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® v ® u PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL Faculdade de Matemática – Departamento de Matemática Cálculo Diferencial e Integral I PAGE 2 Vetores Existem algumas grandezas que ficam completamente determinadas por apenas um número real, tais como comprimento, área, volume, temperatura. Essas grandezas são chamadas escalares. Outras, no entanto, não ficarão bem determinadas se além da magnitude não são apresentados uma direção e um sentido. Essas grandezas são chamadas vetoriais e sua representação, de vetores. Temos como exemplo a velocidade, a aceleração, a força. Geometricamente, podemos representar os vetores por segmentos de reta orientados (ou flechas). A direção e o sentido da flecha especificam a direção e o sentido do vetor e o comprimento da flecha determine a sua magnitude. q B – ponto final do vetor A – ponto inicial do vetor Se chamarmos o vetor de temos que ® ® = AB v . Suponha que se está planejando um vôo de Porto Alegre ao Rio de Janeiro. O tempo que leva o vôo é uma grandeza escalar pois basta um número real para determina-la. Já o deslocamento é uma grandeza vetorial pois precisa-se saber a distância a ser percorrida ( de modo que se tenha combustível suficiente ) e em que direção ir ( para não se errar o destino ). Essas duas quantidades especificam o deslocamento ou vetor de deslocamento entre as duas cidades. Podemos ter, entre vários pares de cidades, vetores deslocamento que têm o mesmo comprimento e a mesma direção. Dizemos que os vetores de deslocamento entre as cidades são os mesmos, embora não coincidam. Cidade B Cidade D Cidade F ® w ® v ® - v 2 Cidade A Cidade C Cidade E Os segmentos orientados de mesmo comprimento, mesma direção e mesmo sentido são ditos segmentos eqüipolentes e representam um mesmo vetor. Assim sendo, o vetor determinado por um segmento orientado AB é o conjunto de todos os segmentos orientados de mesma direção, mesmo sentido e mesmo comprimento de AB e costuma ser representado por uma das seguintes formas: , ® v v , ® AB ou A B - . Módulo de um Vetor O módulo de um vetor ® v será representado por ® v ou ® v . Vetor Nulo Se os pontos inicial e final de um vetor coincidem, então o vetor tem comprimento zero e é chamado de vetor nulo ou vetor zero e denotado por ® 0 . Vetor Unitário Se 1 = ® v então ® v é chamado vetor unitário. Vetores Opostos ® - v , chamado de oposto de ® v é um vetor que tem mesmo módulo e mesma direção de ® v mas sentido contrário. ® v 3 ® v ® v ® - v Versor de um Vetor O versor de um vetor ® v não nulo é o vetor unitário de mesma direção e sentido de ® v . Exemplo:® v ® ® ® ® - ¹ - v w w v ® v ® v de versor Vetores paralelos Dois vetores ® v e ® w são paralelos, e indica-se ® v // ® w , se tiverem a mesma direção. ® ® ® ® + = + v w w v ® v ® - u ® w Observação Se dois vetores são paralelos então possuem representantes numa mesma reta e são ditos colineares. Vetores ortogonais Dois vetores ® v e ® w são ortogonais, e indica-se ® v EMBED Equation.3 ^ EMBED Equation.3 ® w , se algum representante de ® v formar um ângulo reto com algum representante de ® w . ® u ® v ® w ® v ® w Vetores Coplanares Vetores coplanares são vetores que possuem representantes num mesmo plano. ® v Exemplo: ® w ® u ® - u ® u ® - u ® v ® u ® - u ® v ® w ) , ( y x P ® v Observação Dois vetores são sempre coplanares. Três ou mais vetores podem ou não ser coplanares. 