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CÁLCULO VETORIAL E GEOMETRIA ANALÍTICA – DEMA0039 – 4 CRÉDITOS – 60h PERÍODO: 2020.1 PROFESSOR: MARCOS DENILSON GUIMARÃES ALUNO: ____________________________________________ DATA: ___/___/___ ATIVIDADE 2.1 1) Determine o ponto da reta 𝑟: { 𝑥 = 2 − 𝑡 𝑦 = 3 + 𝑡 𝑧 = 1 − 2𝑡 que tem abscissa 4. Solução: Ter abscissa 4 significa dizer que 𝑥 = 4. Agora, basta fazer as devidas substituições: 𝑥 = 2 − 𝑡 → 4 = 2 − 𝑡 → 𝑡 = 2 − 4 → 𝑡 = −2 𝑦 = 3 + 𝑡 → 𝑦 = 3 + (−2) → 𝑦 = 3 − 2 → 𝑦 = 1 𝑧 = 1 − 2𝑡 → 𝑧 = 1 − 2(−2) → 𝑧 = 1 + 4 → 𝑧 = 5 . Logo o ponto procurado é 𝑃(4, 1, 5). 2) O ponto 𝑃(2, 𝑦, 𝑧) pertence à reta determinada por 𝐴 (3, −1, 4) e 𝐵(4, −3, −1). Calcule 𝑃. Solução: Inicialmente vamos determinar as equações da reta desejada. Como essa reta é determinada pelos pontos 𝐴 e 𝐵, o vetor diretor dela é dado por �⃗� = 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗ = 𝐵 − 𝐴 = (1, −2, −5). Logo, as equações da reta são: 𝑟: { 𝑥 = 3 + 1𝑡 𝑦 = −1 − 2𝑡 𝑧 = 4 − 5𝑡 . Do fato de 𝑃(2, 𝑦, 𝑧) pertencer a essa reta, temos: { 2 = 3 + 1𝑡 → 2 − 3 = 𝑡 → 𝑡 = −1 𝑦 = −1 − 2𝑡 → 𝑦 = −1 − 2(−1) → 𝑦 = −1 + 2 → 𝑦 = 1 𝑧 = 4 − 5𝑡 → 𝑧 = 4 − 5(−1) → 𝑧 = 4 + 5 → 𝑧 = 9 . Assim, o ponto procurado tem coordenadas 𝑃(2, 1,9). 3) Determinar as equações reduzidas, tendo 𝑧 como variável independente, da reta que passa pelos pontos 𝑃1(−1, 0, 3) e 𝑃2(1, 2, 7). Solução: A reta que passa pelos pontos determinados tem como vetor diretor o vetor �⃗� = 𝑃1𝑃2⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ = 𝑃2 − 𝑃1 = (2, 2, 4). Em seguida, passemos a determinar as suas equações simétricas: 𝑥−𝑥1 𝑎 = 𝑦−𝑦1 𝑏 = 𝑧−𝑧1 𝑐 → 𝑥+1 2 = 𝑦−0 2 = 𝑧−3 4 . Dessas equações, resultam que: 𝑥+1 2 = 𝑧−3 4 → 4(𝑥 + 1) = 2(𝑧 − 3) → 4𝑥 + 4 = 2𝑧 − 6 → 4𝑥 = 2𝑧 − 10 → 𝑥 = 1𝑧 2 − 5 2 . E de 𝑦−0 2 = 𝑧−3 4 → 4𝑦 = 2(𝑧 − 3) → 4𝑦 = 2𝑧 − 6 → 𝑦 = 1𝑧 2 − 3 2 . 