Geometria Analítica – Engenharia Química/Química Industrial Prof. Mário Selhorst e-mail: [email protected]26 2 - Vetores 2.1 - Sistemas de coordenadas bi e tridimensionais Para a representação de um ponto no plano são necessários dois números reais, que associados a dois eixos coordenados (retas reais perpendiculares), constituem um par ordenado que indica a posição do ponto. Se os eixos são denominados x e y, conforme na figura 1, o ponto A é definido pelo par ordenado (a, b). Figura 2.1 – Par ordenado no plano O par ordenado (a, b) corresponde as coordenadas do ponto A no plano xy situado no espaço bidimensional ) ( 2 R . Para representar pontos no espaço tridimensional precisamos de três números reais e de três eixos coordenados ) ( 3 R . Geralmente chamamos estes eixos de x, y e z e são dispostos perpendicularmente entre si, x e y na horizontal e z na vertical, cruzando-se mutuamente na origem 0. Um ponto P no espaço é definido por uma tripla ordenada (a, b, c) de números reais, como na figura 2.2(a). Os três eixos coordenados determinam três planos coordenados xy, xz e yz que dividem o espaço em oito octantes. O primeiro octante é aquele definido pelos eixos positivos como mostrado na figura 2.2(b). Figura 2.2(a): Ponto P no espaço tridimensional Figura 2.2(b): Planos coordenados
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2.1 - Sistemas de coordenadas bi e tridimensionais Para a representação de um ponto no plano são necessários dois números reais, que associados a dois eixos coordenados (retas reais perpendiculares), constituem um par ordenado que indica a posição do ponto. Se os eixos são denominados x e y, conforme na figura 1, o ponto A é definido pelo par ordenado (a, b).
Figura 2.1 – Par ordenado no plano
O par ordenado (a, b) corresponde as coordenadas do ponto A no plano xy situado no espaço bidimensional
)( 2R .
Para representar pontos no espaço tridimensional precisamos de três números reais e de três eixos coordenados
)( 3R . Geralmente chamamos estes eixos de x, y e z e são dispostos perpendicularmente entre si, x e y na
horizontal e z na vertical, cruzando-se mutuamente na origem 0. Um ponto P no espaço é definido por uma
tripla ordenada (a, b, c) de números reais, como na figura 2.2(a). Os três eixos coordenados determinam três
planos coordenados xy, xz e yz que dividem o espaço em oito octantes. O primeiro octante é aquele definido
pelos eixos positivos como mostrado na figura 2.2(b).
Figura 2.2(a): Ponto P no espaço tridimensional Figura 2.2(b): Planos coordenados
A representação dos pontos A (2, 1, 3) e C(-3, 2, 3) é a das figuras 2.3(a) e 2.3(b):
Figura 2.3(a): Representação do ponto A Figura 2.3(b): Representação do ponto C
2.2 - Vetores No nosso dia a dia estamos acostumados a diversas situações que na maioria das vezes passam despercebidas quanto ao seu significado. Por exemplo, quando ligamos a televisão e assistimos os noticiários, o jornalista informa que a temperatura mínima na cidade para o dia seguinte será de 17º C e máxima de 32º C ou quando ouvimos sobre a pavimentação de uma rodovia de com 22 km de extensão, ou ainda, que o preço de 1 kg de frango está 30% mais barato. Nas três situações descritas abordamos as grandezas temperatura, comprimento e massa, que na física recebem o nome de grandezas escalares. Grandeza escalar é aquela que fica perfeitamente caracterizada por um número associado a uma unidade de medida. Vamos agora considerar outra situação: Se eu dissesse que viajei 200 km, provavelmente alguém perguntaria, “para onde?”, ou seja, para que a informação fosse adequada deveríamos acrescentar, por exemplo, que viajamos de Florianópolis a Joinville, teríamos uma direção norte-sul, um sentido de Florianópolis a Joinville, e uma intensidade do deslocamento de 200 km. Esta situação é definida como grandeza vetorial, pois só falando em 200 km a informação fica muito vaga. Grandeza vetorial é aquela que fica caracterizada quando conhecemos sua direção, seu sentido e sua intensidade. Uma grandeza, que precisa ser caracterizada por uma direção, um sentido e um número chamado módulo (ou intensidade) é chamada de vetor. Vetor é ente matemático caracterizado por uma direção, um sentido e um módulo (ou intensidade).
