são LD.
42
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Analítica II
v
r
1 = ( 1, -2, 3) e vr 2 = ( 2, 1, 5) são LI.
Interpretação geométrica:
v
r
2 v
r
1 v
r
2
v
r
1
{vr 1 ,vr 2 } são LD . {vr 1 ,vr 2 } são LI.
Obs.: quando tivermos espaço vetorial V = R³ devemos usar a idéia de coplanaridade vista
em Geometria Analítica ou Álgebra Analítica e Linear I .
Para tanto, cabe lembrar que três vetores estão no mesmo plano ( são coplanares) se o
produto misto entre eles for igual a zero. Se isto ocorrer, os vetores são LD.
7. Base de um Espaço Vetorial
Um conjunto B = { v1, v2, ..., vn } ⊂ V é uma base do espaço vetorial V se:
- B é LI;
- B gera V.
Ex.:
1) Seja B = { (1,1) , ( -1, 0)}. Verifique se B é base do R².
Solução:
B é LI, pois a1 ( 1,1) + a2 ( -1,0) = (0,0) somente se a1 = 0 e a2 = 0.
B gera R² pois ( x, y) = a1 ( 1,1) + a2 ( -1,0) . Teremos a1 = y e a2 = y – x.
Logo, ( x, y ) = y ( 1,1) + (y-x) ( -1,0) e portanto, B gera R².
Logo, B é base do R².
2) O conjunto B = { ( 1,0) , ( 0,1)} é uma base do R² pois B é LI e gera R². B é conhecida
como BASE CANÔNICA DO R².
43
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Analítica II
3) O conjunto B =
1 0
0 0
,
0 1
0 0
,
0 0
1 0
,
0 0
0 1
é dita base canônica de M2x2.
4) O conjunto B = { 1, x, x², x³, ..., xn } é uma base do espaço vetorial dos polinômios Pn .
5) O conjunto B = { ( 1,2) , ( 2, 4)} não é uma base do R² pois B é LD.
6) O conjunto B = { ( 1,0) , ( 0, 1), ( 3,4) } não é uma base do R² pois B é LD.
7) O conjunto B = { ( 2, -1)} não é uma base do R² pois B é LI mas não gera R².
8) O conjunto B = { ( 1,2, 1) , (-1, -3, 0)} não é uma base do R³ pois B é LI mas não gera
R³.
Teorema:
Se B = { v1, v2, ..., vn } for uma base de um espaço vetorial V, então todo conjunto com mais
de n vetores será linearmente dependente.
Corolário:
Duas bases quaisquer de um espaço vetorial tem o mesmo número de vetores.
Ex.:
1) A base canônica do R³ tem três vetores. Logo, qualquer outra base do R³ também terá
três vetores.
2) A base canônica das matrizes M 3x3 tem nove vetores. Logo, toda base de M 3x3 terá 9
vetores.
8. Dimensão
Seja V um espaço vetorial. Se V possui uma base com n vetores, então V tem dimensão n e
escrevemos dim V = n
Ex.:
1) dim R² = 2
2) dim R³ = 3
3) dim M2x2 = 4
4) dim Mmxn = m x n
5) dim Pn = n+1
6) dim {0} = 0
Obs.:
1) Se dim S = 0, então S = {0} é a origem.
2) Se dim S = 1, então S é uma reta que passa pela origem.
3) Se dim S = 2, então S é um plano que passa pela origem.
4) Se dim V = n, qualquer subconjunto de V com n vetores LI é uma base de V.
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Analítica II
Ex.: B = { (2,1),(-1,3)} é uma base do R² pois dim B = 2 e os vetores são LI.
Exercícios:
1) Explique porque os seguintes conjuntos de vetores não são base dos espaços
indicados:
a) u= ( 1, 2) v = ( 0,3) e w = ( 2, 7 ) em R²
b) u = ( -1, 3, 2) v = ( 6, 1, 1,) em R³
c) p1 = 1 + x + x² p2 = x – 1 em P2
d) A =
3 2
1 1
B =
4- 2
0 6
C =
7 1
0 3
D =
2 4
1 5
E =
9 2
1 7
em M 2x2
2) Quais dos seguintes conjuntos de vetores são base de R²?
a) ( 2,1 ) e ( 3, 0)
b) ( 4,1 ) e ( 1, 3)
c) ( 0,0 ) e ( 1, 3)
d) ( 3,9 ) e (-4, -12)
3) Mostre que o conjunto de vetores dados é uma base de M2x2 :
6- 3
6 3
,
0 1-
1- 0
,
4- 12-
8- 0
,
2 1-
0 1
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Analítica II
Exercícios – Espaços Vetoriais
1) Expresse os seguintes vetores como combinações lineares de u = ( 2 , 1 , 4 ), v =(1, -1,
3) e w = (3, 2, 5):
a) ( -9, -7, -15) b) ( 6, 11, 6 ) c) ( 0, 0, 0)
2) Expresse os seguintes polinômios como combinações lineares de p1 = 2 + x + 4 x² ,
p2 = 1 – x + 3x² e p3 = 3 + 2x + 5x² :
a) –9 – 7x – 15x² b) 0 c) 7 + 8x + 9x²
3) Verifique se são LI ou LD os seguintes conjuntos:
a)
−−
−− 9 12
6 3
,
3 4
2 1
⊂ M 2x2
b) { ( 2, -1), ( 1, 3) } ⊂ R².
c) { ( -1, -1, 0, 3) , ( 2, -1, 0, 0) , ( 1, 0, 0, 0) } ⊂ R4.
d) { 1 + 2x – x², 2 – x + 3x² , 3 – 4x + 7x² } ⊂ P2 .
4) Determine o valor de k para que o conjunto { ( 1, 0, -1), ( 1, 1, 0) , ( k, 1, -1) } seja LI.
5) Suponha que v1 , v2 e v3 são vetores em R³ com pontos iniciais na origem. Em cada caso,
determine se os três vetores estão num mesmo plano, ou seja, se isto ocorrer, eles são LD.
Faça o desenho no plano cartesiano.
a) v1 = ( 2, -2, 0), v2 = ( 6, 1, 4 ) e v3 = ( 2, 0, -4)
b) v1 = ( -6, 7, 2), v2 = ( 3, 2, 4 ) e v3 = ( 4, -1, 2)
6) Para quais valores reais de “k” os vetores v1 = ( k, - ½ , - ½ ) , v2 = ( -½ , k, -½ ) e
v3 = (-½ , -½ , k) formam um conjunto linearmente dependente em R³ ?