4) Qual deve ser o valor de 𝑚 para que os pontos 𝐴(3, 𝑚, 1), 𝐵(1, 1, −1) 𝑒 𝐶(−2, 10, −4) pertençam à mesma reta? Solução: A condição para que três pontos estejam na mesma reta é que os vetores 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗ 𝑒 𝐴𝐶⃗⃗⃗⃗⃗⃗ sejam colineares, isto é: 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗ = 𝐵 − 𝐴 = (−2, 1 − 𝑚, −2) e 𝐴𝐶⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = 𝐶 − 𝐴 = (−5, 10 − 𝑚, −5). Como esses pontos são colineares, as suas coordenadas devem ser proporcionais, ou seja, −2 −5 = 1−𝑚 10−𝑚 = −2 −5 . Então, −2 −5 = 1−𝑚 10−𝑚 → −5(1 − 𝑚) = −2(10 − 𝑚) → −5 + 5𝑚 = −20 + 2𝑚 → 5𝑚 − 2𝑚 = −20 + 5 → 3𝑚 = −15 → 𝑚 = −5. 5) Determine as equações da reta que passa por 𝐴(2, 3, 4) e é ortogonal ao mesmo tempo aos eixos dos 𝑥 e dos 𝑦. Solução: Se a reta que passa por A é ortogonal ao mesmo tempo aos eixos dos 𝑥 e dos 𝑦, logo seu vetor diretor é dado por �⃗� = (0, 0, 𝑐), ou seja, suas equações são da forma { 𝑥 = 2 + 0. 𝑡 𝑦 = 3 + 0. 𝑡 𝑧 = 4 + 𝑐𝑡 ou { 𝑥 = 2 𝑦 = 3 . Note também que, como duas das componentes do vetor diretor são nulas, �⃗� = (0, 0, 𝑐) ∥ �⃗⃗�, e, portanto, a reta é paralela ao eixo de �⃗⃗�, ou seja, 𝑟 ∥ 𝑂𝑧. 6) Represente graficamente as retas cujas equações são: a) { 𝑥 = −1 + 𝑡 𝑦 = 3 − 𝑡 𝑧 = 2𝑡 e b) { 𝑦 = −3𝑥 + 6 𝑧 = −𝑥 + 4 Solução: 7) Determine o valor de 𝑛 para que seja de 30° o ângulo que a reta 𝑟: { 𝑦 = 𝑛𝑥 + 5 𝑧 = 2𝑥 − 3 forma com o eixo dos 𝑦. Solução: Utilizando a fórmula cos 𝜃 = |𝑣1⃗⃗⃗⃗⃗ . 𝑣2⃗⃗⃗⃗⃗| |𝑣1⃗⃗⃗⃗⃗| |𝑣2⃗⃗⃗⃗⃗| → cos 30° = |(1, 𝑛, 2) . (0, 1, 0)| √1+𝑛2+4 √0+1+0 → √3 2 = √𝑛2 √𝑛2+5 √3 2 = 𝑛 √𝑛2 + 5 → 2𝑛 = (√3(𝑛2 + 5) → (2𝑛)2 = ((√3(𝑛2 + 5)) 2 → 4𝑛2 = 3𝑛2 + 15 → 𝑛2 = 15 → 𝑛 = ±√15. 8) Calcule o ponto de interseção das retas 𝑟: { 𝑦 = −5 𝑧 = 4𝑥 + 1 e 𝑠: 𝑥−1 2 = 𝑧−5 −3 ; 𝑦 = −5. Solução: Como se trata de calcular o ponto de interseção, basta substituir o valor de 𝑧 da primeira reta na segunda. Ou seja, 𝑥−1 2 = 𝑧−5 −3 → 𝑥−1 2 = (4𝑥+1)−5 −3 → 𝑥−1 2 = 4𝑥−4 −3 → 2(4𝑥 − 4) = −3(𝑥 − 1) → 8𝑥 − 8 = −3𝑥 + 3 → 8𝑥 + 3𝑥 = 3 + 8 → 11𝑥 = 11 → 𝑥 = 1. Logo, o ponto de interseção é dado por 𝑃(1, −5, 5). 