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1 FACULDADES METROPOLITANAS UNIDAS TRABALHO DE ÁLGEBRA E GEOMETRIA ANALÍTICA: O PLANO: PARABOLA E HIPÉRBOLE TRANSFORMAÇÃO LINEAR São Paulo 2016 2 FACULDADES METROPOLITANAS UNIDAS 1º SEMESTRE DE ENGENHARIA CIVIL TURMA A MATUTINO INTEGRANTES DO GRUPO: Augusto Cesar Magalhães de Oliveira, RA: 6211881 Leticia Oliveira Pequeno, RA: 8094616 Nicolas Leal da Silva Pidigurne, RA: 8038472 Pricilla Picolli, RA: 4981724 Vitor Matheus Tavares Lopes Melão, RA:8189264 Professora: Me. Larissa Juliana Makarewicz São Paulo 2016 3 Sumário 1 – O plano................................................................................................5 1.1– Parábola............................................................................................7 1.2– Hipérbole.........................................................................................10 2 – Transformação linear........................................................................14 3 – Conclusão.........................................................................................19 4 Introdução Nesse trabalho falaremos sobre cônicas no plano cartesiano. Estudaremos sobre algumas definições importantes do plano sendo nosso foco em parábolas e hipérboles com suas definições e alguns exemplos de utilização em nossa área. Daremos sequência ao estudo com transformação linear em sua teoria e exemplificações com exercícios resolvidos também. 5 1.O plano Elementos históricos Quatro partes perdidas dos Elementos de Euclides (270 a.C.) tratavam de elipses, hipérboles e parábolas ou, para usarmos o nome comum, seções cônicas. Estas são curvas obtidas quando um plano intercepta um cone de revolução. Existe uma teoria completa das cônicas num tratado de Apolônio (200 a.C.). Ele mostra, por exemplo, que uma elipse é o lugar descrito por um ponto que se movimenta de tal modo que a soma de suas distâncias a dois pontos dados, os focos, permanecem constantes e também que uma hipérbole é o lugar descrito por um ponto que se movimenta de tal modo que a diferença de suas distâncias a dois pontos dados, os focos, permanecem constantes. Desde o tempo de Apolônio que as seções têm uma carreira fantástica na Física. Kepler (que era mais astrônomo e físico do que matemático) descobriu por volta de 1610 que os planetas se movem em elipses com o sol num dos focos. Por volta de 1686 Newton provou em seu livro Principia Mathemática que isso pode ser deduzido da lei de gravitação e das leis da Mecânica. A pedra angular da Mecânica Quântica é o teorema espectral para transformações lineares auto-adjuntas, descendentes das seções cônicas. Nos resultados obtidos por Newton sobre o movimento planetário, aparece a equação das cônicas em coordenadas polares. A hipérbole é utilizada no estudo descritivo da expansão dos 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 em antenas parabólicas. Seções cônicas Uma seção cônica é a interseção de uma superfície com um plano no espaço tridimensional. A equação geral de uma seção cônica é dada por: Ax² + Bxy + Cy² + Dx + Ey + F = 0 Onde A,B,C,D,E,F Є R. Dependendo da forma como ocorre a interseção, obtemos as denominadas curvas cônicas dos mais variados aspectos. 