Respostas:
1) a) –2u + v – 2w b) 4u – 5v + w c) 0u + 0v + 0w
2) a) –2p1 + p2 – 2p3 b) 0p1 + 0p2 + 0p3 c ) 0p1 - 2 p2 + 3p3
3) a) LD b) LI c) LI d) LD
4) k ≠ 2
5) a) não b) sim
6) k = – ½ e k = 1
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Analítica II
Unidade III - TRANSFORMAÇÕES LINEARES
1. Introdução
Neste momento veremos um tipo especial de função ( ou aplicação), onde o domínio e o
contradomínio são espaços vetoriais reais. Assim, tanto a variável independente como a
variável dependente são vetores, razão pala qual essas funções são chamadas vetoriais.Vamos usar funções vetoriais lineares, que serão denominadas Transformações
Lineares.
“T” é uma transformação do espaço vetorial V no espaço vetorial W , e escrevemos:
T: V → W
Ex.: T: R → R²
T: R² → R³
Sendo T uma função, cada vetor v ∈ V tem um só vetor imagem w ∈ W, que será indicado
por w = T(v) .
Ex.:
Seja T : R² → R³ que associa vetores v =(x, y) ∈ R² com vetores w =( x,y,z ) ∈ R³.
T(x,y) = ( 3x, -2y, x – y )
Se quisermos calcular T ( 2,1), basta usar x = 2 e y = 1 na transformação, assim:
T(2,1) = ( 6, -2, 1)
Ou em outros casos, podemos ver a correspondência entre v e T(v):
(2,1) (6,-2, 1)
(-1,3) (-3,-6,-4)
(0,0) (0,0,0)
v T(v)
Definição:
Sejam V e W espaços vetoriais. Uma aplicação T : V → W é chamada Transformação
Linear de V em W se:
i) T ( u + v ) = T (u) + T (v)
ii) T ( αu) = α T (u)
Obs: uma transformação linear de V em V é chamada Operador Linear sobre V.
47
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Analítica II
Exemplos:
1) Seja T: R² → R³ tal que T ( x, y ) = ( 3x, -2y, x – y ). Verifique se T é transformação
linear.
2) Seja T: R → R tal que T ( x ) = ( 3x ). Verifique se T é transformação linear.
3) Seja T: R → R tal que T ( x ) = ( 3x + 1 ). Verifique se T é transformação linear.
4) Seja T: R³ → R² tal que T ( x, y, z ) = ( 3x + 2, 2y - z ). Verifique se T é transformação
linear.
5) Seja a matriz A =
−
4 0
3 2
2 1
. Essa matriz determina a transformação T: R² → R³ tal que v
→ Av ou T(v) = Av. Verifique se T(v) é linear e encontre a matriz Av da transformação
linear.
48
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Analítica II
Solução:
T( u + v ) = A ( u + v ) = Au + Av = T ( u) + T (v)
T ( α u) = A (αu) = α Au = α T(u)
Logo, T(v) é transformação linear.
Efetuando Av, onde v = ( x, y ) ∈ R² é um vetor coluna de ordem 2x1, resulta:
−
4 0
3 2
2 1
.
y
x
=
+−
+
4y
3y 2x
y 2 x
portanto T é definida por T(x,y) = ( x+2y, -2x+3y, 4y)
Obs.: uma matriz A mxn sempre determina uma transformação linear.
Exercícios:
1) Verifique quais transformações são lineares. Justifique:
a) T : R² → R³, T(x,y) = ( x - y , 2x + y, 0)
b) T : R² → R², T(x,y) = ( x + 2 , y + 3 )
c) T : R² → R , T(x,y) = |x|
d) T : V → V , H(v) = λ v , λ ∈ R, λ fixo.
Propriedade:
Se T: V → W for uma transformação linear e se v = a1 v1 + a2 v2 então temos:
T (a1 v1 + a2 v2 ) = a1 T ( v1 ) + a2 T ( v2 )
Exemplos:
1) Seja T: R³ → R² uma transformação linear e B = { v1 , v2 , v3 ) uma base do R³, sendo v1
= ( 0, 1, 0), v2 = ( 1, 0, 1) e v3 = ( 1, 1, 0) . Determine T ( 5, 3, -2) sabendo que T( v1 )
= ( 1, -2), T( v2 ) = ( 3, 1 ) e T(v3 ) = ( 0, 2) .
Solução :
Expressamos v = ( 5, 3, -2) como combinação linear de v1 , v2 , v3 .
Logo:
49
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Analítica II
v = a1 v1 + a2 v2 + a3 v3
(5, 3, -2) = a1 (0, 1, 0) + a2 ( 1, 0, 1) + a3 ( 1, 1, 0)
Encontramos então :
a1 =
a2 =
a3 =
Agora, usamos a propriedade da T.L.
T(5, 3, -2) = a1 T(0, 1, 0) + a2 T( 1, 0, 1) + a3 T( 1, 1, 0)
Assim, conseguimos, mesmo sem sabermos a lei da T.L., encontrar T(5, 3, -2).
2) Considere T: R³ → R³ uma transformação linear definida por T( x, y, z) = ( x+2y+2z , x
+ 2y – z , -x + y + 4z) . Determine:
a) u ∈ R³ tal que T (u) = ( -1, 8, -11)
b) v ∈ R³ tal que T(v) = v
3) Sabendo que T: R² → R³ é uma transformação linear e que T( 1, -1) = ( 3, 2, -2) e T
(-1,2) = (1, -1, 3), determine T( x , y ) .
50
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Analítica II
4) Sabendo que T: R² → R² é uma transformação linear e que T ( 1, 0) = ( 3, -2) e T(0,
1) = (1, 4), determine T( x , y ) .
Exercícios:
1) Consideremos a transformação linear T : R² → R² definida por T(x,y) = (3x-2y, x + 4y).
Utilize os vetores u = ( 1,2) e v = (3,-1) para mostrar que T (3u+4v) = 3T(u) + 4 T(v).