Representamos vetor por um segmento orientado de reta →
AB , ou também por uma letra minúscula, com uma
flecha em cima ABBAv −==rr
. Na figura 4 representamos estas características.
Figura 2.4: Características de um vetor Agora vamos observar as situações representadas nas figuras 5(a) e 5(b). São segmentos orientados em diferentes posições. Situação 1 Situação 2
Figura 2.5(a): Segmentos orientados 1 Figura 2.5(b): Segmentos orientados 2 Observe que nas duas situações, os três segmentos têm mesmo comprimento, mesma direção e mesmo sentido, por isso, podemos dizer que estes segmentos são eqüipolentes. Se estes segmentos representam vetores, são vetores iguais?
São sim. Vetores iguais são representados por segmentos eqüipolentes. Assim os segmentos cbarrr
, ,
representam vetores iguais, assim como fedrrr
, , . Observe agora a situação 3, na figura 2.6, onde também representamos segmentos orientados. Os segmentos orientados têm o mesmo comprimento, mesma direção e sentidos contrários, e são denominados vetores opostos.
Na situação 4, representada na figura 2.7, os segmentos orientados são somente paralelos, representando vetores
paralelos: cbarrr
////
Figura 2.7: Vetores paralelos Observação: Quando a origem de um vetor coincide com a extremidade, é denominado vetor nulo e
representado por 0 ou AA , isto é, não possui direção, sentido ou intensidade. Um vetor bastante utilizado é o chamado vetor unitário ou versor, cujo módulo é 1. Em geral, se 0≠a
r, então o
vetor que tem a mesma direção e sentido de ar
e módulo 1 é o vetor unitário de ar
. Exemplo 1: Na figura 2.8, representamos um vetor unitário v
rde um vetor u
r de módulo 4.
Figura 2.8: Vetor unitário v
r
Observação: Num vetor vr
, unitário, temos 1=vr
. Na figura 8, 4=ur
e 1=vr
.
Os vetores podem ser representados e utilizados no espaço bidimensional e tridimensional. Se a origem e a extremidade de diversos vetores estão situadas num mesmo plano ou não, estes são denominados coplanares ou não coplanares, como na figura 2.9(a) e 2.9(b).
Figura 2.9(a): Vetores coplanares Figura 2.9(b): Vetores não coplanares
Os Vetores surgiram no início do século XIX com trabalhos de Caspar Wessel (1745--1818), Jean Robert Argand (1768--1822) e Carl Friedrich Gauss (1777--1855) que no estudo dos números complexos como pontos no plano bidimensional os representaram como segmentos de reta orientados com representação bidimensional. Diversos matemáticos e cientistas trabalharam na mesma época com este tipo de representação, sem a denominação de vetores, mas como pares ordenados de números reais. Avanço significativo houve em 1827 com August Ferdinand Möbius quando publicou um pequeno livro, The Barycentric Calculus, no qual introduziu diretamente segmentos de reta denotados por letras do alfabeto, vetores na essência, mas ainda não no nome. No seu estudo de centros de gravidade e geometria projetiva, Möbius desenvolveu uma aritmética destes segmentos de reta; adicionou-os e mostrou como multiplicá-los por um número real. Seus interesses estavam em outro lugar, e ninguém se importou em notar a importância destes cálculos (Eves, 2002, p.491). 2.3 – Operações com Vetores Nesta seção estaremos tratando das operações com vetores, especificamente, a adição e a subtração, produto de vetores por números reais e a representação de vetores no plano e no espaço. Quando operamos grandezas escalares, usamos apenas regras aritméticas e a unidade de medida da grandeza. Exemplo 1: Grandezas como massa de um corpo, distância entre dois pontos e volume de um líquido, são grandezas escalares e podem ser somadas aritmeticamente, mantendo a unidade de medida:
kgkgkg 7 5 2 =+
kmkmkm 500030002000 =+
mlmlml 725 =+ Quando lidamos com grandezas vetoriais, o cálculo aritmético vem acompanhado com a interpretação e representação gráfica, pois além do módulo, trabalhamos também com a direção e o sentido do vetor que representa a grandeza. Exemplo 2: Vamos considerar um carro que sai da cidade A e percorre 40 km em linha reta para o Sul, atingindo a cidade B; em seguida, percorre mais 30 km, a partir da cidade B, para o Oeste, até chegar a cidade C.. Qual é a distância que separa a cidade A da cidade C?