6 Eixos principais Quando a curva não possui o monômio em xy, diz-se que a curva tem eixos principais correspondendo às retas x=0 e y=0, conhecidas como eixos principais da cônica. Quando a curva possui o monômio em xy, diz-se que a curva está rodada de um certo ângulo no plano formado pelos eixos principais. Classificação das cônicas Consideremos a equação geral q(x,y) = ax² + 2bxy + cy² + 2dx + 2ey + f = 0 Onde a,b,c,d,e,f Є R. A forma acima pode ser escrita como um produto de matrizes: q(x,y) = x y . a b d b c e d e f . x y Razão pela qual, realizamos a classificação associando os coeficientes da forma quadrática à matriz simétrica M: M = a b d b c e d e f Para classificar as cônicas, definiremos D=det(M), t=a+c e os cofatores D11=c.f−e², D22=a.f−d² e D33=a.c−b². Temos as seguintes possibilidades: Condição 1 Condição 2 Condição 3 Nome da cônica D33>0 D 0 t.D > 0 Conjunto vazio D33>0 D 0 t.D < 0 Elipse D33<0 D 0 Hipérbole D33>0 D=0 Um ponto D33<0 D=0 2 retas concorrentes D33=0 D 0 Parábola D33=0 D=0 D11+D22=0 Uma reta D33=0 D=0 D11+D22>0 Conjunto vazio D33=0 D=0 D11+D22<0 2 retas paralelas Exemplos: Classificar as cônicas cuja equação geral está indicada. 1. Para a curva x²+2y²−x−y+1=0, segue que: M = 1 0 −1/2 0 2 −1/2 −1/2 −1/2 1 7 E, além disso, D=det(M)=1, D33=2, t=3, D11=3/2 e D22=3/4, logo a curva representa um conjunto vazio. Outro modo de mostrar que este conjunto é vazio é reescrever a equação dada na forma: (x−1/2)² + 2(y−1/4)² = −7/16 E como a soma de quadrados de números reais não pode ser negativa, segue que não existem (x,y) Є R² satisfazendo a esta equação. 2.Para a curva x²+3y²+xy−2x+4y−5=0, temos que: M = 1 1/2 −1 1/2 3 2 −1 2 −5 Temos também que, D=det(M)=−91/4, D33=11/4, t=4, D11=−19 e D22=−6. Portanto a curva representa uma elipse. 1.1.Parábola Algumas definições de figuras geométricas surgem da intersecção de outras figuras. Citamos o surgimento da parábola através da intersecção transversal de um cone. Veja figura: De uma forma mais detalhada e utilizando conceitos matemáticos em relação aos estudos da Geometria Analítica, podemos definir as condições de formação de uma parábola através da utilização de um plano de coordenadas cartesianas. Suponha um eixo d vertical e dois pontos F e V, de acordo com a representação: V F 8 A distância entre a reta vertical d e o ponto V deve ser a igual à distância entre os pontos V e F. Determinaremos uma sequência de pontos os quais deverão estar à mesma distância de F e d. Observe: A parábola é formada pela união de todos os pontos do plano que estão à mesma distância do ponto F (foco) e da reta vertical d. Todos os pontos do plano que possuem essa característica pertencem à parábola, para tal verificação determinamos uma expressão matemática responsável por essas comprovações: Onde: V: vértice da parábola. F: foco da parábola c: coeficiente que indica a distância do foco ao vértice, determinando a concavidade da parábola. 1ª situação: y² = 4cx 2ª situação: x² = 4cy 9 3ª situação: y² = –4cx 4ª situação: x² = – 4cy Os casos apresentados consideram que o vértice da parábola pertence à origem do sistema de coordenadas cartesianas, com vértice (0,0). Complementos Se a parábola apresentar vértice no ponto V (g; h), eixo de simetria paralelo ao eixo “x" e voltada para a “direita", sua equação reduzida será: (y- h)2 = 4.f.(x-g) Se a parábola, nas condições anteriores, estiver voltada para a “esquerda", sua equação reduzida será: (y - h)2 = -4.f.