1. Operações com Vetores 1.1 Adição de Vetores ® v + ® w é o vetor soma de ® v e ® w . Se ® v e ® w são vetores paralelos então a representação geométrica do vetor soma será feita conforme mostram as figuras abaixo: · B A · 0 3 2 y 2 x · 1 y 3 - 2 1 - 1 - 1 x B A · · · y x y x · Se ® v e ® w não são vetores paralelos então o vetor soma poderá ser representado geometricamente de duas formas diferentes: usando a regra do paralelogramo ou usando a regra do polígono. ® v ® v ® u q Regra do Paralelogramo Regra do Polígono ® u ® v q ® u ® v · ® 1 v ® 1 1 v a ® 2 v ® v ® 2 2 v a ( ) 1 , 0 ) 0 , 1 ( ) , ( y x P ® v ® j y ® j ® i ® i x ) 3 , 2 ( P y x 1.2 Subtração de Vetores ® ® - w v é o vetor diferença entre ® v e ® w e ® ® - w v = ) ( ® ® - + w v . 3 2 ® v 1.3 Multiplicação de um escalar por um vetor Se * IR Î a ( a é um escalar ) e ® v não é o vetor nulo então ® v a é um vetor com: · a mesma direção de ® v ; · sentido igual ao de ® v se 0 > a e sentido contrário ao de ® v se 0 < a . · ® ® = v v a a y Exemplo: Observações: · Se 0 = a ou ® ® = 0 v então ® v a ® = 0 · · Se os vetores ® v e ® w , não nulos, são tais que ® v // ® w então ® ® = w v 1 a ou ® ® = v w 2 a . Exemplo: 5 = ® v e 3 = ® w ; ® ® = w v 3 5 ou ® ® = v w 5 3 · O versor de ® v EMBED Equation.3 ® ¹ 0 é o vetor unitário ® ® v v 1 ou EMBED Equation.3 ® ® v v . 2. Ângulo de dois vetores O ângulo entre os vetores não nulos ® u e ® v é o ângulo q formado por representantes desses vetores que possuem mesma origem, sendo que 0 0 180 0 £ £ q . 0 0 90 0 £ < q 0 90 = q ( ® ® ^ v u ) 0 0 180 90 < < q 0 0 = q 0 0 18 = q 3. Vetores no IR2 3.1 Decomposição de um vetor no plano vetor Sejam ® 1 v e ® 2 v dois vetores não colineares. Qualquer vetor ® v , coplanar com ® 1 v e ® 2 v pode ser decomposto segundo as direções de ® 1 v e ® 2 v . ® v = ® 1 1 v a + ® 2 2 v a Se o vetor ® v estiver representado pela notação acima dizemos que: · ® v é a combinação linear de ® 1 v e ® 2 v ; · o conjunto B = { ® 1 v , ® 2 v } é uma base. · a1 e a2 são componentes ou coordenadas de ® v na base B. 3.2 Base Ortonormal e Base Canônica no IR2 Uma base { ® 1 v , ® 2 v } é dita ortonormal se seus vetores forem ortogonais e unitários, isto é, ® 1 v ^ ® 2 v e 1 2 1 = = ® ® v v . Existe no plano xOy uma base ortonormal particularmente importante. É a base formada por vetores representados por segmentos orientados com origem no ponto ) 0 , 0 ( e extremidades nos pontos ) 0 , 1 ( e ) 1 , 0 ( . Esses vetores são simbolizadospor ® i e ® j e a base { ® i , ® j } é chamada de base canônica ® i ^ ® j e 1 = = ® ® j i 3.3 Expressão Analítica de um Vetor Considerando a base canônica { ® i , ® j }, qualquer vetor ® v do plano pode ser decomposto segundo as direções de ® i e de ® j . Só existe um par de números x e y tal que ® ® ® + = j y i x v . O vetor ® v também pode ser representado por ) , ( y x v = ® ou ÷ ÷ ø ö ç ç è æ = ® y x v O par ordenado ) , ( y x é chamado de expressão analítica do vetor ® v . Exemplo: ) 3 , 2 ( 3 2 = + ® ® j i 4. Igualdade de Vetores Dois vetores ) , ( 1 1 y x u = ® e ) , ( 2 2 y x v = ® são iguais se, e somente se, 2 1 x x = e 2 1 y y = . Escreve-se ® ® = v u . 5. Operações com Vetores Sejam ) , ( 1 1 y x u = ® e ) , ( 2 2 y x v = ® vetores no espaço 2-D e a um escalar qualquer. 