Para resolver a questão temos que considerar as referências dadas para os deslocamentos. Na figura 2.10, representamos estes deslocamentos.
Figura 2.10: Deslocamento do carro Aplicando o teorema de Pitágoras ao triângulo retângulo ABC, temos que:
( ) ( ) 50250090016003040 22222222 =⇒=⇒+=⇒+=⇒+= ddddBCABd , logo a distância da
cidade A até a cidade C, é de km50 , na direção e sentido previstos.
Observação: As grandezas vetoriais exigem a utilização de representações gráficas. Para resolvermos problemas que envolvam adição de vetores vamos recorrer a duas regras conhecidas: a regra do polígono e a regra do paralelogramo. Vamos ver como funcionam. 2.3.1 - Adição de Vetores Regra do polígono A soma de dois vetores u
r e v
r, representados na figura 2.11 se dá transportando o vetor u
r, mantendo sua
direção, sentido e comprimento, e, a partir da extremidade desse vetor, transportamos o segundo vetor vr
mantendo também suas características. Ligamos a origem do primeiro vetor u
r com a extremidade do segundo
vetor vr
e obtemos o vetor sr
, que é a adição de ur
e vr
.
Figura 2.11: Soma dos vetores u
r e v
r pela regra do polígono.
Observação: Para determinar a adição de mais vetores procede-se da mesma maneira, ligando cada um deles a extremidade do anterior, mantendo o módulo, a direção e o sentido, até desenhar todos. O vetor resultante da adição se obtém ligando a origem do primeiro com a extremidade do último vetor representado. Regra do paralelogramo Esta regra utiliza a representação de um paralelogramo construído sobre cada dois vetores a serem somados. Na soma de dois vetores u
r e v
r transportamos os dois vetores, fazendo que suas origens coincidam e, pela
extremidade de cada um dos vetores, traça-se uma reta paralela ao outro, construindo um paralelogramo a partir de suas extremidades. A soma s
rde u
r e v
ré o vetor que corresponde a diagonal desse paralelogramo.
Figura 2.12: Soma dos vetores u
r e v
r pela regra do paralelogramo.
Observação: A diferença de vetores é definida através da operação soma, do primeiro vetor com o oposto do
Figura 2.13: Subtração de vetores Logo, para subtrairmos um vetor de outro, vamos somar o oposto desse vetor ao outro. 2.3.2 - Propriedades da Adição de Vetores A adição de vetores apresenta algumas propriedades peculiares à adição de escalares.
Sejam dados cbarrr
e , , vetores quaisquer, então:
a) abbarrrr
+=+ (comutativa)
b) )()( cbacbarrrrrr
++=++ (associativa)
c) aarrr
=+ 0 (elemento neutro)
d) 0)(rrr
=−+ uu (elemento simétrico) 2.3.3 - Produto de um número real por um vetor É possível multiplicar um vetor por um número real. O produto de um número real ou escalar diferente de zero por um vetor mantém a mesma direção do vetor original, enquanto que a direção e o módulo dependem do número real. O novo vetor diminui, aumenta de tamanho e até pode mudar o sentido se o número tiver sinal negativo, preservando a mesma direção. Exemplo 1 Seja a
r o vetor dado, podemos multiplicar este por números reais conforme representado na figura 2.14.
Figura 2.14: Produto de um vetor por um número real
A multiplicação de vetores também tem suas propriedades. Seja ar
2.4 - Vetores como combinação linear dos vetores da base ortogonal i, j e k; Até agora tratamos os vetores exclusivamente do ponto de vista geométrico, como segmento de reta orientado.
Os vetores também podem ser associados com os sistemas de coordenadas do plano )( 2R e do espaço )( 3R .
a) Vetores no plano )( 2R Para representar vetores no plano, podemos utilizar como base os vetores cujas origens são a origem do plano
cartesiano xy e extremidades os pontos )0,1( e )1,0( , conhecidos respectivamente como vetores ir
e jr
, as vezes simplesmente representados por i e j, conforme a figura 2.15.
Figura 2.15: Vetores da base ortogonal ir
e jr
Observação: A base formada pelos vetores ir
e jr
é chamada de base canônica que é particularmente importante por estar associada à representação cartesiana usual da geometria plana. Os vetores e os pares ordenados compartilham os mesmos pontos do plano cartesiano.