9) Sejam as retas 𝑟: { 𝑥 = 2 + 3𝑡 𝑦 = 4 + 5𝑡 𝑧 = 𝑚𝑡 e 𝑠: { 𝑦 = 2𝑥 + 1 𝑧 = 𝑥 2 − 3 2 , determine o valor de 𝑚 para que 𝑟 e 𝑠 sejam concorrentes. Solução: Se duas retas se interceptam, elas são coplanares, isto é, estão situadas no mesmo plano. Da reta 𝑟 temos que: 𝑣1⃗⃗⃗⃗⃗ = (3, 5, 𝑚) 𝑒 𝐴1 = (2, 4, 0). E da reta 𝑠, 𝑣2⃗⃗⃗⃗⃗ = (1, 2, 1 2 ) 𝑒 𝐴2 = (1, 3, −1). Além disso, 𝐴1𝐴2⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗ = 𝐴2 − 𝐴1 = (−1, −1, −1). Para que essas retas sejam concorrentes, (𝑣1⃗⃗⃗⃗⃗, 𝑣2⃗⃗⃗⃗⃗, 𝐴1𝐴2⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗) = 0 → | 3 5 𝑚 1 2 1 2⁄ −1 −1 −1 | 3 5 1 2 −1 −1 = 0 → −6 − 5 2 − 𝑚 + 2𝑚 + 3 2 + 5 = 0 → 𝑚 − 6 − 1 + 5 = 0 → 𝑚 − 2 = 0 → 𝑚 = 2. 10) Calcule a distância do ponto 𝑃(1, , 2, 3) à reta 𝑟: { 𝑥 = 1 − 2𝑡 𝑦 = 2𝑡 𝑧 = 2 − 𝑡 . Solução: Como a distância de ponto à reta é dada pela fórmula: 𝑑 = 𝑑(𝑃, 𝑟) = |�⃗⃗� 𝑥 𝐴𝑃⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ | |�⃗⃗�| . Assim, 𝐴(1, 0, 2) 𝑒 �⃗� = (−2, 2, −1). Desse modo, 𝐴𝑃⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = 𝑃 − 𝐴 = (0, 2, 1). Logo, |�⃗� 𝑥 𝐴𝑃⃗⃗⃗⃗⃗⃗ | = | 𝑖 𝑗 �⃗⃗� −2 2 −1 0 2 1 | 𝑖 𝑗 −2 2 0 2 = 2𝑖 − 0𝑗 − 4�⃗⃗� − 0�⃗⃗� + 2𝑖 + 2𝑗 = (4, 2, −4). Portanto, 𝑑(𝑃, 𝑟) = |�⃗⃗� 𝑥 𝐴𝑃⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ | |�⃗⃗�| = √16+4+16 √4+4+1 = √36 √9 = 6 3 = 2. 11) Calcular a distância entre as retas 𝑟: { 𝑥 = 3 𝑦 = 2 e 𝑠: { 𝑥 = 1 𝑦 = 4 . Solução: Observem que as retas são paralelas ao eixo �⃗⃗�, ou seja, 𝑟 ∥ 𝑂𝑧. Notem também que elas são paralelas, pois 𝑣1⃗⃗⃗⃗⃗ = 𝑣2⃗⃗⃗⃗⃗. De 𝑟, temos que: 𝑣1⃗⃗⃗⃗⃗ = (0, 0, 1) 𝑒 𝐴1 = (3, 2, 1). Já de 𝑠, vem que: 𝑣2⃗⃗⃗⃗⃗ = (0, 0, 1) 𝑒 𝐴2 = (1, 4, 1). Logo, 𝐴1𝐴2⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗ = 𝐴2 − 𝐴1 = (−2, 2, 0) 𝑒 𝑣2⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑥 𝐴1𝐴2⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗ = | 𝑖 𝑗 �⃗⃗� 0 0 1 −2 2 0 | 𝑖 𝑗 0 0 −2 2 = −2𝑗 − 2𝑖 = (−2, −2, 0). Portanto, 𝑑(𝑟, 𝑠) = 𝑑(𝐴1, 𝑠) = |𝑣2⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑥 𝐴1𝐴2⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ | |𝑣2⃗⃗⃗⃗⃗| = √4+4+0 √0+0+1 = √8 = √4. 2 = 2√2. 12) Seja o plano 𝜋: 3𝑥 + 𝑦 − 𝑧 − 4 = 0. Calcule: a) O ponto deste plano que tem abscissa 1 e ordenada 3; b) O ponto deste plano que tem abscissa 0 e cota 2; c) O valor de 𝑘 para que o ponto 𝑃(𝑘, 2, 𝑘 − 1) pertença a 𝜋; d) O valor de 𝑘 para que o plano 𝜋1: 𝑘𝑥 − 4𝑦 + 4𝑧 − 7 = 0 seja paralelo a 𝜋. Solução: a) Basta substituir 𝑥 = 1 𝑒 𝑦 = 3, logo 3(1) + 3 − 𝑧 − 4 = 0 → 3 + 3 − 4 = 𝑧 → 𝑧 = 2. Logo, o ponto procurado é 𝑃(1, 3, 2). b) Basta substituir 𝑥 = 0 𝑒 𝑧 = 2, logo 3(0) + 𝑦 − (2) − 4 = 0 → 0 + 𝑦 − 6 = 0 → 𝑦 = 6. Logo, o ponto procurado é 𝑃(0, 6, 2). c) Para que o ponto (𝑘, 2, 𝑘 − 1) pertença a 𝜋, ele deve satisfazer a equação do plano. Logo, 3(𝑘) + 2 − (𝑘 − 1) − 4 = 0 → 3𝑘 + 2 − 𝑘 + 1 − 4 = 0 → 2𝑘 − 1 = 0 → 𝑘 = 1 2⁄ . d) Para que os planos sejam paralelos, 𝑛1⃗⃗⃗⃗⃗ ∥ 𝑛2⃗⃗⃗⃗⃗. Como 𝑛1⃗⃗⃗⃗⃗ = (3, 1, −1) 𝑒 𝑛2⃗⃗⃗⃗⃗ = (𝑘, −4, 4), suas componentes devem ser proporcionais. Isto é, 3 𝑘 = 1 −4 = −1 4 . De 3 𝑘 = 1 −4 → 𝑘 = −12. 13) Determine uma equação geral do plano paralelo ao plano 𝜋: 2𝑥 − 3𝑦 − 𝑧 + 5 = 0 e que contenha o ponto 𝐴(−1, 2, 3). Solução: 𝜋1 ∥ 𝜋, o vetor 𝑛1⃗⃗⃗⃗⃗ = (2, −3, −1) normal a 𝜋 é também normal a 𝜋1. Logo, 𝜋1: 2𝑥 − 3𝑦 − 𝑧 + 𝑑 = 0. Como 𝐴 ∈ 𝜋, 2𝑥 − 3𝑦 − 𝑧 + 𝑑 = 0 → 2(−1) − 3(2) − (3) + 𝑑 = 0 → −2 − 6 − 3 + 𝑑 = 0 → −11 + 𝑑 = 0 → 𝑑 = 11. Portanto, 𝜋1: 2𝑥 − 3𝑦 − 𝑧 + 11 = 0. 14) Sendo { 𝑥 = 1 + ℎ − 2𝑡 𝑦 = 1 − 𝑡 𝑧 = 4 + 2ℎ − 2𝑡 equações paramétricas de um plano 𝜋, obter uma equação geral. Solução: Dessas equações paramétricas, temos que sua equação vetorial é dada por: (𝑥, 𝑦, 𝑧) = (1, 1, 4) + ℎ(1, 0, 2) + 𝑡(−2, −1, −2). Disso, �⃗⃗� = (1, 0, 2) 𝑒 �⃗� = (−2, −1, −2). Como