5.1 Adição ) , ( 2 1 2 1 y y x x v u + + = + ® ® 5.2 Subtração ) , ( 2 1 2 1 y y x x v u - - = - ® ® 5.3 Multiplicação por um escalar ) , ( ) ( 1 1 1 1 y x y x u a a a a = = ® 6. Vetor Definido por Dois Pontos Muitas vezes um vetor é representado por um segmento orientado que não parte da origem do sistema. Vamos considerar um vetor ® AB com origem no ponto ) , ( 1 1 y x A e extremidade no ponto ) , ( 2 2 y x B conforme figura abaixo. De acordo com o que foi visto anteriormente, os vetores ® OA e ® OB têm expressões analíticas: = ® OA EMBED Equation.3 ) , ( 1 1 y x e = ® OB EMBED Equation.3 ) , ( 2 2 y x . Através da figura anterior também podemos concluir que ® ® ® = + OB AB OA donde ® ® ® - = OA OB AB ou ) , ( ) , ( 1 1 2 2 y x y x AB - = ® . Logo, ) , ( 1 2 1 2 y y x x AB - - = ® , o que significa que para encontrarmos as componentes do vetor ® AB basta subtrairmos das coordenadas da extremidade B as coordenadas da origem A . Portanto A B AB - = ® . Exemplo ) 3 , 2 ( A e ) 2 , 1 ( - B A B AB - = ® ) 3 , 2 ( ) 2 , 1 ( - - = ® AB ) 1 , 3 ( - - = ® AB ou ® ® ® - - = j i AB 3 ® ® = v AB O vetor ® v é também chamado de vetor posição ou representante natural de ® AB . 7. Paralelismo de Dois Vetores Se dois vetores ® u e ® v são paralelos, então existe um número a tal que ® ® = v u a . Se ) , ( 1 1 y x u = ® e ) , ( 2 2 y x v = ® então ) , ( 1 1 y x EMBED Equation.3 ) , ( 2 2 y x a = e portanto 2 1 x x a = e 2 1 y y a = de onde se conclui que 2 1 2 1 y y x x = = a . Logo Û ® ® v u // EMBED Equation.3 2 1 2 1 y y x x = Observações: a) o vetor nulo ® 0 = (0, 0) é paralelo a qualquer vetor; b) se uma das componentes do vetor ® v é nula, a componente correspondente de qualquer vetor paralelo a ® v também é nula. 8. Norma (Magnitude, Módulo, Comprimento) de um Vetor A distância entre os pontos inicial e final do segmento orientado que representa um vetor ® v é chamada de módulo de ® v e denotada por ® v ou ® v . Essa distância não muda se o vetor for transladado, logo, para propósitos de cálculo da norma, podemos supor que o vetor está posicionado com seu ponto inicial na origem. Pelo teorema de Pitágoras obtemos que a norma do vetor ) , ( y x v = ® , no espaço 2-D, é dada por: 2 2 y x v + = ® Observação A distância d entre dois pontos A(x1, y1) e B(x2, y2) é o comprimento do vetor ) , ( 1 2 1 2 y y x x AB - - = , logo 2 1 2 2 1 2 ) ( ) ( y y x x AB d - + - = = . 9. Produto Escalar Se u = (x1, y1) e v = (x2, y2) são vetores no espaço 2-D, então o produto escalar de u e v é o número real notado por u .v e definido como u .v = x1 x2 + y1 y2 * Definição Geométrica do Produto Escalar Se u e v são vetores não-nulos no espaço 2-D e ( o ângulo entre eles, então u . v = | u | | v | cos( , com 0 ( ( ( ( (0( ( ( ( 180() 9.1 Ângulo entre Dois Vetores Se u e v são vetores não-nulos no espaço 2-D e ( o ângulo entre eles, então | v | | u | v . u cos ® ® ® ® = q , com 0 ( ( ( ( (0( ( ( ( 180() Observação Da fórmula acima podemos ver que o sinal de u . v é o mesmo que o sinal de cos( e a partir daí, concluir se o ângulo entre os dois vetores é agudo, obtuso ou se os vetores são ortogonais. u . v > 0 u .v < 0 u . v = 0 Exercícios 1) Esboça os vetores com seus pontos iniciais na origem. a) ) 5 , 2 ( b) ® ® - - j i 4 5 c) ) 0 , 2 ( d) ® ® + - j i 3 5 e) ® ® - - j i 2 2) Encontra x e y para que os vetores u = (x – 2, 3) e v = (2x + 1, y + 5) sejam iguais. 3) Dados os vetores u = 2i-3j, v = (1, -1) e w = (- 2, 1), calcula: a) 2u – v b) 3u – 2 1 v – 2 1 w c) t, tal que 3u + v = 5w – 4t d) x, tal que w – v = u + 2x 4) Dados os pontos A(2, 1), B(2, -1) e C(3, 4), a) determina os vetores AB , AC e BC ; b) determina o vetor v tal que v BC AB - = 3 . c) calcula BC AB . . 