NOTAS DE AULA
Geometria Analítica e
Álgebra Linear
Capítulo 2
Professor: Luiz Fernando Nunes
Geometria Analítica e Álgebra Linear ii
Índice
2 Vetores .................................................................................................................. 2-1 2.1 Definições ...................................................................................................... 2-1 2.2 Operações com vetores .................................................................................. 2-3
2.2.1 Adição ...................................................................................................... 2-3 2.2.2 Multiplicação de número real por vetor ................................................... 2-5 2.2.3 Produto escalar ou produto interno ........................................................ 2-10 2.2.4 Produto vetorial ou produto externo ...................................................... 2-12 2.2.5 Produto misto ......................................................................................... 2-16
2.3 Exercícios sobre vetores .............................................................................. 2-18 2.4 Referências Bibliográficas ........................................................................... 2-19
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-1
2 Vetores
2.1 Definições
Definição 1
Um segmento orientado é um par ordenado BA, de pontos do espaço. A é dito
origem, e B extremidade do segmento orientado. Os segmentos orientados da forma AA,
são ditos nulos. Observe que se BA então ABBA ,, .
Definição 2
Dizemos que os segmentos orientados BA, e DC, têm o mesmo comprimento se
os segmentos geométricos AB e CD têm o mesmo comprimento.
Supondo BA, e DC, não nulos, então dizemos que BA, e DC, têm mesma
direção se AB // CD. Neste caso BA, e DC, são paralelos.
Supondo que BA, e DC, têm mesma direção, então:
a) Se as retas AB e CD são distintas, dizemos que BA, e DC, têm mesmo sentido
caso os segmentos AC e BD tenham interseção vazia. Caso BDAC , dizemos
que BA, e DC, têm sentido contrário.
b) Se as retas AB e CD coincidem, tome ´´,BA tal que A não pertença à reta AB e
´´,BA tenha mesma direção e mesmo sentido que BA, . Então dizemos que
dizemos que BA, e DC, têm mesmo sentido se ´´,BA e DC, têm mesmo
sentido. Se não, dizemos que BA, e DC, têm sentido contrário.
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-2
Verifique que BA, e AB, têm mesmo comprimento, mesma direção e sentido
contrário, sendo BA .
Definição 3
Dizemos que os segmentos orientados BA, e DC, são eqüipolentes, e indica-se
BA, ~ DC, , se um dos casos seguintes ocorrer:
a) ambos são nulos;
b) nenhum é nulo, e têm mesmo comprimento, mesma direção e mesmo sentido.
Definição 4
Um vetor é uma classe de segmentos eqüipolentes.
Nas figuras, as flechas representam um mesmo vetor, o qual será indicado por AB ,
´´ AB , ou ´´´´ AB , de modo que AB = ´´ AB = ´´´´ AB . Costuma-se indicar AB
também por AB , ou então por uma letra latina minúscula com uma flecha em cima, como u
.
Desta forma temos que ABu
AB .
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-3
Observações:
O tamanho (intensidade ou comprimento) de um vetor u
é indicado por u
e
chama-se norma de u
. Se 1u
dizemos que o vetor é unitário. Alguns
autores utilizam para a norma de u
a notação u
.
O vetor BA é chamado de vetor oposto do vetor AB . Assim, AB e BA só
diferem entre si no sentido (se BA ). O vetor oposto do vetor AB é indicado
também por AB ; o vetor oposto de u
é u
.
O vetor nulo pode ser representado por AAAA 0
. Tem-se ainda que
00
e 00
.
Se u
e v
tem mesma direção, dizemos que eles são vetores paralelos e
indicamos por u
// v
.
Dizemos que u
e v
são ortogonais, se uma flecha que representa u
faz ângulo
reto com uma flecha que representa v
. Notação u
v
.
