Calculo Vetorial - Um resumo inteligente
Formatamos este livro em um conteúdo resumido, mas, didaticamente apresentado, na busca de facilitar a compreensão do leitor, contudo longe de ser o recurso final do aprendizado desta disciplina, que é ao mesmo tempo bela e complexa. Há de se tornar público que, face à nossa formação acadêmica e relacionamento profissional, o presente livro recebeu preponderante influência do livro Vetores e Geometria Analítica, do professor Paulo Winterle, o qual recomendamos a todos os alunos que aspiram a um aprofundamento e a um maior rigor no assunto. Críticas e sugestões hão de surgir. E serão bem-vindas. Resta-nos o consolo de ter envidado esforços para empregar utilmente o nosso tempo. “A censura que nos for feita – se faz oportuno Souza Pinto – há de ser mitigada pelo censor se ele chegar a ter consciência de nossa boa vontade em acertar”.
Formatamos este livro em um conteúdo resumido, mas, didaticamente apresentado, na busca de facilitar a compreensão do leitor, contudo longe de ser o recurso final do aprendizado desta disciplina, que é ao mesmo tempo bela e complexa.
Há de se tornar público que, face à nossa formação acadêmica e relacionamento profissional, o presente livro recebeu preponderante influência do livro Vetores e Geometria Analítica, do professor Paulo Winterle, o qual recomendamos a todos os alunos que aspiram a um aprofundamento e a um maior rigor no assunto.
Críticas e sugestões hão de surgir. E serão bem-vindas. Resta-nos o consolo de ter envidado esforços para empregar utilmente o nosso tempo. “A censura que nos for feita – se faz oportuno Souza Pinto – há de ser mitigada pelo censor se ele chegar a ter consciência de nossa boa vontade em acertar”.
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José Antônio Farias Coelho<br />
C Á L C U L O<br />
V E T O R I A<br />
<strong>Um</strong> <strong>resumo</strong> <strong>inteligente</strong><br />
L<br />
1ª Edição<br />
Fortaleza – Ceará<br />
2017
Copyright 2017. José Antônio Farias Coelho<br />
Revisão Ortográfica<br />
Marineide Meireles Nogueira<br />
Normalização e Padronização<br />
Luiza Helena de Jesus Barbosa<br />
Capa<br />
Janete Pereira do Amaral<br />
Programação Visual e Diagramação<br />
Janete Pereira do Amaral<br />
Revisão de ABNT<br />
Luiza Helena de Jesus Barbosa<br />
Dados Internacionais de Catalogação na Fonte<br />
C672c Coelho, José Antônio Farias<br />
Cálculo vetorial: um <strong>resumo</strong> <strong>inteligente</strong> / José<br />
Antônio Farias Coelho. Fortaleza: Centro Universitário<br />
Estácio do Ceará, 2017.<br />
92f.; 30cm.<br />
ISBN: 978-85-69235-10-1<br />
1. Cálculo <strong>Vetorial</strong> 2. Geometria analítica I. Coelho,<br />
José Antônio Farias II. Centro Universitário Estácio do<br />
Ceará<br />
CDD 515.63<br />
CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTÁCIO DO CEARÁ<br />
Pró-Reitoria de Pós-Graduação, Pesquisa e Extensão<br />
Núcleo de Publicações Acadêmico-Científicas
CONSELHO EDITORIAL<br />
Dra. Ana Cristina Pelosi Silva de Macedo – Universidade Federal<br />
do Ceará<br />
Ms. Ana Flávia Alcântara Rocha Chaves – Centro Universitário<br />
Estácio do Ceará<br />
Dra. Andrine Oliveira Nunes- Centro Universitário Estácio do<br />
Ceará<br />
Ms. Janete Pereira do Amaral - Centro Universitário Estácio do<br />
Ceará<br />
Ms. Joana Mary Soares Nobre - Centro Universitário Estácio do<br />
Ceará<br />
Dra. Kariane Gomes Cezario- Centro Universitário Estácio do<br />
Ceará<br />
Dra. Letícia Adriana Pires Ferreira dos Santos – Centro<br />
Universitário Estácio do Ceará, Universidade Estadual do Ceará,<br />
Universidade Federal do Ceará<br />
Dra. Marcela Magalhães de Paula- Embaixada do Brasil na Itália<br />
Dra. Maria Elias Soares – Universidade Federal do Ceará e<br />
Universidade Estadual do Ceará<br />