(x - g) 10 Desenvolvida a equação reduzida, resultará da forma: x=a.y2+b.y+c, com a Є 0. Se a parábola apresentar vértice no ponto V(g; h), eixo de simetria paralelo ao “y" e voltada para “cima", a equação reduzida será: (x-g)2=.f.(y-h) Se a parábola, nas condições anteriores, estiver voltada para “baixo", sua equação reduzida será: (x-g)2 = -4.f.(y - h) Desenvolvida a equação reduzida, resultará da forma: y=a.x2+bx+c, com a Є 0. Excentricidade Chama-se excentricidade na parábola à razão: 1.2.HipérboleDados dois pontos F1 e F2 (focos) de um plano, com F1 F2 = 2f, e uma medida 2a (2a < 2f), chama-se hipérbole ao lugar geométrico dos pontos P do plano, tal que: 11 | PF1 - PF2 | = 2a Elementos Principais Centro é o ponto C; Distância focal = F1F2= 2 . f; Eixo transverso = A1A2 = 2 . a; Eixo conjugado = B1B2 = 2 . b; Vértices são os pontos A1 e A2; Polos são os pontos B1 e B2; Focos são os pontos F1 e F2; Assíntotas são as retas d1 e d2. A partir do triângulo retângulo CB1D da figura, temos: f 2 = a2 + b2 Equação reduzida Seja a hipérbole com eixo transverso (e focos) contido no eixo dos “x" e centro na origem. Sendo: • focos: F1(f; 0) e F2(–f; 0) • vértices: A1(a; 0) e A2 (–a; 0) • polos: B1(0; b) e B2(0; –b) A equação reduzida da hipérbole resulta: 12 Seja a hipérbole com eixo transverso (e focos) contido no eixo “y" e centro na origem. Sendo: • focos: F1(0; f) e F2(0; –f) • vértices: A1(0; a) e A2(0; –a) • polos: B1(b; 0) e B2(–b; 0) A equação reduzida da hipérbole resulta: ‘ Complementos Se a hipérbole tiver centro no ponto C(g; h) e os eixos paralelos aos eixos coordenados, teremos as seguintes figuras e equações reduzidas: a) b) 13 Hipérbole equilátera Uma hipérbole é denominada equilátera quando as medidas dos eixos transversais e conjugado são iguais, isto é, quando as medidas a e b são iguais.(a=b). As equações reduzidas das hipérboles equiláteras, com centro na origem, resultam: y2-y2=a2 ou y2-x2=a2 As assíntotas, nesses casos, são as bissetrizes dos quadrantes pares e ímpares. Um caso importante de hipérbole equilátera é obtido fazendo-se uma rotação (nos casos acima) de modo a deixar os eixos cartesianos como assíntotas e focos nas bissetrizes dos quadrantes: Focos na bissetriz dos quadrantes ímpar es (y = x). A equação, nesse caso, resulta x.y=k , com k > 0. Focos na bissetriz dos quadrantes pares (y = – x). A equação, nesse caso, resulta x.y=k , com k < 0. Excentricidade , como c > a, então e > 1. Quanto maior a excentricidade, mais abertos são os ramos da hipérbole. Se a excentricidade for próxima de 1, os ramos da hipérbole são achatados e pontudos, como ilustra a figura: 14 2.Transformação Linear A importância das transformações lineares As transformações lineares são de fundamental importância nos estudos de Álgebra, Álgebra Linear (Álgebra de Matrizes), Cálculo, Equações Diferenciais, Análise, Geometria Diferencial e muitos outros. Transformações lineares são usadas para descrever vários tipos de mudanças geométricas, como: rotação, homotetia, cisalhamento, reflexão, além de outras deformações no plano ou no espaço. Transformação Linear Definição: Sejam V e W espaços vetoriais. Diz-se que F:V W é uma aplicação linear se satisfaz às duas propriedades seguintes: 1. Para quaisquer u,v U: F(u+v)=F(u)+F(v). 