Conhecidos os vetores ir
e jr
, de módulo 1, qualquer vetor vr
do plano cartesiano pode ser decomposto
segundo as direções de ir
e jr
, ou seja, temos que determinar dois vetores cujas direções sejam ir
e jr
, e cuja
soma seja vr
. Considerando a multiplicação de um vetor por um escalar (número real), podemos indicar o vetor
vr
como a soma dos vetores ir
e jr
multiplicados pelos escalares a e b convenientes.
Temos então, o vetor jbiavrrr
+= , que pode ser representado no plano usando as projeções ortogonais das
extremidades de vr
sobre os eixos coordenados x e y, determinando ali os componentes escalares a e b, da representação vetorial. A figura 2.16 ilustra essa decomposição.
Alguns softwares matemáticos permitem fazer cálculos com vetores e representá-los graficamente. Entre eles
estão o Derive, já comentado, e o GeoGebra, um software gratuito que relaciona a geometria plana com a
álgebra e o cálculo. O GeoGebra pode ser obtido fazendo download da versão 2.6b do site www.geogebra.at e é
constituído de duas janelas paralelas, uma gráfica e outra algébrica, e uma barra de entrada de dados na parte
inferior da interface. É um software de geometria dinâmica cuja principal característica é a possibilidade de
“arrastar” os objetos construídos (com o ponteiro) preservando suas propriedades e atualizando suas
características. Com vetores é possível, entre outras, representar, adicionar, subtrair e multiplicar vetores,
calcular vetor unitário e vetores perpendiculares. Para representar os vetores é conveniente exibir os eixos
coordenados e a malha, para melhor visualização.
Faça o download do programa, instale-o, faça a exploração básica de suas funções e utilize-o.
b) Vetores no espaço tridimensional )( 3R
Quando estivermos tratando com vetores no espaço tridimensional, vamos utilizar como base os vetores cujas origens são a origem do plano cartesiano xyz e extremidades os pontos )0,0,1( , )0,1,0( e )1,0,0( , constituindo os
vetores ir
, jr
e kr
, denominada base canônica, representados na figura 2.22. Alguns autores utilizam simplesmente i, j e k.
do espaço tridimensional pode ser decomposto segundo as direções de
ir
e jr
e kr
, ou seja, podemos determinar três vetores cujas direções sejam ir
, jr
e kr
, e cuja soma seja vr
.
Considerando a multiplicação de um vetor por um escalar (número real), podemos indicar o vetor vr
como a
soma dos vetores ir
, jr
e kr
multiplicados pelos escalares a, b e c convenientes.
Similar aos vetores no plano, temos o vetor kcjbiavrrrr
++= , que pode ser representado no sistema cartesiano
xyz usando as projeções ortogonais das extremidades de vr
sobre os eixos coordenados x, y e z, determinando ali os componentes escalares a, b e c, da representação vetorial. A figura 2.23 ilustra essa decomposição.
Figura 2.23: Componentes de um vetor vr
no espaço tridimensional )( 3R
Assim, qualquer vetor no espaço xyz pode ser expresso em função da base padrão ir
, jr
e kr
.
Um vetor tridimensional kcjbiavrrrr
++= pode ser representado genericamente por uma tripla ordenada:
kcjbiavrrrr
++= pode ser representado por ),,( cbav =r
ou cbav ,,=r
As operações com vetores no )( 3R são realizadas tal como no plano. Exemplo 5
O módulo, ou magnitude, ou norma, ou comprimento de um vetor vr
, representado por vr
é o comprimento de
qualquer um dos seus representantes e é calculado pela fórmula da distância entre dois pontos no plano, ou seja, a distância entre a origem 0 e a extremidade do vetor.
Se ),( bajbiav =+=rrr
é um vetor bidimensional como na figura 2.25, e aplicando o teorema de
Pitágoras no triângulo retângulo OAB formado, tem-se que: 222bav +=
r, logo 22 bav +=
r
Se ),,( cbakcjbiav =++=rrrr
é um vetor tridimensional, como na figura 2.26, tem-se dois triângulos retângulos: OAB e OBC. Aplicando o teorema de Pitágoras no triângulo OAB, obtém-se que
222baOB += e no triângulo OBC tem-se que 222
cOBv +=r
.
Substituindo ter-se-á: 2222cbav ++=
r
E assim, 222 cbav ++=r
Figura 2.25: Vetor bidimensional. Figura 2.26: Vetor tridimensional
Exemplo 8
Se )4,1(=wr
e )1,2,2( −=mr
, calcule wr
e mr
.