Ms. Maria da Graça de Oliveira Carlos – Centro Universitário<br />
Estácio do Ceará<br />
Dra. Margarete Fernandes de Sousa – Universidade Federal do<br />
Ceará<br />
Dra. Rosiléia Alves de Sousa – Centro Universitário Estácio do<br />
Ceará<br />
Dra. Suelene Silva Oliveira Nascimento - Universidade Estadual<br />
do Ceará<br />
Dr. Vasco Pinheiro Diógenes Bastos - Centro Universitário<br />
Estácio do Ceará<br />
____________________________________________________<br />
Núcleo de Publicações Acadêmico-Científicas<br />
Rua Vicente Linhares, 308 - Aldeota<br />
CEP: 60.135-270 - Fortaleza – CE - Fone: (85) 3456-4100<br />
www.publica-estaciofic.com.br
O AUTOR<br />
José Antônio Farias Coelho<br />
Graduado em Tecnologia da Construção Civil pela Universidade<br />
Estadual Vale do Acaraú (1990), cursou MBA em Comércio<br />
eletrônico na Universidade de Fortaleza (2004), Especialização em<br />
Gestão de APL na Universidade de Fortaleza (2010), Mestrado<br />
Acadêmico em Administração de Empresas na UECE (2013).<br />
Atualmente cursa Especialização em Metodologia do Ensino da<br />
Matemática na Estácio (2016).<br />
Professor do Centro Universitário Estácio do Ceará em cursos de<br />
graduação nas áreas de engenharia e arquitetura e pós-graduação.<br />
Presidente da Comissão organizadora da Semana de Engenharia da<br />
Unidade Centro do Centro Universitário Estácio do Ceará. Focal<br />
responsável pelo projeto Game Center do Centro Universitário<br />
Estácio do Ceará, membro da Comissão Própria de Avaliação –<br />
CPA.
PREFÁCIO<br />
Formatamos este livro em um conteúdo resumido, mas,<br />
didaticamente apresentado, na busca de facilitar a compreensão<br />
do leitor, contudo longe de ser o recurso final do aprendizado<br />
desta disciplina, que é ao mesmo tempo bela e complexa.<br />
Há de se tornar público que, face à nossa formação acadêmica<br />
e relacionamento profissional, o presente livro recebeu<br />
preponderante influência do livro Vetores e Geometria<br />
Analítica, do professor Paulo Winterle, o qual recomendamos a<br />
todos os alunos que aspiram a um aprofundamento e a um<br />
maior rigor no assunto.<br />
Críticas e sugestões hão de surgir. E serão bem-vindas. Restanos<br />
o consolo de ter envidado esforços para empregar<br />
utilmente o nosso tempo. “A censura que nos for feita – se faz<br />
oportuno Souza Pinto – há de ser mitigada pelo censor se ele<br />
chegar a ter consciência de nossa boa vontade em acertar”.
SUMÁRIO<br />
1 VETORES ............................................................................. 3<br />
1.1 Operações com vetores .............................................. 5<br />
1.2 Ângulo entre vetores ................................................. 7<br />
1.3 Exercícios Resolvidos ............................................... 17<br />
2 PRODUTO DE VETORES ..................................................... 1<br />
2.1 Produto Escalar ........................................................... 1<br />
2.2 Ângulo entre dois vetores ........................................... 2<br />
2.3 Produto <strong>Vetorial</strong> ......................................................... 2<br />
2.4 Produto Misto ............................................................. 4<br />
2.5 Exercícios Resolvidos .................................................. 6<br />
3 RETAS ................................................................................. 9<br />
3.1 Equação Paramétrica da Reta ................................... 10<br />
3.2 Exercícios Resolvidos ................................................ 15<br />
4 PLANOS E DISTÂNCIAS ..................................................... 19<br />
4.1 Planos ........................................................................ 19<br />
4.1.1 Introdução.......................................................... 19<br />