2. Para qualquer k R e qualquer v U: F(kv)=k.F(v). Definição alternativa 1: Sejam V e W espaços vetoriais. F:V W é uma aplicação linear se, para quaisquer u,v U e quaisquer a,b R se tem que: F(au+bv) = aF(u) + bF(v) Definição alternativa 2: Sejam V e W espaços vetoriais. F:V W é uma aplicação linear se, para quaisquer u,v U e qualquer b R se tem que F(u+bv) = F(u) + bF(v) Graficamente temos algo como: Observações importantes: 1. Uma aplicação linear também recebe o nome de Transformação linear. 2. Na literatura mais recente sobre Álgebra Linear, quando V=W, a aplicação F recebe o nome de operador linear e quando W=R, recebe o nome de funcional linear. 3. Se F:V W é uma aplicação linear, então F(0)=0, onde o primeiro 0 é o vetor nulo de V e o segundo 0 é o vetor nulo de W. V w u1 f(u1) f(u2) u2 u1 + u2 F(u1 + u2) = f(u1)+f(u2) 15 4. Para provar que uma aplicação é linear, devemos demonstrar que valem as duas propriedades descritas na definição, mas para mostrar que uma transformação não é linear, basta exibir a propriedade que não é satisfeita. Teorema sobre a composta de transformações lineares Teorema: Sejam F:U V e G:V W transformações lineares. A composta GoF:U W também é uma transformação linear. Demonstração: Sejam u,v U e k R. Assim (GoF)(u+kv) = G(F(u+kv)) Definição de composta = G(F(u)+F(kv)) Linearidade de F = G(F(u))+G(k.F(v)) Aditividade de G = G(F(u))+k.G(F(v)) Homotetia de G = (GoF)(u)+k.(GoF)(v) Definição de composta Exemplo: Dadas as transformações lineares S:R³ R² definida por S(x,y,z)=(x,y+z) e T:R² R³ definida por T(x, y)=(3x,2y,x+y), a transformação composta P:R² R² tal que P=SoT é linear, pois: (SoT)(x,y) = S(T(x,y))=S(3x,2y,x+y)=(3x,2y+x+y)=(3x,3y+x) Teorema: Sejam V e W espaços vetoriais reais, uma base de V denotada por {v1,...,vn} e {w1,w2,...,wn} um conjunto de elementos de W. Existe uma única transformação linear T:V W tal que: T(v1)=w1, T(v2)=w2, ..., T(vn)=wn Se considerarmos a combinação linear v = a1 v1 + a2 v2 + ... + an vn Então: T(v) = a1 T(v1) + a2 T(v2) + ... + an T(vn) = a1 w1 + a2 w2 + ... + an wn Devemos provar que T é uma transformação linear, verificando que: 1. Para quaisquer u,v U: F(u+v)=F(u)+F(v). 2. Para qualquer k R e qualquer v U: F(kv)=k.F(v). Exemplo: Seja a aplicação T: Rn Rm definida por TA(v) = A . v1 v2 ... vn = w1 w2 ... wn 16 Onde A é uma matriz de ordem m×n e v = v1 ... vn É um vetor coluna. T é linear pois, TA(u+bv) = A(u+bv)= A(u) + A(bv)= A(u) + b.A(v)= TA(u)+ b.TA(v) Exemplos: Se: A = 1 0 0 0 0 0 E TA: R² R³, então TA(u) = 1 0 0 0 0 0 . u1 u2 = u1 0 0 Então: TA(u1,u2)=(u1,0,0) Expansão e Contração Uniforme 1. A aplicação T:R² R² definida por T(u)=mu, onde u=(x,y) e m R, é linear. Se m>0, tal aplicação é dita expansão uniforme. A função T(u)=mu leva cada vetor do plano sobre um outro vetor de mesmo sentido e mesma direção de u, porém de módulo maior. 2. A aplicação T:R² R² tal que T(u)=mu, onde u=(x,y), com m R, é linear. Se m<0, tal aplicação é dita contração uniforme. A função T(u)=mu leva os vetores do plano num outro vetor de mesmo sentido e mesma direção de u, porém de módulo menor. Esta aplicação pode ser escrita na forma matricial: T x y = k . x y = k.x k.y 17 Exemplo: A aplicação T:R² R² tal que T(u)=3u, onde u=(x,y) é uma expansão uniforme. Exemplo: A aplicação T:R² R² tal que T(u)=u/3, onde u=(x,y) é uma contração uniforme. Imagem e Núcleo de uma aplicação linear Definição: Seja F:U V uma transformação linear. A Imagem de F é o conjunto de todos os vetores F(v) V, isto é; Im(F) = { F(v) V: v V } A imagem