2) Dada a transformação linear T : V → W, tal que T(u) = 3u e T(v) = u – v , calcule em
função de u e v :
a) T ( u + v ) =
b) T ( 3v) =
c) T ( 4u – 5v) =
3) Dentre as transformações T : R²→ R² definidas pelas seguintes leis, verifique quais são
lineares:
a) T(x,y) = ( x-3y, 2x+5y)
b) T(x,y) = ( x², y² )
c) T(x,y) = ( x+1, y)
d) T(x,y) = ( y, x)
e) T(x,y) = ( xy, x-y)
4) Dentre as seguintes transformações , verifique quais são lineares:
a) T: R² → R³ ; T(x,y) = ( x – y , 3x – 2y)
b) T: R² → R² ; T(x,y) = ( | x | , y)
c) T: R² → M2x2 ; T(x,y) =
+− 2yy x
3x2y
5) a) Determine a transformação linear T: R² → R³ tal que T(-1,1) = ( 3, 2, 1 ) e
T(0,1) = ( 1,1,0).
b) Encontre v ∈ R² tal que T(v) = ( -2, 1, -3).
51
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Analítica II
6) a) Determine a transformação linear T : R³ → R² tal que T(1, -1, 0) = ( 1,1 ),
T( 0, 1, 1) = ( 2,2) e T(0,0,1) = (3,3) .
b) Ache T(1,0,0) e T( 0,1,0).
7) Seja T um transformador linear no R³ tal que T(1,0,0) = ( 0,2,0) , T( 0,1,0) = ( 0,
0,-2) e T(0,0,1) = ( -1, 0,3). Determine T( x, y, z) e o vetor v ∈ R³ tal que T(v) = ( 5, 4,
-9).
Respostas:
2) a) 4u – v
b) 3u – 3v
c) 7u + 5v
3) São lineares a, d
4) São lineares: a, c
5) a) T(x,y) = (-2x+y, -x + y, -x) b) v = (3,4)
6) a) T(x,y,z) = ( -y+3z, -y+3z)
b) T(1,0,0) = ( 0,0) e T(0,1,0) = ( -1,-1)
7) T(x,y,z) = (-z, 2x, -2y + 3z) v = ( 2, -3, -5)
2. Núcleo e Imagem de uma Transformação Linear:
Núcleo:
Chama-se núcleo de um Transformação Linear T : V → W ao conjunto de todos os vetores v
∈ V que são transformados em 0 ∈ W. Indica-se por N(T) ou Ker (T).
Imagem:
Chama-se imagem de uma transformação linear T : V → W ao conjunto de todos os vetores
w ∈ W que são imagens de pelo menos um vetor v ∈ V. Indica-se esse conjunto por Im(T)
ou T(v).
3. Transformações Lineares : Funções de Rn em R
Lembre que uma função é uma regra f que associa a cada elemento de um conjunto
A um, e exatamente um, elemento de um conjunto B. Se f associa o elemento b ao elemento
a então escrevemos b = f(a) e dizemos que b é a imagem de a por f ou que f(a) é o valor de f
em a . O conjunto A é chamado domínio de f e o conjunto B é chamado o contradomínio de
f. A imagem de f é o subconjunto de B consistindo de todos os possíveis valores de f à
medida que a percorre A . Para funções mais elementares, A e B são conjuntos de
números reaise então dizemos que f é uma função real de uma variável real. Outras
funções comuns ocorrem quando B é um conjunto de números reais e A é um conjunto de
vetores em R² ou R³ ou, mais geralmente, em Rn . Alguns exemplos são dados na tabela
abaixo:
52
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Analítica II
Fórmula Exemplo Classificação Descrição
f(x) f(x) = x² Função real de uma
variável real
Função de R em R
f( x, y ) f( x, y ) = x² + y² Função real de
duas variáveis reais
Função de R² em R
f( x, y, z ) f(x,y,z) = x² + y² + z² Função real de três
variáveis reais
Função de R³ em R
No caso especial em que as equações são lineares, a transformação é dita linear. Assim
uma transformação linear T : Rn → Rm é definida por equações da forma:
w1 = a11 x1 + a12 x2 + a13 x3 + ... + a1n xn
w2 = a21 x1 + a22 x2 + a23 x3 + ... + a2n xn
w3 = a31 x1 + a32 x2 + a33 x3 + ... + a3n xn
.
.
.
wm = am1 x1 + am2 x2 + am3 x3 + ... + amn xn
ou então em notação matricial:
=
n
3
2
1
mnm3m2m1
3n333231
2n232221
1n131211
n
3
2
1
x
.
.
.
x
x
x
.
a ... a a a
.
.
.
a ... a a a
a ... a a a
a ... a a a
w
.
.
.
w
w
w
ou bem mais simples: w = A x ou [ T ] = A x
Obs.: A matriz A = [ aij ] é chamada matriz canônica da transformação linear T e a
transformação T é chamada multiplicação por A .
Exemplos:
1) Uma transformação do R² em R³:
- as equações w1 = x1 + x2
w2 = 3x1 + 2x2
w3 = - x1 + x2
definem uma transformação T: R² → R³. A imagem do ponto ( x1 , x2 ) por esta
transformação é o ponto T ( x1 , x2 ) = (x1 + x2 , 3x1 + 2x2 , - x1 + x2 ) .
Assim, por exemplo,. T ( 1,-2) =
53
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Analítica II
E a matriz canônica desta transformação é : A =
2) Uma transformação linear do R4 em R³ definida pelas equações
w1 = 2x1 - 3x2 + x3 – 5x4
w2 = 4x1 + x2 - 2x3 + x4
w3 = 5x1 - x2 + 4 x3
pode ser escrita na forma matricial como
=
4
3
2
1
3
2
1
x
x
x
x
.
0 4 1- 5
1 2- 1 4
5- 1 3- 2
w
w
w
de modo que a matriz canônica de T é:
0 4 1- 5
1 2- 1 4
5- 1 3- 2
A
=
A imagem do ponto ( x1 , x2 , x3 , x4 ) pode ser calculada diretamente das equações
definidoras ou da matriz por multiplicação matricial.
Por exemplo:
se o ponto for (1, -3, 0, 2) , e substituirmos nas equações inicias, teremos
w1 = 1, w2 = 3 e w3 = 8
Ou então, de forma alternativa, usando a forma matricial teremos:
=
=
8
3
1
2
0
3-
1
.