2.2 Operações com vetores
2.2.1 Adição
Sejam os vetores ABu
e BCv
, então ACBCABvu
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-4
Propriedades da adição de vetores
(A1) Propriedade Associativa:
wvuwvu
(A2) Propriedade Comutativa:
uvvu
(A3) Elemento Neutro:
uuu
00
(A4) Elemento Oposto:
0
uu
Ilustração da propriedade associativa (A1):
Exemplos
1. Encontre o vetor soma dos vetores destacados nas figuras que seguem:
ABDBCDAC
ABEBDECDAC
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-5
0
ABEADECDBC
Observação:
Podemos também definir a diferença entre vetores como:
vuvu
Exemplo
2. Dados os vetores u
e v
destacados no paralelepípedo que segue, identifique na figura
um representante para o vetor vu
:
2.2.2 Multiplicação de número real por vetor
Dado um vetor v
e um número real , definimos o vetor v , como:
Se 0 ou 0
v , então 0
v ;
Se 0 e 0
v , então v é o vetor tal que:
v é paralelo a v
;
v e v
tem mesmo sentido se 0 ;
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-6
v e v
tem sentido contrário se 0 ;
A norma de v é vv
.
Exemplos
3. Na sequência são apresentados alguns casos de produto de vetor por número real:
a) Para 02 :
b) Para 02 :
c) Para 03
1
Proposição
Se u
e v
são paralelos e 0
u , existe tal que uv .
Exemplos
4. Sejam u
e v
paralelos, 30u
e 50v
. Sendo uv , determine nos
casos:
a) u
e v
têm mesmo sentido.
b) u
e v
têm sentido contrário.
uv
uuv
3
5
u
v
. Logo 3
5 .
Assim, u
e v
têm mesmo sentido se 3
5 , e u
e v
tem sentido contrário se
3
5 .
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-7
5. É dado um vetor 0
u . Determine um vetor v
de tamanho 3, paralelo a u
e de
mesmo sentido que ele.
Então temos que uv , com 0 .
uv
uuv
uu
v
3
. Como 0 , temos que u3
.
Substituindo este valor de em uv , obtemos:
u
uu
uvuv
33
Logo u
uv
3
Definição
Dado um vetor 0
u , chama-se versor do vetor u
, um vetor unitário, paralelo e de
mesmo sentido que u
.
Exemplo
6. Dado um vetor 0
u , mostre que o versor de u
é u
u
.
Chamando de v
ao versor de u
, temos que uv , com 0 .
uv
uuv
uu
v
1
. Como 0 , temos que u1
.
Substituindo este valor de em uv , obtemos:
u
uu
uvuv
1
Logo u
uv
.
Propriedades da multiplicação de número real por vetor
(M1) vuvu
(M2) vvv
(M3) vv
1
(M4) vvv
Definição
Sejam nvvvv
,.....,,, 321 vetores do 3 , 1n e n ,.....,,, 321 . Chama-se
combinação linear dos vetores nvvvv
,.....,,, 321 , com coeficientes n ,.....,,, 321 , ao
vetor: nn vvvvv .....332211 .
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-8
Definição
Uma base do 3 é uma tripla ordenada de vetores 321 ,, eee
do 3 , tais que não
existe nenhum plano paralelo simultaneamente aos vetores 321 e, eee
.
Proposição
Dado um vetor qualquer 3v
, existe uma única tripla ordenada 321 ,, , tal
que 332211 eeev .
Assim, na figura anterior temos:
11 eOR , 22 eOS
e 33 eOT
Sendo 321 ,, eeeE
uma base do 3 , escreve-se:
332211 eeeOPv =
E321 ,, .
7. Sendo Eu 4,1,1
e Ev 5,3,1
, calcule: vu 32 , na base 321 ,, eeeE
.
vu 32 = EEEEE 7,7,515,9,38,2,25,3,134,1,12
Ou seja, vu 32 = 321 775 eee
.
8. Sendo Eu 1,4,1
e E
bav
2
1,,
e Ecacw 2,,1
, e sabendo que
uwv
2 , calcule os valores de a, b e c.
Resposta: a= 1 , b=2 e c=0
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-9
Proposição
Seja 321 ,, eeeE
uma base do 3 . Dados os vetores 321 e, fff
, podemos
escrever:
3213
3212
3211
eteserf
epenemf
ecebeaf
.
Então 321 ,, fff
é uma base, se e somente se: 0det
tsr
pnm
cba
.
9. Sendo E uma base, verifique se 321 ,, fff
é uma base nos casos:
a) Ef 2,1,01
, Ef 4,0,02
e Ef 5,1,13
Resposta: Sim.
b) Ef 3,2,01
, Ef 2,1,12
e Ef 7,7,13
Resposta: Não.