5) Encontra o valor de x , caso exista, para que os vetores u e v sejam paralelos: a) u = (x – 2, 1) e v = (1, 4) b) u = (0, 5) e v = (x, 3) 6) Determina u . v sendo u = (1, -3) e v = (4, 2). 7) Dados os vetores u = (1, -2) e v = (4, 3), calcula | u | e | v | . 8) Determina o valor de n para que o vetor w = (n, ½) seja um vetor unitário. 9) Determina o versor do vetor w = (-3, 4). 10) Determina o ponto terminal de v = 3i – 2j, se o ponto inicial for (1, -2). 11) Determina vetores unitários que satisfaçam as condições dadas: a) mesma direção e sentido que o vetor j i v r r r 4 + - = b) sentido oposto a j i v r r r 4 6 - = 12) Determina o cosseno do ângulo entre os vetores. a) u = i + 2j, v = 6i – 8j b) u = (-7, -3), v = (0, 1) 13) Seja u = (1, 2), v = (4, -2) e w = (6, 0). Determina: a) u.(7v + w) b) | u | (v.w) · Respostas 1) 2) x = -3 e y = -2 3) a) (3, -5) b) ÷ ø ö ç è æ - 9 , 2 13 c) ÷ ø ö ç è æ - 4 15 , 4 17 d) ÷ ø ö ç è æ - 2 5 , 2 5 4) a) AB = (0, -2) AC = (1, 3) BC = (1, 5) b) (-1, -11) c) -10 5) a) 4 9 b) 0 6) –2 7) a) 5 b) 5 8) 2 3 ± 9) ÷ ø ö ç è æ - 5 4 , 5 3 10) (4, -4) 11) a) j i r r 17 17 4 17 17 + - b) j i r r 13 13 2 13 13 3 + - 12) a) 5 5 ) cos( - = q b) 58 58 3 ) cos( - = q 13) a) 6 b) 5 24 � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� | � EMBED Equation.3 ��� | = 4 � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ���u � EMBED Equation.3 ���v � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ���e � EMBED Equation.3 ��� são coplanares (e paralelos). � EMBED Equation.3 ���, � EMBED Equation.3 ��� e � EMBED Equation.3 ��� são coplanares. � EMBED Equation.3 ���, � EMBED Equation.3 ��� , � EMBED Equation.3 ��� e � EMBED Equation.3 ��� não são coplanares. . w A C A v + w v v + w v B D v - w B -w C w w v w v + w w v v w w v + w v v v v - w - w w v w v � EMBED Equation.3 ���� EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� y x � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� O y x � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� v � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� v v u u u (b). � EMBED Equation.3 ��� (d). (c). (e). � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� y x j i (a). (a). � EMBED Equation.3 ��� 0 � EMBED Equation.3 ��� y x � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� O � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� _1122738321.unknown _1122901352.unknown _1122912384.unknown _1122912763.unknown _1122914826.unknown _1122996155.unknown _1246265112.unknown _1246273182.unknown _1246274260.unknown _1246274410.unknown _1246275092.unknown _1246275755.unknown _1246352466.unknown _1246275113.unknown _1246274474.unknown _1246274342.unknown _1246273738.unknown _1246273767.unknown _1246273640.unknown _1246271976.unknown _1246271980.unknown _1246265392.unknown _1246269472.unknown _1135413820.unknown _1246264817.unknown _1246264951.unknown _1246264957.unknown _1246264833.unknown _1135425264.unknown _1135425743.unknown _1135423340.unknown _1135413656.unknown _1135410333.unknown _1135410440.unknown _1135410466.unknown _1135413543.unknown _1135410449.unknown _1135410414.unknown _1122996156.unknown _1122916235.unknown _1122916806.unknown _1122917282.unknown _1122917622.unknown _1122918047.unknown _1122918245.unknown _1122918322.unknown _1122918104.unknown _1122917878.unknown _1122917917.unknown _1122917533.unknown _1122917579.unknown _1122917360.unknown _1122917023.unknown _1122917127.unknown _1122917192.unknown _1122916843.unknown _1122916282.unknown _1122916395.unknown _1122916729.unknown _1122916318.unknown _1122916248.unknown _1122915151.unknown _1122915468.unknown _1122915718.unknown _1122916016.unknown _1122915793.unknown _1122915524.unknown _1122915193.unknown _1122915446.unknown _1122915462.unknown _1122915177.unknown _1122914943.unknown _1122915107.unknown _1122914886.unknown _1122914451.unknown _1122914607.unknown _1122914748.unknown _1122914783.unknown _1122914654.unknown _1122914702.unknown _1122914484.unknown _1122914520.unknown _1122913942.unknown _1122914143.unknown _1122914339.unknown _1122914410.unknown _1122914422.unknown _1122914295.unknown _1122914029.unknown _1122914074.unknown _1122913986.unknown _1122913210.unknown _1122913708.unknown _1122913752.unknown _1122913619.unknown _1122913653.unknown _1122913548.unknown _1122913506.unknown _1122913075.unknown _1122913165.unknown _1122913039.unknown _1122912617.unknown _1122912734.unknown _1122912743.unknown _1122912630.unknown _1122912558.unknown _1122912595.unknown _1122912465.unknown _1122912019.unknown _1122912144.unknown _1122912271.unknown _1122912327.unknown _1122912167.unknown _1122912081.unknown _1122912131.unknown _1122912042.unknown _1122902414.unknown _1122911642.unknown _1122911682.unknown _1122911723.unknown _1122911643.unknown _1122911125.unknown _1122911436.unknown _1122911485.unknown _1122911326.unknown _1122911384.unknown _1122911171.unknown _1122911090.unknown _1122902259.unknown _1122902367.unknown _1122901514.unknown _1122897170.unknown _1122901231.unknown _1122901301.unknown _1122901326.unknown _1122900717.unknown _1122901188.unknown _1122899209.unknown _1122899261.unknown _1122899091.unknown _1122899049.unknown _1122886374.unknown _1122895066.unknown _1122896017.unknown _1122896954.unknown _1122895403.unknown _1122886630.unknown _1122894872.unknown _1122894940.unknown _1122894818.unknown _1122886600.unknown _1122886260.unknown _1122886276.unknown _1122738348.unknown _1122886163.unknown _1122651592.unknown _1122736079.unknown _1122736178.unknown _1122736247.unknown _1122736686.unknown _1122736817.unknown _1122736260.unknown _1122736193.unknown _1122736143.unknown _1122736110.unknown _1122735634.unknown _1122735657.unknown _1122735966.unknown _1122728491.unknown _1122728782.unknown _1122728811.unknown _1122728884.unknown _1122728695.unknown _1122653695.unknown _1122727358.unknown _1122727304.unknown _1122727305.unknown _1122653711.unknown _1122653297.unknown _1122653422.unknown _1122653496.unknown _1122653380.unknown _1122653043.unknown _1122653204.unknown _1122652177.unknown _1122652389.unknown _1122651660.unknown _1112571269.unknown _1122645035.unknown _1122650231.unknown _1122651351.unknown _1122651440.unknown _1122651557.unknown _1122651384.unknown _1122650981.unknown _1122651119.unknown _1122650496.unknown _1122650849.unknown _1122645368.unknown _1122650097.unknown _1122650127.unknown _1122645351.unknown _1112573251.unknown _1122642976.unknown _1122643044.unknown _1122644009.unknown _1122643013.unknown _1117805012.unknown _1117805126.unknown _1122642674.unknown _1121686233.unknown _1117805025.unknown _1117805102.unknown _1117804995.unknown _1116944866.unknown _1112571401.unknown _1112573117.unknown _1112573167.unknown _1112573211.unknown _1112571442.unknown _1112571386.unknown _1112569652.unknown _1112569824.unknown _1112569932.unknown _1112569975.unknown _1112569933.unknown _1112569869.unknown _1112569882.unknown _1112569800.unknown _1112569257.unknown _1112569402.unknown _1112569483.unknown _1112569285.unknown 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