0 4 1- 5
1 2- 1 4
5- 1 3- 2
w
w
w
3
2
1
Exercícios:
1) Encontre a matriz canônica da transformação linear T: R³ → R³ dada por
w1 = 3x1 + 5x2 – x3
w2 = 4x1 - x2 + x3
w3 = 3x1 – x3 + 2x2
e em seguida calcule T(-1, 2, 4) por substituição direta nas equações e também por
multiplicação matricial.
2) Encontre a matriz canônica do operador linear T definido pela fórmula:
a) T ( x, y ) = ( 2x – y, x + y)
54
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Analítica II
b) T ( x, y) = ( x, y)
c) T ( x, y, z) = ( x + 2y + z, x + 5y, z)
d) T ( x, y, z) = ( 4x, 7y, -8z)
e) T(x,y) = ( y, –x, x + 3y, x – y)
f) T ( x, y, z, t) = ( 7x + 2y – z + t, y + z, -x)
3) Em cada parte é dada a matriz canônica [ T ] de uma transformação linear T. Use a
matriz para obter T (x). Expresse as respostas em forma matricial.
a) [ T ] =
4 3
2 1
; x =
2-
3
b) [ T ] =
5 1 3
0 2 1-
; x =
3
1
1-
c) [ T ] =
1- 0 6
7 5 3
4 1 2-
; x =
3
2
1
x
x
x
d) [ T ] =
8 7
4 2
1 1 -
; x =
2
1
x
x
Respostas:
1)
1- 2 3
1 1- 4
1- 5 3
; T(-1, 2, 4) = ( 3, -2, -3)
2) a)
1 1
1- 2
b)
1 0
0 1
c)
1 0 0
0 5 1
1 2 1
d)
8- 0 0
0 7 0
0 0 4
e)
1- 1
3 1
0 1-
1 0
f)
0 0 0 1-
0 1 1 0
1 1- 2 7
3) a)
1
1-
b)
13
3
c)
++
++
31
321
321
x- 6x
x7 x5 3x
x4 x 2x-
d)
+
+
+
21
21
21
8x 7x
x4 2x
x x-
55
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Analítica II
4. A geometria das Transformações Lineares:
Dependendo de como encaramos uma n-upla , se como um ponto ou um vetor, o efeito
geométrico de um operador T : Rn → Rn é o de transformar cada ponto ( ou vetor) de Rn
em algum novo ponto ( ou vetor).
T(x)
T(x)
x
x
T leva pontos em pontos T leva vetores em vetores
O operador identidade:
Se I é a matriz identidade n x n, então, para cada vetor x em Rn temos
TI (x) = I x = x
de modo que a multiplicação por I leva cada vetor em Rn em si mesmo. Nós chamamos esta
transformação em operador identidade de Rn .
Entre os operadores lineares mais importantes de R² e R³ estão os que produzem reflexões,
projeções e rotações. Vejamos estes operadores:
a) REFLEXÕES:
Considere o operador T: R² → R² que aplicada cada vetor na sua imagem simétrica em
relação ao eixo y .
y
( -x, y) (x, y)
x
-x x
Se escrevermos w = T(x), então as equações relacionando os componentes de x e de w são
:
56
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Analítica II
w
1 = -x = -x + 0y
w 2 = y = 0x + y
Ou em formato matricial:
=
−
=
y
x-
y
x
.
1 0
0 1
w
w
2
1
Como as equações são lineares, T é um operador linear e a matriz canônica de T é
[ T ] =
−
1 0
0 1
Em geral, os operadores em R² e R³ que levam cada vetor em seu simétrico em relação a
alguma reta ou plano são chamados de reflexões. Estes operadores são lineares.
As Tabelas 1 e 2 a seguir listam algumas das reflexões mais comuns.
Tabela 1 :
Obs.: 1) a reflexão em torno da reta y = -x possui matriz canônica dada por
−
−
0 1
1 0
.
2) a reflexão em relação a origem possui matriz canônica dada por
−
−
1 0
0 1
.
57
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Analítica II
Tabela 2:
b) PROJEÇÕES:
Considere o operador T: R² → R² que leva cada vetor na sua projeção ortogonal sobre o
eixo x . As equações relacionando os componentes de x e de w = T(x) são :
w
1 = x = x + 0y
w 2 = 0 = 0x + 0y
Ou em formato matricial:
=
=
0
x
y
x
.
0 0
0 1
w
w
2
1
Como as equações são lineares, T é um operador linear e a matriz canônica de T é
58
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Analítica II
[ T ] =
0 0
0 1
y
(x,y)
x
T(x) = w
x
(x,0)
Em geral, uma projeção ( ou mais precisamente, uma projeção ortogonal) de R² ou R³ é
qualquer operador que leva cada vetor em sua projeção ortogonal sobre alguma reta ou
algum plano pela origem. Pode ser mostrado que tais operadores são lineares. As Tabelas
3 e 4 listam algumas das mais básicas projeções em R² e R³ .
Tabela 3:
59
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Analítica II
Tabela 4:
c) ROTAÇÕES :
Um operador que gira cada vetor em R² por um ângulo fixado θ é chamado uma rotação em R²
. A Tabela 5 dá as fórmulas para as rotações de R². Para mostrar como derivamos estes
resultados, considere o operador que gira cada vetor no sentido anti-horário por um ângulo
positivo θ fixado. Para encontrar as equações relacionando x com w = T(x), seja α o ângulo
entre x e o eixo x positivo e seja r o comprimento comum de x e de w .
y
w = ( w1 , w2 )
r
x = (x,y)
r
θ
α x
60
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Analítica II
Por Trigonometria básica,
x = r cos α y = r sen α
e
w1 = r cos ( θ + α ) w2 = r sen (θ + α)
Aplicando identidades trigonométricas, resulta:
w1 = r cos θ . cos α - r sen θ . sen α
w2 = r sen θ . cos α + r cos θ. sen α
e substituindo resulta:
w1 = x cos θ - y sen θ
w2 = x sen θ + y cos θ
As equações acima são lineares, de modo que T é um operador linear. Além disso, segue
destas equações que a matriz canônica de T é :
[ T ] =
−
θ cos θsen
θsen θ cos
Tabela 5:
Se cada vetor em R² é rodado por um ângulo de 6
pi
( = 30º ), então a imagem w de um
vetor x =
y
x
é T(x) = w =
−
y
x
.
6 cos 6sen
6sen 6 cos
pipi
pipi
=
y
x
.