1741 22 =+=wr
391)2(2 222 ==+−+=mr
2.6 - Vetor unitário ou versor de um vetor Se tomarmos qualquer vetor diferente do vetor nulo, e dividirmos pelo seu módulo, teremos um novo vetor de mesma direção e sentido, seu módulo será igual a 1. Este vetor representa a unidade do vetor considerado para o
problema. Assim para o vetor vr
, diferente do vetor nulo, o seu versor ou vetor unitário será v
= pode ser obtido calculando primeiro o módulo do vetor vr
:
3944122)1( 222 ==++=++−=vr
Logo:
−=
−==
3
2,
3
2,
3
1
3
)2,2,1(
v
vu r
rr
Podemos verificar se o módulo do vetor obtido é realmente 1, calculando vr
:
119
9
9
4
9
4
9
1
3
2
3
2
3
1222
===++=
+
+
−=u
r
Observação: Os vetores i
r, jr
e kr
são exemplos de versores ou vetores unitários. Exemplo 10
Determine o versor ur
do vetor )4,1(=wr
a) O módulo do vetor 1741 22 =+=wr
Sendo w
wu r
rr
= , temos que
===
17
4,
17
1
17
)4,1(
w
wu r
rr
.
Se houver necessidade de conferir o módulo do vetor u
r obtido, fazemos:
1117
17
17
16
17
1
17
4
17
122
===+=
+
=u
r
2.7 – Produto de Vetores Nesta seção trataremos dos produtos de vetores, denominados produto escalar, produto vetorial e produto misto, bem como a interpretação geométrica destes produtos. 2.7.1 - Produto escalar
constante que atua sobre um corpo e este corpo sofre um deslocamento
dr
, o produto interno entre a força fr
e o deslocamento dr
, e se representa por w , é o trabalho w realizado para mover o corpo.
O autor exemplifica com uma situação em que um corpo de massa m se move sob ação de uma força fr
, que forma um ângulo α com a direção do movimento. O corpo parte da posição A para a posição B, conforme a
figura 2.27. Usando conceitos da Física estabelece que o trabalho )(w da força fr
é dado por
αcosdfwrr
⋅= , que é caracterizado por um produto de dois vetores, denominado produto escalar.
Figura 2.27: Trabalho de uma força Matematicamente o produto escalar ou interno de dois vetores u
r e v
r representa um número que é expresso
por:
αcos⋅⋅=• vuvurrrr
, onde α é a medida do ângulo formado entre os vetores ur
e vr
, e 00 1800 ≤≤ α .
Graficamente pode ser representado como na figura 2.28.
Figura 2.28: Produto escalar
Podemos observar na figura 2.25 que αcosvr
é exatamente o comprimento da projeção do vetor vr
sobre ur
.
Propriedades do produto escalar
Quaisquer que sejam os vetores u
r, vr
, wr
e Rm ∈ , temos:
I) uvvurrrr
•=• II) wuvuwvu
rrrrrrr•+•=+• )(
III) )()()( vmuvumvumrrrrrr
•=•=• Para realizar o produto escalar de dois vetores consideramos suas componentes cartesianas e as propriedades já relacionadas, conforme apresentamos a seguir:
432 +−= forma com os eixos coordenados x, y e z. Resolução: Devemos achar primeiramente o módulo do vetor m
r, para depois calcular os cossenos dos ângulos
δβα e , e finalmente, os ângulos.
294)3(2 222 =+−+=mr
o
m
x2,68371,0arccos371,0cos
29
2cos ≅⇒=⇒=⇒== αααα r
o
m
y8,123)557,0arccos(557,0cos
29
3cos ≅⇒−=⇒−=⇒
−== ββββ r
o
m
z0,42743,0arccos743,0cos
29
4cos ≅⇒=⇒=⇒== δδδδ r
2.7.2 - Produto vetorial O que significa produto vetorial? Na física o produto vetorial representa o torque τ , para os engenheiros significa momento. Torque é uma palavra que vem do latim e significa torcer, pode ser identificada como a ação de girar ou de torcer de uma força. Vamos partir da seguinte situação: Na hora que usamos o saca-rolha para abrir uma garrafa de vinho estamos
aplicando uma força fr
sobre ele, fazendo-o girar para penetrar na rolha conforme figura 2.32. Na figura, o
braço do saca-rolha, que vai do centro até a extremidade, é chamado de alavanca e corresponde a um vetor rr
.