de F, denotada por Im(F), é um subespaço vetorial de V. Definição: Seja F:U V uma transformação linear. O conjunto de todos os vetores u U tal que F(u)=0 é denominado Núcleo de F, sendo denotado por Nuc(F), isto é; Nuc(F) = { v V: F(u)=0 } O núcleo de F, denotado por Nuc(F), é um subconjunto de U e também é um subespaço vetorial de U. Aplicações: injetora, sobrejetora e bijetora Definição: Uma aplicação F:U V, F é Injetora se dados u,v U com F(u)=F(v) se tem necessariamente que u=v. Outro modo equivalente: F é Injetora, se dados u,v U com u v implicar que F(u) F(v). Definição: Uma aplicação F:U V é Sobrejetora se a imagem de F coincide com V, isto é, F(U)=V, significando que, dado v V, existe u U tal que F(u)=v. Definição: Uma aplicação F:U V, F é Bijetora se é injetora e sobrejetora. Operador Diferencial linear Seja V o espaço vetorial de todas as funções reais infinitamente e contínuamente diferenciáveis no intervalo [a,b] da reta. 1. A aplicação D:V V definida por D(f)=f ', onde f ' é primeira derivada primeira da função. Esta aplicação é linear, pois D(af+bg) = aD(f) + bD(g) 2. A partir do operador diferencial D é possível definir a composta D(2)=DoD. Pode-se mostrar que é linear a aplicação D (2):V V definida por D (2)(f)=f'', onde f'' é segunda derivada da função f, pois D(2)(af+bg) = a D(2)(f) + b D(2)(g) 3. A aplicação D n+1: V V definida por Dn(f)=f (n) onde f (n) é a derivada de ordem n da função f. Demonstra-se que é linear a aplicação Dn definida recursivamente por D 0=In e para cada n N: Dn = D o D n−1 4. A aplicação L: V V definida por L(D)=a D² + b D + c Id é linear. 18 5. A aplicação L: V V definida por L(D) = n k=0 ak D k É linear. Realmente, [L(D)](f+g) = [ n k=0 akD k](f+g)= n k=0 akD k(f+g)= n k=0 ak[D k(f)+Dk(g)] = n k=0 ak D k(f) + n k=0 ak D k(g) = [L(D)](f) + [L(D)](g) Exercício resolvido Obter a expressão geral da transformação linear T:R³ R² definida de tal modo que T(1,0,0)=(1,0), T(0,1,0)=(1,1) e T(0,0,1)=(1,−1). Depois de obter a forma geral, obtenha o vetor v em R³, tal que T(v)=(1,2). Para resolver este problema devemos escrever o vetor v=(x,y,z) como combinação linear dos elementos de C={e1,e2,e3} que é a base canônica de R³, que são e1=(1,0,0), e2=(0,1,0) e e3= (0,0,1). Assim (x,y,z) = a(1,0,0)+ b(0,1,0)+ c(0,0,1) = (a,0,0)+(0,b,0)+(0,0,c) = (a,b,c) Assim, x=a, y=b e z=c e como T é linear, segue que: T(x,y,z) = T[x(1,0,0)+ y(0,1,0)+ z(0,0,1)] = T[x(1,0,0)]+T[y(0,1,0)]+T[z(0,0,1)] = xT(1,0,0)+yT(0,1,0)+zT(0,0,1) = x(1,0)+y(1,1)+z(1,−1) = (x+y+z,y−z) Assim, a forma geral da referida transformação linear é: T(x,y,z) = (x+y+z,y−z) Para obter o vetor v=(x,y,z) em R³ tal que T(x,y,z)=(1,2), tomaremos a forma T(x,y,z)=(x+y+z,y−z) exigindo que T(x,y,z)=(1,2). Basta resolver o sistema: x+y+z = 1 y − z = 2 Como o sistema possui três variáveis e duas equações lineares, este sistema terá infinitas soluções. Somando membro a membro as equações acima, obteremos x+2z=3, de onde segue que x=−2y+3. Se escolhermos y=1, obteremos x=1 e z=3 e assim obteremos um vetor em R com a propriedade desejada que é v=(1,1,3). Também podemos resolver este problema da seguinte forma: Como x=−2y+3 e y=z+2, escrevemos x em função de z para obter x=−2z−1. Desse modo, (x,y,z)=(−2z−1,z+2,z). Tomando z=t, podemos escrever as equações paramétricas da reta que tem a direção do vetor v=(−2,1,1) e passa pelo ponto P0= (−1,2,0). x(t)=−2t−1, y(t)=t+2, z(t)=t Poderíamos ainda escrever (x,y,z)=(3−2y,y,y−2). 