Definição
Uma base 321 ,, eeeE
é ortonormal se 321 e, eee
são versores, dois a dois
ortogonais. ( 1321 eee
).
Proposição
Seja 321 ,, eeeE
uma base ortonormal. Se 332211 eeev , então:
23
22
21 v
.
10. Seja 321 ,, eeeE
uma base ortonormal. Sendo Eu 2,1,0
e Ev 6,4,2
,
calcule:
a) u
Resposta: 5
b) v
Resposta: 56
c) vu
Resposta: 45
d) vu 2 Resposta: 261
e) vu
2
1 Resposta: 27
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-10
2.2.3 Produto escalar ou produto interno
Sendo u
e v
vetores, definimos o número real vu , do seguinte modo:
i) Se 0
u ou 0
v , então 0vu
(zero)
ii) Se 0
u e 0
v , então cosvuvu
, onde é o ângulo convexo entre os
vetores u
e v
. ( 0 ).
11. Se 0vu
, pode-se concluir que 0
u ou 0
v ?
Não! Pois, 0 vuvu
.
Proposição
Se E
u 321 ,,
e E
v 321 ,,
e 321 ,, eeeE
é uma base ortonormal,
então: 332211 vu
.
Demonstração
Da Lei dos Cossenos temos que:
cos2222
vuvuQP = vu 22
322
21
23
22
21 ( I )
Mas temos também que:
2
332211
22
,, vuQP = 2
332
222
11
33221123
22
21
23
22
21 2 ( II )
Igualando ( I ) com ( II ), obtemos:
vu 22
322
21
23
22
21 =
33221123
22
21
23
22
21 2
Logo concluímos que 332211 vu
.
Observação
Seja 321 ,, eeeE
uma base ortonormal. Se 332211 eeeu , então:
23
22
21 u
uu
2uuu
Assim, uuu
2uuu
.
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-11
12. Seja 321 ,, eeeE
uma base ortonormal. Sendo Eu 5,1,1
e Ev 1,4,2
,
calcule:
a) vu
7154121 vu
b) u
27551111 u
c) v
21114422 v
d) o ângulo entre u
e v
cosvuvu
cos21277
2127
7cos
arc
13. Seja 321 ,, eeeE
uma base ortonormal. Sendo Eu 1,4,1
e Ev 8,1,0
,
calcule:
a) uvu2 Resposta: 32
b) vuvu
Resposta: 47
14. Seja 321 ,, eeeE
uma base ortonormal. Sendo Eu 0,1,3
e Ev 0,32,2
,
calcule o ângulo convexo entre os vetores u
e v
. Resposta: 6
rad
Propriedades do produto escalar
(PE1) wuvuwvu
e wvwuwvu
(PE2) vuvuvu
(PE3) uvvu
(PE4) 0uu
; 00
uuu
15. Prove:
a) 222
2 vvuuvu
Lembrando que uuu
2uuu
, temos que:
vvvuuuvuvuvu 22 22
2 vvuu
b) 222
2 vvuuvu . Analogamente, temos:
vvvuuuvuvuvu 22 22
2 vvuu
c) vuvu (Desigualdade de Schwarz)
cosvuvu
cosvuvu
vuvu
cos
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-12
d) vuvu (Desigualdade Triangular)
222
2 vvuuvu 22
2 vvuu
22
2 vvuu
2
vu 2
vu
2
vu vuvu
2.2.4 Produto vetorial ou produto externo
Se u
// v
, então, por definição o produto vetorial (ou produto externo) de u
por v
é o
vetor nulo. Notação: 0
vu ou 0
vu .
Se u
e v
não são paralelos, então vu
é um vetor com as seguintes características:
a) senvuvu
; onde é o ângulo entre os vetores u
e v
.
b) vu
é ortogonal a u
e a v
;
c) o sentido de vu
pode ser dado pela regra da mão direita:
Assim, nas figuras que seguem tem-se: wvu
e wuv
A regra da mão direita pode ser melhor observada nas figuras que seguem, onde o
polegar indica o sentido do vetor oriundo do produto vetorial:
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-13
Observação
Se 321 ,, eeeE
é uma base ortonormal, então 321 eee
ou 321 eee
.