o vetor �⃗⃗� 𝑥 �⃗� é simultaneamente ortogonal a �⃗⃗� e �⃗�, ele é um vetor normal ao plano. Portanto, �⃗⃗� 𝑥 �⃗� = | 𝑖 𝑗 �⃗⃗� 1 0 2 −2 −1 −2 | 𝑖 𝑗 1 0 −2 −1 = −4𝑗 − 1�⃗⃗�+ 2𝑖 + 2𝑗 = (2, −2, −1). Assim, o plano 𝜋: 2𝑥 − 2𝑦 − 𝑧 + 𝑑 = 0. Como (1, 1, 4) pertence à reta, 2𝑥 − 2𝑦 − 𝑧 + 𝑑 = 0 → 2(1) − 2(1) − (4) + 𝑑 = 0 → 2 − 2 − 4 + 𝑑 = 0 → 𝑑 = 4. Logo, 𝜋: 2𝑥 − 2𝑦 − 𝑧 + 4 = 0 15) Determine uma equação geral do plano que contenha o ponto e a reta dados: 𝐴(4, 3, 2) e { 𝑥 = 𝑡 𝑦 = 2 − 𝑡 𝑧 = 3 + 2𝑡 . Solução: A reta passa pelo ponto 𝐵(0, 2, 3) e tem a direção do vetor �⃗� = (1, −1, 2). Os vetores-base são �⃗� e 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗ . Sendo A (ou B) um ponto fixo desse plano e 𝑃(𝑥, 𝑦, 𝑧) um ponto genérico, devemos ter (𝐴𝑃⃗⃗⃗⃗⃗⃗ , �⃗�, 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗ ) = 0. Basta agora calcularmos 𝐴𝑃⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = 𝑃 − 𝐴 = (𝑥 − 4, 𝑦 − 3, 𝑧 − 2) 𝑒 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗ = 𝐵 − 𝐴 = (−4, −1, 1). Com isso, calcular (𝐴𝑃⃗⃗⃗⃗⃗⃗ , �⃗�, 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗ ) = 0 → | 𝑥 − 4 𝑦 − 3 𝑧 − 2 1 −1 2 −4 −1 1 | 𝑥 − 4 𝑦 − 3 1 −1 −4 −1 = 0 → −(𝑥 − 4) − 8(𝑦 − 3) − (𝑧 − 2) − 4(𝑧 − 2) + 2(𝑥 − 4) − (𝑦 − 3) = 0 → −𝑥 + 4 − 8𝑦 + 24 − 𝑧 + 2 − 4𝑧 + 8 + 2𝑥 − 8 − 𝑦 + 3 = 0 → 𝑥 − 9𝑦 − 5𝑧 + 33 = 0 16) Determine o valor de 𝑚 de modo que os planos seguintes sejam perpendiculares: 𝜋1: 𝑚𝑥 + 𝑦 − 3𝑧 − 1 = 0 e 𝜋2: 2𝑥 − 3𝑚𝑦 + 4𝑧 + 1 = 0. Solução: Para que sejam perpendiculares, 𝑛1⃗⃗⃗⃗⃗ . 𝑛2⃗⃗⃗⃗⃗ = 0 → (𝑚, 1, −3). (2, −3𝑚, 4) = 0 → 2𝑚 − 3𝑚 − 12 = 0 → −𝑚 − 12 = 0 → 𝑚 = −12. 17) Estabeleça equações reduzidas na variável 𝑥 da reta interseção dos planos: 𝜋1: 3𝑥 − 𝑦 + 2𝑧 − 1 = 0 e 𝜋2: 𝑥 + 2𝑦 − 3𝑧 − 4 = 0. Solução: Se atribuirmos valores a 𝑥, para 𝑥 = 0, { −𝑦 + 2𝑧 − 1 = 0 2𝑦 − 3𝑧 − 4 = 0 → { −𝑦 + 2𝑧 = 1 2𝑦 − 3𝑧 = 4 → { −2𝑦 + 4𝑧 = 2 2𝑦 − 3𝑧 = 4 → 𝑧 = 6. De 2𝑦 − 3𝑧 − 4 = 0 → 