4.1.2 Equação Geral do Plano ..................................... 19<br />
4.1.3 Determinação de um plano .............................. 21<br />
4.2 Distâncias ................................................................. 24<br />
4.2.1 Distância entre dois pontos ............................... 24<br />
1
4.2.2 Distância entre um Ponto a uma Reta ............... 24<br />
4.2.3 Distância entre duas Retas Paralelas ................. 25<br />
4.2.4 Distância de um Ponto a um Plano .................... 26<br />
4.3 Exercícios Resolvidos ................................................ 27<br />
5 CÔNICAS ........................................................................... 29<br />
5.1 Circunferência .......................................................... 30<br />
5.1.1 Equação geral da circunferência ........................ 31<br />
5.1.2 Exercícios Resolvidos ......................................... 36<br />
5.2 Elipse ........................................................................ 42<br />
5.2.1 Equações ............................................................ 44<br />
5.2.2 Exercícios Resolvidos ........................................ 46<br />
5.3 Parábola ................................................................... 51<br />
5.3.1 Equação da Parábola ......................................... 52<br />
5.3.2 Exercícios Resolvidos ........................................ 55<br />
5.4 Hipérbole ................................................................. 57<br />
5.4.1 Equações ............................................................ 59<br />
5.4.2 Exercícios Resolvidos ......................................... 61<br />
Referências bibliográficas ................................................... 63<br />
2
1 VETORES<br />
O estudo de vetores é uma das mais importantes atividades<br />
no estudo da engenharia. Por meio dele, podemos calcular esforços<br />
presentes no sistema, possibilitando com isso antever problemas ou<br />
mesmo simular situações que envolvam otimizações de recursos.<br />
Para tal, faz-se necessário o estudo, desde o primeiro período,<br />
de modo que o aluno possa evoluir em seus conhecimentos no<br />
estudo da engenharia sem maiores dificuldades.<br />
O estudo de vetores é de caráter multidisciplinar nas<br />
engenharias e sua aplicação é voltada para os cálculos, as físicas, a<br />
mecânica geral, a resistência dos materiais etc.<br />
Embora saibamos que as ferramentas tecnológicas<br />
disponibilizadas no mundo atual propiciam ao engenheiro grande<br />
facilidade e rapidez em seus projetos, há que se ressaltar que sempre<br />
será o homem que introduzirá os dados iniciais no programa.<br />
Por mais perfeito que seja o software, ele sempre dependerá do<br />
ser humano para que possa funcionar da melhor forma possível.<br />
Definição<br />
<strong>Um</strong> vetor é uma grandeza matemática que possui módulo ou<br />
intensidade, direção e sentido.<br />
O módulo é o tamanho do vetor, sua direção é a mesma da<br />
reta suporte que o contém, e o sentido é para onde ele está<br />
apontado.<br />
<strong>Um</strong>a mesma direção possui dois sentidos. Por exemplo, a<br />
direção horizontal apresenta o sentido para a direita e o sentido para<br />
a esquerda; a direção vertical apresenta o sentido para cima e o<br />
sentido para baixo.<br />
A<br />
B<br />
Figura: 1 - Vetores<br />
3
Na figura acima, o ponto A é a origem e o ponto B é<br />
a extremidade.<br />
<strong>Um</strong> vetor pode ser designado por uma letra, normalmente<br />
minúscula, com uma seta na sua parte superior ou por duas letras,<br />
normalmente indicativas da origem e extremidade, também com uma<br />
seta na sua parte superior.<br />
u<br />
A<br />
B<br />
Figura: 2 - Vetores<br />
Na figura acima podemos ver o vetor u ou AB.<br />