Temos ainda que 11112
sen2121
eeee
Definição
Uma base ortonormal chama-se dextrógira se 321 eee
e levógira se
321 eee
.
Observação
Se kjiE
,, é uma base ortonormal dextrógira, então temos que:
kji
jik
ikj
jki
ijk
0
ii , etc.
Exemplo
16. Apresente os vetores kji
e, na base kjiE
,, .
Resposta: Ei 0,0,1
, Ej 0,1,0
e Ek 1,0,0
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-14
Propriedades do produto vetorial
(PV1) wuvuwvu
ou wvwuwvu
(PV2) vuvuvu
(PV3) uvvu
Proposição
Se kjiE
,, é uma base ortonormal dextrógira, e se Ecbau ,,
e Epnmv ,,
,
então:
pnm
cba
kji
vu
det .
Demonstração:
vu kpjnimkcjbia
kiapjianiiam
kjbpjjbnijbm
kkcpjkcnikcm
icnjcmibpkbmjapkan
kbmanjcmapicnbp
k
nm
baj
pm
cai
pn
cb detdetdet
pnm
cba
kji
det
Exemplos
17. Sendo kjiE
,, uma base ortonormal dextrógira, Eu 3,1,1
e Ev 4,1,1
,
calcule vu
:
kji
kji
vu
27
411
311det
.
18. Sendo kjiE
,, uma base ortonormal dextrógira, calcule vu
nos seguintes
casos:
a) Eu 0,1,2
e Ev 2,3,1
Resposta: E7,4,2
b) Eu 1,1,2
e Ev 4,5,2
Resposta: E8,10,9
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-15
19. Obtenha x
tal que kjx
e 5x
, sendo kjiE
,, uma base ortonormal
dextrógira.
Resolução:
kcjbiax
jx
kcba
kji
010
det kicka
a = 1 e c = 0.
Mas 5x
522 ba 51 22 b 51 22 b 2 b
Logo jix 2
20. Obtenha x
tal que 0 jix
e kikix
2
12 , sendo kjiE
,, uma
base ortonormal dextrógira.
Resolução:
kcjbiax
0 jix
bacba 0011
kikix
2
12
201
det caa
kji
ki
2
1
kajacia 22 ki
2
1
2
112 aa
102
1202 ccac
Logo kjix
2
1
2
1
21. Obtenha x
tal que ux
, vx
e 10x
, sabendo que kjivu 224 ,
sendo kjiE
,, uma base ortonormal dextrógira.
Resolução:
52241222 vu
Sabemos que vux
vux
2510
Logo x
kjivu 22422 = E24,8,2
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-16
22. Obtenha x
tal que Ex 1,1,1
, Ex 3,1,2
e 6x
, sendo kjiE
,, uma base
ortonormal dextrógira. Resposta: E1,1,2
Interpretação geométrica do produto vetorial
Assim, a área do paralelogramo que tem veu
como lados é a norma do produto
vetorial destes vetores, isto é vuS
.
2.2.5 Produto misto
Dados os vetores u
, v
e w
, o produto misto destes 3 vetores é um número real
representado por wvu
ou wvu
,, . (Efetua-se primeiro o produto vetorial)
Nulidade do produto misto
Dados os vetores u
, v
e w
, o produto misto destes 3 vetores wvu
= 0 se:
i) Pelo menos um destes vetores for nulo; ou
ii) u
// v
(pois neste caso 0
vu ), ou
iii) Os três vetores são coplanares.
Proposição
Se kjiE
,, é uma base ortonormal dextrógira, e se Ecbau ,,
, Epnmv ,,
e
Etsrw ,,
, então: wvu
tsr
pnm
cba
det .
Demonstração:
Sabemos que
pnm
cba
kji
vu
det = k
nm
baj
pm
cai
pn
cb
detdetdet
Logo vu
Enm
ba
pm
ca
pn
cb
det,det,det . Então
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-17
wvu
=
t
nm
bas
pm
car
pn
cbdetdetdet
tsr
pnm
cba
det
23. Calcule o produto misto dos vetores Eu 1,2,1
, Ev 1,0,1
e Ew 3,2,1
, sendo
kjiE
,, é uma base ortonormal dextrógira.