2
3
2
1
2
1
- 2
3
=
+ y
2
3
x
2
1
y
2
1
-x
2
3
Por exemplo, a imagem do vetor x =
1
1
é w =
+
−
2
31
2
13
.
61
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Analítica II
Em geral descrevemos uma rotação de vetores em R³ em relação a um raio partindo da
origem, chamado o eixo de rotação. À medida que um vetor gira em torno do eixo de
rotação, ele varre uma porção de um cone ( ver tabela 6 abaixo). O ângulo de rotação, que é
medido na base do cone, é descrito como sendo no sentido “horário” ou “anti-horário” em
relação ao ponto de vista ao longo do eixo de rotação olhando para a origem. Por exemplo,
na tabela 6 abaixo, o vetor w resulta da rotação no sentido anti-horário do vetor x em torno
do eixo l por um ângulo de θ. Assim como no R², os ângulos são positivos se gerados por
rotações no sentido anti-horário e negativos se gerados por rotações no sentido horário. O
sentido anti-horário para a rotação em torno do eixo pode então ser determinado pela “regra
da mão direita” : se o polegar da mão direita aponta na direção e sentido do vetor u então
os dedos da mão fechada apontam no sentido anti-horário.
Tabela 6
Uma rotação em R³ é um operador linear que gira cada vetor em R³ em torno de algum
eixo de rotação por um ângulo fixado θ. Nas tabelas 7 e 8 descrevemos rotações em R³
cujos eixos de rotação são os eixos coordenados positivos. Para cada uma das rotações, um
dos componentes permanece inalterado durante a rotação e a relação entre os dois outros
componentes pode ser deduzida da mesma maneira que deduzimos as rotações para R².
Tabela 7:
62
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Analítica II
Tabela 8:
d) DILATAÇÕES E CONTRAÇÕES:
Se k é um escalar não negativo, então o operador T(x) = kx de R² ou de R³ é chamado uma
homotetia de razão k ; especificamente, o operador é uma contração de razão k se 0 ≤ k ≤
1 e uma dilatação de razão k se k ≥ 1. O efeito geométrico de uma contração é comprimir
cada vetor por um fator k e o efeito geométrico de uma dilatação é esticar cada vetor por um
fator k .
Uma contração comprime R² ou R³ uniformemente de todas as direções na direção da
origem e uma dilatação expande R² ou R³ uniformemente em todas as direções para longe
da origem.
x T(x) = kx
T(x) = k x
x
0 ≤ k < 1 k > 1
As tabelas 9 e 10 listam as contrações e dilatações em R² e R³ .
63
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Analítica II
Tabela 9:
Além destas, se quisermos dilatar ou contrair um vetor somente numa direção, usamos as
matrizes canônicas: na direção x:
1 0
0k
e na direção y :
k 0
0 1
Tabela 10:
64
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Analítica II
e) CISALHAMENTO:
O efeito do cisalhamento é transformar o retângulo ( formado pelo vetor x) em um
paralelogramo de mesma base e mesma altura.
Veja:
a) Na direção do eixo dos x: ( cisalhamentohorizontal)
T(x,y) = ( x + α y, y ) ou
=
+
y
x
.
1 0
α 1
y
αy x
B P B P’
O A O A
b) Na direção do eixo dos y: ( cisalhamento vertical)
T(x,y) = ( x , αx + y ) ou
=
+ y
x
.
1 α
0 1
y αx
x
P’
B P B
O A O A
Ex.: A matriz
1 2
0 1
representa um cisalhamento vertical de fator 2.
Verifique esta afirmação, para o vetor ( 1,2 ), ou seja, calcule T(1,2) utilizando cisalhamento
vertical de fator 2.
65
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Analítica II
Exercícios:
1) Use multiplicação matricial para encontrar a reflexão de ( -1,2) em torno:
a) do eixo x b) do eixo y c) da reta y = x
2) Use multiplicação matricial para encontrar a reflexão de ( 2, -5, 3 ) em torno:
a) do plano xy b) do plano xz c) do plano yz
3) Use multiplicação matricial para encontrar a projeção ortogonal de ( 2, -5 ) sobre o:
a) eixo x b) eixo y
4) Use multiplicação matricial para encontrar a projeção ortogonal de ( -2, 1, 3 ) sobre o:
a) plano xy b) plano xz c) plano yz
5) Use multiplicação matricial para encontrar a imagem do vetor ( 3, -4 ) quando for girado
por um ângulo de:
a) θ = 30º b) θ = -60º c) θ = 45º d) θ = 90º
6) Use multiplicação matricial para encontrar a imagem do vetor ( -2, 1, 2 ) quando for
girado por um ângulo de:
a) 30º em torno do eixo x;
b) 45º em torno do eixo y;
c) 90º em torno do eixo z;
7) Encontre a matriz canônica para a composição dada de operadores lineares de R²:
a) uma rotação 90º seguida de uma reflexão em torno da reta y = x
b) uma reflexão em torno do eixo x seguida de uma dilação de razão k = 3.