Definimos o módulo do vetor torque τr
como sendo o produto do vetor comprimento rr
e a intensidade da
força fr
pelo seno do ânguloα formado entre fr
e rr
, sendo que fr
e rr
estão no mesmo plano.
Assim sendo ατ senfrrrr
= .
O vetor torque τr
é perpendicular a fr
e rr
. É expresso pela equação frrrr
×=τ , a qual define como produto vetorial. Na situação inversa, de retirar o saca-rolha, a ação dos vetores se dá conforme a figura 2.33, ou seja,
frrrr
×−=τ . Figura 2.32: Forças num saca-rolha1 Figura 2.33: Forças num saca-rolha 2 A partir desta idéia, podemos definir produto vetorial ou externo.
, não paralelos entre si, o produto vetorial ou externo, é um terceiro vetor que apresenta as seguintes características:
1- A direção do vetor vu
rr× é perpendicular aos vetores u
r e v
r;
2- Os sentidos dos vetores vurr
, e vurr
× nesta ordem formam um triedro positivo; ou seja, se
observado a partir de vurr
× ,conforme figura 2.34, ur
está situado a direta e vr
a esquerda.
3- Seu módulo é ,senαvuvurrrr
=× onde α é a medida do ângulo entre ur
e vr
.
Figura 2.34: Produto vetorial Produto vetorial nulo
O produto vetorial é nulo, ,0rrr
=× vu quando um dos vetores for nulo ou quando os dois vetores forem
paralelos, isto é 0=αsen , ou seja, 00=α ou 0180 . Vetores paralelos Podemos tratar da condição de paralelismo de dois vetores
Sejam 0rr
≠u e 0rr
≠v . Os vetores ),,( 111 cbau =r
e ),,( 222 cbav =r
são paralelos, se acontecer a
condição vmurr
= , isto é, ),,(),,( 222111 cbamcba = , ou ),,(),,( 222111 mcmbmacba = .
Donde vem que: 21 maa = , 21 mbb = e 21 mcc = , consequentemente, 2
1
a
am = ;
2
1
b
bm = e
2
1
c
cm = , logo
2
1
2
1
2
1
c
c
b
b
a
a== é uma condição de paralelismo.
Observação: Se uma das componentes do vetor for zero então para que os vetores sejam paralelos a componente correspondente também terá que ser igual a zero. Exemplo 1 Verificar se os vetores )4,1,2( −=u
Digamos que fosse possível ficar em pé na posição do versor kr
, a sua direita estaria o versor ir e a sua
esquerda o versor jr
.
Figura 2.36: Triedro positivo Figura 2.37: Circunferência do produto vetorial Na prática, podemos utilizar a circunferência ou a regra da mão direita para efetuar o produto externo de dois desses versores. Na circunferência, figura 2.37, o resultado é o versor faltante, de sinal positivo se no sentido anti horário, negativo se no sentido horário. Exemplo 3:
a) kjirrr
=×
b) jkirrr
−=×
c) ijkrrr
−=×
d) jikrrr
=×
Exemplo 4:
Casos particulares
Por serem paralelos 0rrr
=× ii , 0rr
=× jj e 0rrr
=× kk . Regra da mão direita
Podemos também aplicar a regra da mão direita para determinar o sentido do produto vetorial de dois vetores não nulos: colocamos a mão sobre o primeiro vetor u
r fechamos
para cima do vetor vr
, o polegar indica o sentido do vetor resultante do produto de vurr
Devemos mostrar que o produto misto 0)( =ו wvurrr
=
−
−
−−
=ו
232
011
112
)( wvurrr
156202304
)1).(1).(2()2.(0.31.1.23).1.(12.0).1()2.(1.2
=−=+−−−+=
=−−−−−−−−+−+−−=
Logo, como 01)( ≠=ו wvu
rrr, os vetores não são coplanares.
3) Determine o valor do componente x do vetor ar
para que vetores ar
, br
e cr
sejam coplanares, sendo dados
kxjiarrrr
−+−= 32 , kjibrrrr
32 −+−= e kjicrrrr
−+= 2 .