Módulo de um vetor<br />
O módulo de um vetor, que indica seu tamanho, é<br />
representado pela mesma designação do vetor, porém sem a seta em<br />
sua parte superior ou com a seta na parte superior e entre duas barras<br />
verticais.<br />
Tipos de vetores<br />
Vetores iguais - Dois vetores são iguais se apresentam<br />
mesmo módulo, mesma direção e sentido.<br />
Vetores opostos - Dois vetores u e v são opostos se<br />
apresentam mesmo módulo, mesma direção e sentidos contrários.<br />
Neste caso, o vetor u também é representado por - u.<br />
Vetor unitário - <strong>Um</strong> vetor é definido como unitário quando<br />
apresenta módulo igual a um.<br />
Versor - <strong>Um</strong> vetor de um determinado vetor u não nulo é<br />
um vetor unitário de mesma direção e sentido do vetor u.<br />
Vetores colineares – Dois vetores u e v são colineares se<br />
apresentam a mesma direção. Para tal, podem estar sobre a mesma<br />
reta suporte, ou em retas paralelas.<br />
4
Vetores coplanares - No R², dois vetores são coplanares, ou<br />
seja, estão no mesmo plano porque definem esse plano (desde que<br />
esses vetores não sejam colineares), tendo em vista que são montados<br />
sobre duas retas suporte, e duas retas não colineares sempre definem<br />
um plano no R².<br />
Três vetores podem ser coplanares ou não. Não serão<br />
coplanares se a reta suporte de um dos vetores fizer um ângulo com<br />
o plano definido pelos outros dois.<br />
1.1 Operações com vetores<br />
Adição de dois vetores com mesma origem<br />
Quando somamos dois vetores com mesma origem, devemos<br />
completar um paralelogramo com os vetores, traçando pela<br />
extremidade de cada vetor uma paralela ao outro vetor. O vetor soma<br />
ou resultante é aquele que sai da origem comum até o encontro das<br />
paralelas, no vértice oposto ao da origem. Tal método é conhecido<br />
como método do paralelogramo.<br />
Figura: 3 - Adição de dois vetores<br />
O módulo do vetor soma pode ser calculado por:<br />
S 2 = u 2 + v 2 + 2 . u . v . cosφ<br />
Onde φ é o ângulo entre os vetores, e S, u e v são os módulos<br />
dos vetores S, u e v respectivamente.<br />
Adição de dois vetores com a extremidade de um vetor<br />
coincidindo com a origem do outro<br />
5
Quando somamos dois vetores com a extremidade de um<br />
vetor coincidindo com a origem do outro vetor, basta que<br />
completemos o triângulo tendo os dois vetores como dois lados do<br />
triângulo. O vetor soma ou resultante é o que sai da origem do<br />
primeiro vetor até a extremidade do segundo vetor. Tal método é<br />
conhecido como método do triângulo (Figura 4).<br />
Figura: 4 - Adição de dois vetores<br />
O módulo do vetor soma pode ser calculado por:<br />
S 2 = u 2 + v 2 – 2 . u . v . cosφ<br />
Onde φ é o ângulo entre os vetores, e S, u e v são os módulos<br />
dos vetores S, u e v respectivamente.<br />
Adição de vários vetores<br />
Quando desejamos somar vários vetores, devemos colocá-los<br />
inicialmente com a extremidade de um vetor coincidindo com a<br />
origem do outro vetor, formando um só vetor. O vetor soma ou<br />
resultante é aquele que sai da origem do primeiro vetor até a<br />
extremidade do último vetor. Tal método é conhecido como método<br />
do polígono.<br />
Diferença de vetores<br />
Quando desejamos achar a diferença de dois vetores u e v,<br />
devemos primeiro achar o oposto do vetor v, isto é, o vetor –v, para<br />
poder somá-lo ao vetor u.<br />
6
Figura: 5 - Diferença de vetores<br />
Multiplicação de um vetor por escalar<br />
Ao multiplicarmos um vetor u por um escalar k qualquer,<br />
obteremos um novo vetor com mesma direção e módulo<br />
multiplicado por esse escalar. O sentido do novo vetor dependerá do<br />
sinal do escalar k, ou seja, se o sinal for positivo, o sentido<br />
permanecerá o mesmo, se o sinal for negativo, haverá a inversão do<br />