19 3.Conclusão Trazemos em nossa conclusão alguns exemplos onde encontramos o uso de parábolas e hipérboles no ramo da engenharia e construção civil. As pontes suspensas costumam ser utilizadas por possibilitar maiores vãos. Nessas pontes, a base é sustentada por vários cabos metálicos verticais ligados a dois cabos maiores principais, que por sua vez, são conectados às torres de sustentação. Os cabos comprimem as torres de sustentação e estas últimas transferem as forças de compressão para as fundações. Como os cabos verticais são distribuídos de maneira regular, a carga da ponte é distribuída de modo uniforme aos cabos principais, que formam uma parábola. Como exemplos, apresenta-se a seguir a maior ponte suspensa do mundo, que fica no Japão, com extensão de quase 4 Km e vão central de quase 2 Km. Outra ponte suspensa, conhecida no Brasil, é a Ponte Hercílio Luz, que fica em Florianópolis, SC. 1 Ponte do Japão 2 Ponte Hercílio Luz 20 As curvas hiperbólicas também são utilizadas na arquitetura como pode ser observado da catedral de Brasília e no planetário do St. Louis Science Center, nos Estados Unidos. 3 Catedral Metropolitana de Nossa Senhora Aparecida 4 Planetário do St. Louis Science Center Na engenharia civil, o hiperbolóide (sólido originado da rotação de uma hipérbole) é utilizado na construção de torres de refrigeração de usinas nucleares. Isso se deve ao fato de que o hiperbolóide é uma superfície duplamente regrada, ou seja, para cada um dos seus pontos existem duas retas distintas que se interceptam na superfície (observe detalhe na imagem). Deste modo as torres podem ser construídas com vigas de aço retas, permitindo assim uma minimização dos ventos transversais e mantendo a integridade estrutural com uma utilização mínima de materiais de construção. Desta forma conseguimos visualizar a importância das cônicas em geral para nossa área tanto para execução de projetos que além de funcionalmente melhores em suas distribuições de pesos ainda ficam esteticamente bonitos. 5 Torre de resfriamento de usina nuclear 21 Referências bibliográficas Livros: Boulos, Paulo e Ivan de Camargo. Geometria analítica: um tratamento vetorial, Editora Makron, 1987. Leithold, Louis. O cálculo com geometria analítica. tradução Cyro de Carvalho Patarra. São Paulo. Editora Harbra, c1994. Winterle, Paulo. Vetores e geometria analítica. São Paulo. Editora Pearson, 2012. Larson, Roland E.; Edwards, Bruce H.; Hostetler, Robert P. Cálculo com Geometria Analítica - Vol. 2. Editora LTC. Sites: Carolina da Silva Gonçalves e Ulysses Sodré. “Cônicas”, UEL. Disponível em < http : // www.uel.br / projetos / matessencial / superior / alinear/ conicas.htm> Acesso em 31 de março de 2016. Carolina da Silva Gonçalves e Ulysses Sodré. “Cônicas”, UEL. Disponível em < http: / / www.uel.br / projetos / matessencial / superior / alinear /tlinear1.htm> Acesso em 31 de março de 2016. SILVA, Marcos Noé Pedro Da. "Parábola"; Brasil Escola. Disponível em <http://brasilescola.uol.com.br/matematica/parabola.htm>. Acesso em 31 de março de 2016. RIGONATTO, Marcelo. "Hipérbole"; Brasil Escola. Disponível em <http://brasilescola.uol.com.br/matematica/hiperbole.htm>. Acesso em 31 de março de 2016. http://www.uel.br/ http://www.uel.br/
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