Se os três vetores são coplanares o produto misto 0)( =ו cbarrr
. Podemos escrever:
0
112
321
32
)( =
−
−−
−−
=ו
x
cbarrr
5
23
235
0235
0364184
03)1()1()2()3(1)(221)1()(2)3(3)1(22
0
112
321
32
=
=
=−
=−−++−
=⋅−⋅−−−⋅−⋅−−⋅⋅−⋅−⋅−+⋅−⋅+−⋅⋅−
=
−
−−
−−
x
x
x
xx
xx
x
Interpretação Geométrica do módulo do produto vetorial A interpretação geométrica do módulo do produto vetorial pode ser entendida a partir de um paralelogramo construído sobre dois vetores, conforme a figura 2.40.
Figura 2.40: Interpretação do módulo do produto vetorial O paralelogramo da figura 2.40, tem a área definida como o produto da medida da base b pela sua altura h, o seja hbAp ×= .
A base b do paralelogramo corresponde ao módulo do vetor ur
, ou seja, ubr
= , assim, a área pode ser:
huÁreaABCD
r= , onde αα senvh
v
hsen
rr =⇒=
Substituindo, temos:
αsenvuÁreaABCD
rr=
A expressão obtida corresponde ao produto vetorial de dois vetores ur
e vr
, definido anteriormente,
αsenvuvurrrr
=× .
Concluímos que o módulo do produto vetorial de dois vetores corresponde área do paralelogramo obtido pelas projeções paralelas aos vetores a partir dos seus vértices conforme a figura 2.40.
Logo: vuÁreaABCD
rr×=
Exemplo 1:
Calcule a área do paralelogramo cujos lados são construídos com os vetores ar
3 e barr
+ , onde )3,2,1( −−=ar
e
)4,1,0( −−=br
. Como o módulo do produto vetorial de dois vetores corresponde a área do paralelogramo construído sobre estes vetores, podemos considerar que:
( ) ( )baaAP
rrr+×= 3
Inicialmente determinamos os vetores ar
3 e barr
+ .
)7,1,1()4,1,0()3,2,1(
)9,6,3()3,2,1(33
−−=−−+−−=+
−−=−−⋅=
ba
arr
r
)3,30,33(33033
21963942
711
963)()3(
−=++−=
=+++−++−=
−−
−−=+×
kji
jikkji
kji
baa
rrr
rrrrrr
rrr
rrr
Como ( ) ( )baaAP
rrr+×= 3 , precisamos ainda calcular o módulo do vetor obtido:
Calcule a área do triangulo de vértices ),0,2,1(−A )1,4,1( −B e )3,2,0( −−C . O triângulo está situado no espaço tridimensional e pode ser representado de modo simplificado pela figura 2.41.
Figura 2.41: Triângulo de vértices ABC Da geometria elementar sabemos que a área de um triangulo é igual a medida da área de um paralelogramo dividido por dois, conforme a figura 2.42. Assim podemos propor que a área do triângulo ABC corresponde à
metade do módulo do produto vetorial dos dois vetores AB e AC que determinam o paralelogramo.
Logo, 2
ACABAABC
×=
Figura 2.42: Paralelogramo e triângulo Como não temos os vetores, temos que determiná-los a partir dos pontos que determinam os vértices, ou seja,
AB e AC .
kjiACAC
kjiABABrrr
rrr
34)3,4,1()0,2,1()3,2,0(
62)1,6,2()0,2,1()1,4,1(
−−=−−=−−−−=−=
+−=−=−−−=−=
Como 2
ACABAABC
×= , calculamos inicialmente o produto vetorial ACAB× .
Interpretação geométrica do módulo do produto misto A interpretação geométrica do módulo de um produto misto é desenvolvida a partir do cálculo do volume de um paralelepípedo construído sobre os três vetores que o compõem, conforme a figura 2.43.
Figura 2.43: Interpretação do módulo do produto misto. Para calcular o volume do paralelepípedo )( PPV utilizamos, da geometria espacial, que hAbVPP ⋅= Vimos anteriormente que a área da base do paralelepípedo, que é um paralelogramo, é dado pelo módulo do
produto vetorial dos vetores vr
e wr
, ou seja, wvAbrr
×= .
Na figura 2.43 observamos que αα cos cos ⋅=⇒= uhu
h rr
Como hAbVPP ⋅= , podemos escrever que αcos⋅⋅×= uwvVPP
rrr ou αcoswvuVPP
rrr×= .
A expressão obtida é igual ao produto misto de três vetores, αcos)( wvuwvurrrrrr
×=ו , logo:
)( wvuVPP
rrrו= , que corresponde ao volume do paralelepípedo.