sentido.<br />
Figura: 6 - Multiplicação de vetor<br />
1.2 Ângulo entre vetores<br />
Sejam dois vetores não nulos u e v. O ângulo φ que eles<br />
fazem entre si é o ângulo que as semirretas suporte dos vetores, isto<br />
é, as semirretas que contêm os vetores, fazem entre si. Para<br />
verificarmos o ângulo, os vetores devem estar dispostos com suas<br />
origens coincidentes; caso não estejam, devem ser colocados dessa<br />
forma.<br />
7
Figura: 7 - Ângulo entre vetores<br />
OBSERVAÇÕES<br />
1. Se o ângulo entre eles for 0°, os vetores u e v possuem a mesma<br />
direção e sentido. Neste caso, são chamados de colineares e são<br />
múltiplos entre si.<br />
2. Se o ângulo entre eles for 90°, os vetores u e v são ditos<br />
ortogonais. Neste caso, o módulo do vetor resultante pode ser obtido<br />
pelo teorema de Pitágoras, onde: S² = u² + v²<br />
3. Se o ângulo entre eles for 180°, os vetores u e v possuem a mesma<br />
direção e sentidos contrários.<br />
4. Se os vetores u e v forem ortogonais, o vetor u é ortogonal a<br />
qualquer vetor colinear ao vetor v.<br />
Vetor unitário<br />
É o vetor de módulo um. Ele define uma direção porque<br />
qualquer vetor de uma determinada direção pode ser obtido como<br />
um múltiplo do vetor unitário daquela direção. Isto é, quando for<br />
conhecido um vetor unitário de uma direção, qualquer vetor daquela<br />
direção pode ser obtido – basta multiplicar este vetor pelo módulo<br />
do vetor que se deseja obter.<br />
Se λ é unitário e se os vetores u e v têm a mesma direção de λ,<br />
com módulos u e v respectivamente, então:<br />
u = u . λ e v = v . λ<br />
Se u’ é módulo do vetor u e u’ = 3<br />
Se o vetor u tem a mesma direção de λ<br />
Com λ unitário, então u = 3 λ<br />
8
Figura: 8 - Vetor unitário<br />
Os vetores unitários das direções dos eixos cartesianos<br />
têm sua representação definida por i, j e k, unitários dos eixos x, y e<br />
z, respectivamente.<br />
Figura: 9 - Vetores unitários - Eixos cartesianos<br />
Decomposição de vetores<br />
Decompor um vetor significa obter seus componentes em<br />
outras direções, de tal sorte que se somarmos esses componentes<br />
obteremos o vetor principal. Quando as direções são os eixos<br />
cartesianos, teremos:<br />
9
R 2<br />
Figura: 10 - Decomposição de vetores<br />
R 3<br />
Figura: 11 - Decomposição de vetores<br />
No R 2 os vetores u x e u y são os componentes do vetor u nas<br />
direções dos eixos x e y respectivamente.<br />
10
Figura: 12 - Decomposição de vetores<br />
Cada componente do vetor u pode ser expressa através dos<br />
unitários das direções dos eixos, portanto:<br />
Sendo:<br />
Logo:<br />
No R3 os vetores u x , u y e u z são os componentes do vetor u<br />
nas direções dos eixos x , y e z respectivamente.<br />
11
Cada componente do vetor u pode ser expressa através dos<br />
unitários das direções dos eixos, portanto:<br />
Sendo:<br />
Logo:<br />
12
Representação de um vetor conhecidos seus pontos origem e<br />
extremidade<br />
Se forem conhecidos os pontos origem e extremidade de um<br />
vetor, as coordenadas deste serão definidas pela diferença entre as<br />
coordenadas dos pontos extremidade e origem, nesta ordem. Esta<br />
forma é chamada de analítica.<br />
é:<br />
Sejam os pontos A (x a, y a, z a) B (x b, y b, z b), então o vetor AB<br />
AB = B – A = (x b – x a, y b – y a, z b – z a)<br />
Igualdade de vetores<br />
Dois vetores u (ux, uy, uz) e v (vx, vy, vz) são iguais se, e<br />
somente se:<br />
Paralelismo de dois vetores<br />
U x = V x, U y = V y e U z = V z<br />
Dois vetores u (u x, u y, u z) e v (v x, v y, v z) são paralelos ou<br />
colineares se existir um escalar k tal que u = k.v.<br />
(u x, u y, u z) = k.(v x, v y, v z) ou (u x, u y, u z) = (kv x, kv y, kv z)<br />
Módulo de um vetor<br />