Respostas:
1) a) ( -1, -2) b) (1, 2 ) c) ( 2, -1)
2) a) ( 2, -5, -3) b) ( 2, 5, 3) c) ( -2, -5, 3)
3) a) (2, 0) b) ( 0, -5)
4) ( -2, 1, 0) b) ( -2, 0, 3) c) ( 0, 1, 3 )
5) a)
−+
2
343
,
2
433
b)
−−−
2
433
,
2
343
c)
−
2
2
,
2
27
d) ( 4, 3)
6) a)
+−
−
2
321
,
2
23
,2 b) ( 0, 1, 2 2 ) c) ( -1, -2, 3)
7) a)
1- 0
0 1
b)
3- 0
0 3
66
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Analítica II
5. Operações com transformações lineares:
1) Adição:
T1 (x) + T2 (x ) = ( T1 + T2 )(x )
2) Subtração:
T1 (x) - T2 (x ) = ( T1 - T2 )(x )
3) Multiplicação por escalar:
α T(x) = T(αx)
Exercícios:
Sejam T1 : R² → R³ e T2 : R² → R³ transformações lineares definidas por T1 (x,y) = ( x +
2y, 2x – y, x ) e T2 (x, y) = (-x, y, x+ y ) . Determine:
a) T1 + T2 =
b) 3T1 - T2 =
c) a matriz canônica de 3T1 - T2 e mostrar que [3T1 - T2 ] = 3 [T1 ] – [T2 ]
4) Composição:
Sejam T1 : V → W e T2 : W → U transformações lineares. Chama-se aplicação composta
de T1 com T2 e se representa por T2 o T1 à transformação linear :
( T2 o T1 )(v) = T2 ( T1(v))
ou através de multiplicação das matrizes canônicas das transformações:
( T2 o T1 )(v) = [ T2 ] . [ T1 ]
Exemplo:
Sejam S e T transformações lineares no R² → R² definidos por S (x,y) = ( 2x, y) e T(x,y) = (
x, x-y). Determine, através de composição por substituição e multiplicação de matrizes
canônicas:
a) S o T =
b) T o S =
c) S o S =
d) T o T =
Exercícios:
1) Sejam as transformações lineares T1 : R² → R³ , T1( x , y ) = ( x - y, 2x + y, - 2x ) e
T2 : R² → R³ , T2( x , y ) = ( 2x - y, x - 3y, y ) . Determine as seguintes transformações
lineares de R² em R³:
a) T1 – T2
b) 3T1 – 2T2
67
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Analítica II
2) Sejam S e T transformações lineares ( operadores) de R² definidos por S(x,y)=( x-2y, y) e
T(x,y) = ( 2x, -y). Determine:
a) S + T d) S o T
b) T – S e) T o S
c) 2S + 4T f) S o S
3) Os pontos A(2,-1) e B(-1,4) são vértices consecutivos de um quadrado. Calcule os outros
dois vértices utilizando a matriz-rotação.
4) Em um triângulo ABC, os ângulos B e C medem 75º cada. Sendo A(1,1) e B(-1,5),
determine o vértice C.
5) Determine, em cada caso, a matriz da transformação linear de R² em R² que representa a
seqüência de transformações dadas:
a) reflexão em torno do eixo dos y, seguida de um cisalhamento de fator 5 na direção
horizontal;
b) rotação de 30º no sentido horário, seguida de uma duplicação dos módulos e inversão
dos sentidos;
c) rotação de 60º no sentido anti-horário, seguida de uma reflexão em relação ao eixo dos
y;
d) rotação de um ângulo θ, seguida de uma reflexão na origem;
e) reflexão em torno da reta y = -x, seguida de uma dilatação de fator 2 na direção Ox e,
finalmente, um cisalhamento de fator 3 na direção vertical.
6) O vetor v = ( 3, 2) experimenta seqüencialmente:
1 – Uma reflexão em torno da reta y = x;
2 – Um cisalhamento horizontal de fator 2;
3 – Uma contração na direção Oy de fator 1/3 ;
4 – Uma rotação de 90º no sentido anti-horário.
Calcule o vetor resultante dessa seqüência de operações e determine a matriz canônica da
composta das operações.
Respostas:
1) a) ( -x, x + 4y, -2x – y) b) ( -x –y, 4x + 9y, -6x – 2y)
2) a) ( 3x – 2y, 0) b) ( x + 2y, -2y) c) ( 10x – 4y, -2y)
d) ( 2x + 2y, -y) e) ( 2x – 4y, -y) f) ( x – 4y, y)
3) Duas soluções: ( 4, 7) e (7,2) ou ( -6,1) e (-3,-4)
4) C( -1 - 3 , 2 3 ) ou C ( 3 - 3 , 2 + 2 3 )
5) a)
−
1 0
5 1
b)
−
−
3 1
1- 3
c)
−
1/2 /23
/23 2/1
d)
−−
−
θ cos θsen
θsen θ cos
e)
− 6- 1
2- 0
6) ( -1, 8) e [T] =
−
1 2
0 3/1
68
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Analítica II
Unidade IV - OPERADORES LINEARES:
Já comentamos que as Transformações Lineares de um espaço vetorial V em si mesmo, isto
é, T: V → V são chamadas OPERADORES LINEARES sobre V.
As propriedades de T. L. são válidas também para operadores lineares. Mas, existem
algumas propriedades específicas para operadores, que veremos agora.
1. Operadores Inversíveis:
Um operador T: V → V associa a cada vetor v ∈ V um vetor T(v) ∈ V. Se por meio de outro
operador S for possível inverter esta correspondência, de tal modo que a cada vetor
transformado T(v) se associa o vetor de partida v, diz-se que S é operador inverso de T, e
se indica por T -1 .
V V
T
v T(v)
T-1
Quando T admite a inversa T -1 , diz-se que T é inversível, invertível , regular ou não-
singular.
Quando sabemos que T é inversível??????
Basta que o determinante da matriz canônica seja diferente de zero.
Ex.:
1)Seja o operador linear em R² definido por T(x,y) = ( 4x-3y, -2x+2y).
a) Mostre que T é inversível.
b) Encontre uma regra para T-1 como a que define T.
2) Verifique se o operador linear T : R³ → R³ definido por T ( 1, 1, 1) = ( 1, 0, 0 ) , T(-2,
1, 0)= (0, -1, 0) e T( -1, -3, -2) = ( 0, 1, -1) é inversível e, em caso positivo, determine
sua inversa.
69
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Analítica II
2. Operadores Ortogonais:
Seja V um espaço vetorial . Um operador linear T: V → V é ortogonal se preserva o módulo
de cada vetor, isto é, ∀ v ∈ V, temos que:
| T(v) | = | v |
Obs:
| v | = vv •
Ex.:
1) Verifique se no R², como o produto interno ( escalar) usual, o operador linear definido por
T(x,y) =
−+ y
5
4
x
5
3y,
5
3
x
5
4
é ortogonal.
2) Seja a rotação do plano de um ângulo θ dado por T(x,y) = ( x cos (θ) – y sen(θ), x
sen( θ) + y cos(θ) ) . Verifique se esta rotação é ortogonal.
3) Dentre as transformações lineares que estudamos, quais são ortogonais?
Justifique sua afirmação.
70
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Analítica II
Exercícios:
1) Verifique quais operadores são inversíveis e determine T-1 :
a) T: R² → R², T(x,y) = ( 3x – 4y, -x + 2y)
b) T: R² → R², T(x,y) = ( x , - y )
c) T: R³ → R³, T(x,y,z) = ( x-y+2z , y – z, 2y – 3z )
2) Verifique se o operador linear T: R³ → R³ definido por T(1,0,0) = ( 2, -1, 0), T ( 0, -1, 0) =(
-1, -1, -1) e T( 0, 3, -1) = ( 0, 1, 1 ) é inversível e, em caso afirmativo, determine T-1.