2𝑦 − 18 − 4 = 0 → 2𝑦 = 22 → 𝑦 = 11. Portanto, um ponto de interseção é 𝑃(0, 11, 6). Como o vetor diretor de 𝑟 é simultaneamente ortogonal a 𝑛1⃗⃗⃗⃗⃗ = (3, −1, 2) 𝑒 𝑛2⃗⃗⃗⃗⃗ = (1, 2, −3), o vetor �⃗� pode ser dado por: �⃗� = 𝑛1⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑥 𝑛2⃗⃗⃗⃗⃗ = | 𝑖 𝑗 �⃗⃗� 3 −1 2 1 2 −3 | 𝑖 𝑗 3 −1 1 2 = (−1, 11, 7). Escrevendo equações paramétricas de 𝑟, temos: 𝑟: { 𝑦 = 11𝑥 + 11 𝑧 = 7𝑥 + 6 . 18) Determine o ângulo formado pela reta 𝑟: { 𝑦 = −2𝑥 𝑧 = 2𝑥 + 1 e o plano 𝜋: 𝑥 − 𝑦 + 5 = 0. Solução: A fórmula para o cálculo do ângulo entre reta e plano é dada por: 𝑠𝑒𝑛 𝜃 = |�⃗⃗� . �⃗⃗�| |�⃗⃗�| |�⃗⃗�| . Assim, �⃗� = (1, −2, 2) 𝑒 �⃗⃗� = (1, −1, 0). Logo, 𝑠𝑒𝑛 𝜃 = |�⃗⃗� . �⃗⃗�| |�⃗⃗�| |�⃗⃗�| → 𝑠𝑒𝑛 𝜃 = √32 √1+4+4 √1+1+0 → 𝑠𝑒𝑛 𝜃 = 3 3√2 𝑥 √2 √2 = √2 2 . Portanto, 𝜃 = 45°. 19) Calcule a distância entre o ponto 𝑃(2, −1, 2) ao plano 𝜋: 2𝑥 + 𝑦 = 3. Solução: Observe que �⃗⃗� = (2, 1, 0) 𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝜋: 2𝑥 + 𝑦 − 3 = 0. 𝐶𝑜𝑚 𝑖𝑠𝑠𝑜, 𝑑(𝑃, 𝜋) = |𝑎𝑥0 + 𝑏𝑦0 + 𝑐𝑧0 + 𝑑| √𝑎2 + 𝑏2 + 𝑐2 = |2(2) + 1(−1) + 0(2) − 3| √22 + 12 + 02 = 0 √5 = 0. 20) Determine a distância entre os seguintes planos paralelos: 𝜋1: 2𝑥 + 2𝑦 + 2𝑧 − 5 = 0 e 𝜋2: 𝑥 + 𝑦 + 𝑧 − 3 = 0. Solução: 𝑑(𝜋1, 𝜋2) = 𝑑(𝑃0, 𝜋2), com 𝑃0 ∈ 𝜋1. Logo, 𝑃0 = (0, 0, 5 2⁄ ). Assim, 𝑑(𝜋1, 𝜋2) = 𝑑(𝑃0, 𝜋2) = |1(0)+1(0)+1(5 2⁄ )−3| √12+12+12 = |−1 2⁄ | √3 = 1 2 √3 = 1 2√3 𝑥 √3 √3 = √3 6 . 21) Calcule a distância entre a reta 𝑟: { 𝑥 = 4 + 3𝑡 𝑦 = −1 + 𝑡 𝑧 = 𝑡 e 𝜋: 𝑥 − 𝑦 − 2𝑧 + 4 = 0. Solução: Considerando que a distância de uma reta ao plano é a distância de um ponto qualquer da reta a este plano, temos que: 𝑑(𝑟, 𝜋) = 𝑑(𝑃, 𝜋) = |1(4) + (−1)(−1) + (−2)(0) + 4| √12 + (−1)2 + (−2)2 = 9 √6 𝑥 √6 √6 = 9√6 6 = 3√6 2 . 𝑂𝑏𝑠.: �⃗� . �⃗⃗� = (3, 1, 1) . (1, − 1, − 2) = 3 − 1 − 2 = 0, ou seja, 𝑟 ∥ 𝜋. Bom trabalho! Lembrem-se: “A persistência é o caminho do sucesso”.
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