O módulo ou intensidade de um vetor é o seu tamanho. É<br />
a parte escalar do vetor.<br />
Figura: 14 - Módulo de um vetor<br />
13
Na figura ao lado, vemos que o módulo do vetor u é a<br />
hipotenusa de um triângulo retângulo que tem como catetos, os<br />
módulos dos seus componentes ux e uy. Portanto, para sua<br />
determinação, podemos aplicar o teorema de Pitágoras. Logo:<br />
Por exemplo nos vetores do R 2 :<br />
Estes valores finais representam os tamanhos dos vetores.<br />
Por exemplo nos vetores do R 3 :<br />
Estes valores finais representam os tamanhos dos vetores.<br />
14
Vetor unitário de uma direção<br />
Dados pontos determinantes de uma direção, podemos<br />
estabelecer o unitário dela. A importância disso é que, a partir deste<br />
unitário, qualquer vetor desta direção poderá ser determinado, desde<br />
que se conheça seu módulo. Seja a direção mostrada na figura abaixo,<br />
determinada por pontos A e B:<br />
Figura: 15 - Vetor unitário<br />
Desde que conheçamos as coordenadas dos pontos A e B,<br />
podemos determinar o vetor AB = B – A = (x b – x a, y b – y a, z b – z a);<br />
Seja λ o vetor unitário desta direção:<br />
Figura: 16 - Vetor unitário AB<br />
O vetor AB é um múltiplo do vetor unitário λ, já que eles<br />
possuem a mesma direção e, como o vetor unitário tem módulo um,<br />
o vetor AB é exatamente o produto do seu módulo pelo vetor<br />
unitário. Assim:<br />
15
Obtenção de um vetor dados o módulo e a direção<br />
Em determinadas situações, temos o módulo de um vetor e<br />
sua direção. Por exemplo, na engenharia, em certo sistema em<br />
equilíbrio, através de um dinamômetro, definimos o módulo de uma<br />
força, temos sua direção e precisamos determinar o vetor força que<br />
apresenta aquele módulo, seja para levantar outras forças atuantes em<br />
outras partes do sistema, seja para calcular o momento desta força<br />
em relação a um ponto ou eixo etc.<br />
Quando temos o módulo de um vetor u e sua direção,<br />
podemos determinar um vetor daquela direção. Logo, podemos<br />
definir o unitário daquela direção. Se, temos o unitário e conhecemos<br />
o módulo do vetor u, basta multiplicarmos o módulo do vetor pelo<br />
unitário daquela direção.<br />
Figura: 17 - Obtenção de um vetor<br />
16
1.3 Exercícios Resolvidos<br />
1. Dados os vetores abaixo, de módulos u = 2 e v = 5, determine<br />
geometricamente o vetor soma, bem como calcule seu módulo.<br />
Figura:<br />
Solução:<br />
17
2. Dados os pontos A (1, 1, 2), B (–1, 0, 3) e C (2, –3, 2), determine<br />
os vetores:<br />
a) AB<br />
b) AC<br />
c) BC<br />
Solução:<br />
3. Dados os vetores abaixo, determine o vetor w.<br />
u = 3i + 2j – k e v = (1, 0, -2)<br />
a) 2(u + v) – 2w = 3(v – 2w) + u<br />
b) 3w – 4(v – 2u) = 4(2w – v) + 3u<br />
Solução:<br />
4. Dados os vetores u = (2, -1, 4) e v = (2 + m, -1, 3 + 2n),<br />
determinar os valores de m e n para que os vetores sejam iguais:<br />
Solução:<br />
2 = 2 + m<br />
-1 = -1<br />
4 = 3 + 2n<br />
Das igualdades vê-se:<br />
M = 0 e 2n = 1, logo n = 1/2<br />
18
5. Dados os vetores u = (2, -1, 4) e v = (2 + m, 3, 3 + 2n),<br />
determinar os valores de m e n para que os vetores sejam<br />
paralelos:<br />
Solução:<br />
2/2 + m = -1/3 = 4/3 + 2n<br />
Das proporções vê-se:<br />
m = -8 e n = -15/2<br />
6. Dados os vetores A(-1, 2, 0), B(2, 0, -2) e C(-2, 1, -1), determinar<br />
os módulos dos vetores AB, AC e BC.<br />
Solução:<br />
Determinam-se primeiro os vetores:<br />
Em seguida os módulos destes vetores:<br />
7. Sejam os pontos A(-2, 1, 5), B(1, 0, 2) e C(1, -2, 3), determinar os<br />
vetores unitários das direções dos vetores AB, AC e BC.<br />
Solução:<br />
19
8. Sejam os pontos A(2, -2, 0), B(-1,1, 0) e C(0, 0, 1), determinar os<br />
vetores unitários das direções dos vetores AB, AC e BC.<br />