3) Verifique quais operadores são ortogonais:
a) T: R³ → R³, T(x, y, z) = ( z, x, -y )
b) T: R³ → R³, T(x, y, z ) = ( x, y cos (θ) + z sen(θ), -y sen( θ) + z cos(θ) )
c) T: R³ → R³, T( x, y, z ) = ( x, 0, 0)
Respostas:
1) a) T-1 = ( x + 2y, )
2
3y
2
x
+ b) T-1 = ( x, -y ) c) T-1 = ( x-y+z, 3y-z, 2y-z)
2) T-1 = ( -y+z, -2x-4y+7z, x+2y-3z)
3) a) sim b) sim c) não
71
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Analítica II
Unidade V - AUTOVALORES E AUTOVETORES:
Chamamos de operador linear a toda transformação linear T: V → V.
1. Definição:
Seja T: V → V operador linear. Um escalar λ é chamado autovalor ( ou valor próprio ou
valor característico ) de T se é possível encontrar um vetor v em V, v ≠ 0 tal que :
T(v) = λ v
Os vetores não nulos v para os quais vale que T(v) = λ v são chamados autovetores ( ou
vetores próprios ou vetores característicos) associados ao autovalor λ .
Em termos de matrizes, se A é uma matriz n x n então um vetor não nulo x em Rn é
chamado autovetor de A se Ax é um múltiplo escalar de x , ou seja
Ax = λ x
para algum escalar λ. O escalar λ é chamado um autovalor de A e dizemos que x é um
autovetor associado a λ.
Para encontrarmos os autovalores de uma matriz A de tamanho n x n nós reescrevemos
Ax = λ x como Ax = λ I x ,
onde I é matriz identidade ou equivalentemente,
( λ I – A ) x = 0 (1)
Para λ ser um autovalor, precisa haver uma solução não nula desta equação. No entanto, a
equação (1) tem uma solução não nula se e somente se
det ( λ I – A ) = 0
Esta equação é a equação característica de A; os escalares que satisfazem esta equação
são os autovalores de A . Quando expandido, o determinante det ( λ I – A ) é um polinômio
p em λ que é chamado o polinômio característico de A .
Exemplo: 1) Determine os autovalores de A =
− 1 8
0 3
e algum autovetor associado a cada
autovalor.
Exemplo: 2) Encontre o polinômio característico e os autovalores de A =
− 8 17 4
1 0 0
0 1 0
.
72
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Analítica II
Obs.: Para resolver a equação característica, nós começamos procurando soluções inteiras.
Esta tarefa pode ser enormemente simplificada se lembrarmos o seguinte fato: todas as
soluções inteiras ( se houverem) de uma equação polinomial
λn + c1 λn-1 + ... + cn = 0
com coeficientes inteiros são divisores do termo constante cn . Assim, as únicas possíveis
soluções inteiras da equação acima são os divisores de –4, ou seja, ± 1, ± 2 e ± 4 .
Substituindo sucessivamente cada um destes valores na equação, mostra-se que λ = 4 é
uma solução. Consequentemente, λ - 4 deve ser um fator. Dividindo a equação por λ - 4,
podemos diminuir o grau da equação e portanto resolvê-la.
Exemplo: 3) Encontre os autovalores da matriz triangular superior A=
44
3433
242322
14131211
a 0 0 0
a a 0 0
a a a 0
a a a a
.
Obs.:
O determinante de uma matriz triangular é o produto das entradas na diagonal principal.
Teorema:
Se A é uma matriz n x n triangular ( superior ou inferior ou diagonal), então os autovalores
de A são as entradas na diagonal principal de A .
Exemplo: 4) Determine os autovalores da matriz triangular inferior A =
−
−
−
4
1
8 5
0 3
2 1
0 0 2
1
.
2. Autovalores Complexos:
É possível que a equação característica de uma matriz com entradas reais tenha soluções
complexas.
Por exemplo, o polinômio característico da matriz A =
−−
2 5
1 2
é det ( λI – A) =
det
−
+
2 5-
1 2
λ
λ
= λ² + 1
de modo que a equação característica é λ² + 1 = 0, cujas soluções são os números
imaginários λ = i e λ = -i. Assim, mesmo para matrizes reais, somos forçados a considerar
autovalores complexos.
3. Autovalores e Inversibilidade:
Teorema:
Uma matriz quadrada A é inversível se e somente se λ = 0 não é um autovalor de A .
73
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Analítica II
Exemplo:
Seja A =
− 1 8
0 3
. Verifique se A é inversível , ache A-1 e seus autovalores.
Solução:
Se A =
− 1 8
0 3
, então det ( λI – A) = det
+ 1 8-
0 3-
λ
λ
= 0.
Logo λ = 3 ou λ = -1.
Como λ = 0 não é autovalor de A, então A é inversível.
Encontrando a inversa:
− 1 8
0 3
.
d c
b a
=
1 0
0 1
encontramos a = 1/3, b = 0, c = 3/8 e d= -1.
Logo, A-1 =
1- 8
3
0 3
1
.
Assim, se queremos os autovalores, precisamos: det ( λI – A) = det
+−
−
1 8
3
0 3
1
λ
λ
= 0
encontrando λ = 1/3 ou λ = -1.
Obs: veja que os autovalores de A-1 são o inverso dos autovalores de A .
Exercícios:
1) Encontre as equações características das seguintes matrizes e seus autovalores:
a)
− 5 4
0 2
b)
− 2 4
9- 10
c)
0 4
3 0
d)
0 0
0 0
2) Encontre as equações características das seguintes matrizes e seus autovalores:
a)
1 0 2-
0 1 2-
1 0 4
b)
2- 1 1
0 1- 5
1
5- 0 3
c)
4- 5 19
0 2- 6-
1 0 2-
74
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Analítica II
d)
5 0 0 0
0 2 0 0
8 0 2 0
1- 0 1 2
3) Dado o operador linear T(x,y,z) = ( 2x+y, y – z, 2y + 4z), determine sua representação
matricial e então, encontre o polinômio característico e seus autovalores.