Resolução:
wvu
tsr
pnm
cba
det 4
321
101
121
det
Propriedades do produto misto
(PM1) wvuwvuwvuu
,,,,,, 2121
wvuwvuwvvu
,,,,,, 2121
2121 ,,,,,, wvuwvuwwvu
(PM2) wvuwvuwvuwvu
,,,,,,,,
(PM3) O produto misto wvu
,, muda de sinal permutando-se dois vetores:
uwvwuvwvu
,,,,,,
vuwuvwwvu
,,,,,,
vuwvwuwvu
,,,,,,
(PM4) O produto misto não se altera se permutarmos os símbolos e
wvu
= wvu
Interpretação geométrica do produto misto
Assim, o volume do sólido do paralelepípedo da figura anterior é
coswvuV
= wvu
24. Calcule o volume do paralelepípedo determinado pelos vetores Eu 4,1,2
,
Ev 3,1,2
e Ew 1,4,5
, sendo kjiE
,, é uma base ortonormal dextrógira.
Resposta: V= 39
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-18
2.3 Exercícios sobre vetores
Considere em todos estes exercícios kjiE
,, uma base ortonormal dextrógira.
25. Determine x, sabendo que os vetores são paralelos, nos casos:
a) Eu 10,3,1
, Exv 20,,2
b) Exu ,2,0
, Ev 6,3,0
c) kjiu
32 e kjixv 39
26. Calcular a para que os vetores sejam coplanares, nos casos:
a) Eu 0,3,1
, Ev 14,1,2
e Eaw ,4,3
Resposta: a = 14
b) jiau 3 , kjav
e kjiw
Resposta:
2
131a
27. Dados iu 2 , kjiv
e kjiw
662 , escrever, se possível, w
como combinação linear de u
e v
. Resposta: vuw 64
28. Dados Eu 0,0,2
, Ev 1,1,1
e Ew 2,6,2
, escrever, se possível, w
como
combinação linear de u
e v
.
Resposta: É impossível, pois estes três vetores não são coplanares.
29. Sendo wvu
e, coplanares, 2u
, 3v
, 4w
e o ângulo entre os vetores
vu
e é de 2
radianos, ache:
a) vu Resposta: 13
b) o versor de vu
Resposta: 13
vu
c) vuvu
Resposta: 5
30. Determinar o ângulo entre os vetores vu
e , sabendo-se que 0
wvu ,
2u
, 3v
, 4w
. Resposta: 4
1cosarc
31. Seja um paralelogramo construído sobre os vetores vu
e . Determinar o ângulo
entre as diagonais deste paralelogramo, sabendo-se que: 3u
, 1v e o ângulo
entre os vetores vu
e é de 6
radianos. Resposta:
7
72cosarc
32. Sabendo que Ev 1,1,1
, calcular o(s) vetor(es) Eu ,,
, que satisfaçam
simultaneamente as 3 condições abaixo:
a) iu
b) 0vu
c) 63 vu
Resposta: Eu 3,3,0
Geometria Analítica e Álgebra Linear 2-19
33. Determinar a área do paralelogramo construído sobre vu
e , cujas diagonais são:
Evu 5,3,0
e Evu 1,1,2
. Resposta: 35
34. Determinar vetorialmente o ângulo formado por duas diagonais de um cubo.
Resposta: 703
1cosarc
35. (Importante !) Expresse vetorialmente a projeção de um vetor v
sobre um vetor u
.
Resposta: uu
uvvproju
2
2.4 Referências Bibliográficas
1. BARSOTTI, Leo. Geometria Analítica e Vetores. 3.a Edição. Curitiba: Artes Gráficas e
Editora Unificado, 1984.
2. BOULOS, Paulo, CAMARGO, Ivan de. Geometria Analítica – Um tratamento Vetorial.
São Paulo: Makron Books do Brasil Editora Ltda, 1987.
3. BOULOS, Paulo, CAMARGO, Ivan de. Introdução à Geometria Analítica no Espaço.
São Paulo: Makron Books do Brasil Editora Ltda, 1997.
4. VENTURI, Jacir J. Sistemas de Coordenadas e Álgebra Vetorial. Curitiba: Artes Gráficas
e Editora Unificado, 1987.