4) Sendo T(v) = ( 4x + z, -2x + y, -2x + z ), determine a matriz A da transformação. Encontre
seus autovalores. Determine se possível, T-1 (v) e mostre que seus autovalores são o
inverso dos autovalores de T(v).
Respostas:
1) a) λ = 5 e λ = -2
b) λ = 4
c) λ = 32±
d) λ = 0
2) a) λ = 1, λ = 2 e λ = 3
b) λ =0 ou λ = 2±
c) λ = i± e λ = -8
d) λ = 2 e λ = 5
3) λ = 2 e λ = 3
4) λ = 1, λ = 2 e λ = 3
75
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Analítica II
Unidade VI - MÉTODO DE MÍNIMOS QUADRADOS
1. Introdução
É usado para resolver sistemas ditos inconsistentes, do tipo
=+
=+
=+
23
13
02
yx
yx
yx
, onde não existe
uma solução exata que valha para as três equações.
É utilizado em aplicações físicas, principalmente em experimentos.
y
••
••••
• • .
• •••
• x
Preciso encontrar uma reta ou função que melhor aproxime estes pontos, ou seja, quero
minimizar a distância entre os pontos e a reta ou função, daí minimizar o erro.
Usaremos a seguinte notação:
A . xr = b
ou
A . xr - b = 0 como a matriz A não é quadrada, vamos multiplicá-la pela sua transposta, ou
seja,
At. ( A . xr - b) = At . 0
At.Ax - At. b = 0
At.Ax = At. b ditto sistema normal.
As equações que compõem este sistema são chamadas equações normais associadas a
A . xr = b.
Assim o problema se reduziu ao fato de encontrar as soluções do sistema dito normal.
Obs:
O sistema dito normal envolve n equações em n variáveis.
O sistema normal é consistente, pois é satisfeito por uma solução de mínimos quadrados de
A . xr = b.
2. Teorema:
Para qualquer sistema linear A . xr = b, o sistema normal associado At.A.x = At. b é
consistente e todas as soluções do sistema normal são soluções de mínimos quadrados de
A . xr = b.
Exemplo:
Encontre um sistema normal associado a A . xr = b, no caso:
76
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Analítica II
=+−
=+
=−
342
123
4
21
21
21
xx
xx
xx
A =
−
−
42
23
11
x
r
=
2
1
x
x
b=
3
1
4
At.A =
−
−
421
231
.
−
−
42
23
11
=
−
−
213
314
At. b =
−
−
421
231
.
3
1
4
=
10
1
Logo, At.A xr = At. b
−
−
213
314
.
2
1
x
x
=
10
1
que é um sistema normal e consistente.
3. Aplicações
Ajustando uma curva a dados:
Um problema comum no trabalho experimental é obter uma relação matemática y= f(x) entre
duas variáveis x e y através do ajuste de uma curva aos pontos no plano que correspondem
aos valores de x e y determinados experimentalmente.
y = ax + b
y = ax2 + bx + c
y = ax3 + bx2+ cx + d
Como os pontos são obtidos experimentalmente, geralmente temos algum “erro” de medição
dos dados, tornando-se impossível. Encontrar a curva da forma desejada que passe por
todos os pontos.
Assim, a idéia é escolher a curva que melhor se adapte aos dados.
Vejamos alguns exemplos:
1) Encontre o ajuste linear de mínimos quadrados aos quatro pontos (0,1), (1,3), (2,4) e
(3,4).
Solução:
Gráfico
77
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Analítica II
Substituir os pontos na equação da reta
y = ax + b
1 = a.0 + b
3 = a.1 + b
4 = a.2 + b
4 = a.3 + b
A=
13
12
11
10
b
a
=
4
4
3
1
Fazendo At.A e At. b
At.A =
1111
3210
.
13
12
11
10
=
46
614
At. b =
1111
3210
.
4
4
3
1
=
12
23
At.A xr = At. b
46
614
.
b
a
=
12
23
−=+
=+
)6(1246
)4(.23614
ba
ba
−=−−
=+
722436
922456
ba
ba
20a = 20 a = 1 e b = 1, A reta
desejada é y = x + 1,5.
Representar no gráfico.
Exercícios
1) Encontre a reta de ajuste linear de mínimos quadrados dos três pontos (0,0), (1,2) e
(2,7).
2) Encontre a reta de ajuste linear de mínimos quadrados dos quatro pontos (0,0), (2,0),
(3,1), (3,2).
3) Encontre o polinômio quadrático de melhor ajuste dos quatro pontos (2,0), (3,-
10),(5,-48) e (6,-76).
4) Encontre o polinômio cúbico de melhor ajuste dos cinco pontos (-1,-14), (0,-5), (1,-
4), (2,1) e (3,22).
5) O dono de um negócio em rápida expansão descobre que nos cinco primeiros meses
do ano as vendas em milhares de reais foram 4,0; 4,4; 5,2; 6,4 e 8,0. Encontre o
78
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Analítica II
polinômio quadrático de melhor ajuste de mínimos quadrados para a curva de vendas
e use-o para projetar as vendas no décimo segundo mês do ano.
Aplicação - Física Experimental I
Semi-Log Um dos métodos para determinar a capacidade de um capacitor é carrega-lo
com uma carga, em seguida descarrega-lo sobre um resistor conhecido, medindo
respectivamente a corrente e o tempo gasto desde o início do descarregamento.
i = i0 . e CR
t
.
−
Foram feitas as seguintes medidas da corrente em função do tempo,
Lineariz
e a
equação indicando as variáveis dependente e independente, bem como os parâmetros linear
e angular.
Trace em papel semi-log o gráfico da função linearizada.
Qual a corrente inicial? Qual o valor do capacitor, sabendo que o resistor é de 2.000,0Ω?
Log-log O levantamento de dados de corrente e tensão em um varistor forneceu os
seguintes dados experimentais:
V (V) 12,000 27,50 63,00 108,5 232
I (x10-3A) 0,2000 1,000 5,00 14,070,2
A equação que rege o fenômeno é:
V = C . Iβ
Construa o gráfico V x I em papel log-log e determine C e β bem como suas unidades.
OBSERVAÇÃO: É comum em aparelhos de medida elétricos, voltímetros e amperímetros
possuírem precisões diferentes, dependendo da ordem de grandeza da medida.
T(s) 4,000 8,000 12,000 16,000 20,000 24,000
i(mA) 0,3683 0,1358 0,0498 0,0185 0,0068 0,0024