Solução:<br />
20
9. Sejam os pontos A(-1, 1, 3), B(1, -1,1) e C(1, 0, 2). Sejam u = 20,<br />
v = 30 e w = 50, módulos dos vetores u, v e w, que se<br />
encontram nas direções dos vetores AB, AC e BC<br />
respectivamente determinar os vetores u, v e w.<br />
Solução:<br />
21
1
2 PRODUTO DE VETORES<br />
2.1 Produto Escalar<br />
Dados os vetores v 1 = (x 1, y 1) e v 2 = (x 2, y 2), define-se o<br />
produto escalar entre os vetores v 1 e v 2, como o número real obtido<br />
por:<br />
Exemplo:<br />
v 1 . v 2 = x 1 . x 2 + y 1 . Y 2<br />
O produto escalar entre v1 = (3, 4) e v2 = (-2, 5) é:<br />
v 1 . v 2 = 3 . (-2) + 4 . 5 = - 6 + 20 = 14<br />
Lembre-se: o resultado de um produto escalar entre dois vetores será<br />
um escalar (número real).<br />
Módulo de um vetor<br />
O módulo de um vetor v = (x,y), representado por IvI é um<br />
número real não negativo, dado por:<br />
Exemplo:<br />
Seja v = (4, -3), então:<br />
IvI = √v.v = √x.x + y.y = √x 2 + y 2<br />
IvI = √4 2 + (-3) 2 = √16 + 9 = √25 = 5<br />
Propriedades do Produto Escalar<br />
Quaisquer que sejam os vetores, v, u e w, e o escalar k:<br />
a) v . v ≥ 0<br />
b) v . u = u . v (Comutativa)<br />
c) u .(v + w) = u . v + u . w (distributiva)<br />
d) (ku). v = k .(u . v)<br />
1
2.2 Ângulo entre dois vetores<br />
O produto escalar entre os vetores u e v, também, pode ser<br />
escrito da seguinte forma:<br />
u.v = IuI . IvI . cosᴓ<br />
Figura: 18 - Ângulo entre dois vetores<br />
Obs.: A expressão é obtida por meio da aplicação da lei dos cossenos<br />
no triangulo ABC da figura acima.<br />
Se:<br />
Onde ᴓ é a medida do ângulo formado entre os vetores u e v.<br />
a) u . v > 0, indica que o cosᴓ > 0, o que ocorre quando é<br />
ângulo agudo.<br />
b) u . v < 0, então o ângulo ᴓ será obtuso.<br />
c) u . v = 0, teremos um ângulo reto.<br />
Por meio desta última definição de produto escalar, podemos<br />
obter o ângulo ᴓ entre dois vetores genéricos u e v, como:<br />
2.3 Produto <strong>Vetorial</strong><br />
Dados os vetores u = (x u, y u, z u) e v = (x v, y v, z v), tomados<br />
nesta ordem, chama-se produto vetorial dos vetores u e v,<br />
representado por u x v, ao vetor calculado como o determinante da<br />
matriz a seguir.<br />
2
Lembre-se: o resultado do produto vetorial entre 2 vetores é um<br />
terceiro vetor.<br />
Exemplo:<br />
Se trocarmos a ordem dos vetores, temos:<br />
Propriedades:<br />
Considere os vetores u, v e w:<br />
I. Se u é um vetor qualquer, u x u = 0<br />
II. u x v = - v x u<br />
3
III.<br />
u x (v + w) = u x v + u x w<br />
IV. u x v é ortogonal simultaneamente os vetores u e v.<br />
V. a ordem dos vetores modifica o sentido do vetor<br />
gerado pela operação, que obedece à regra da mão<br />
direita.<br />
Interpretação geométrica do módulo do produto vetorial<br />
O módulo do produto vetorial, Iu x vI, pode ser interpretado<br />
como a área do paralelogramo definido pelos vetores v e u.<br />
Figura: 19 - Interpretação geométrica do módulo do<br />
produto vetorial<br />
2.4 Produto Misto<br />
Dados os vetores u = (x u, y u, z u), v = (x v, y v, z v) e w = (x w, y w,<br />
z w), tomados nesta ordem, chama-se produto misto dos vetores u, v e<br />
w, representado por u.(v x w), ao vetor calculado como o<br />
determinante da matriz abaixo.<br />
Propriedades<br />
Quaisquer que sejam os vetores u, v, w e r, e o escalar k:<br />
4
I. u.(v x w) = 0, se um dos vetores é nulo, se dois vetores são<br />
II.<br />
colineares (paralelos), ou se os três são coplanares (estão no<br />
mesmo plano).<br />
O produto misto independe da ordem circular dos vetores,<br />
isto é:<br />
III. u.(v x w) = v.(w x u) = w.(u x v)<br />
IV.<br />
u.(v x (w + r)) = u.(v x w) + u.(v x r) e u.(v x kw) = u.(mv x<br />
w) + mu.(v x w)<br />
Interpretação geométrica do módulo do produto misto<br />
O produto misto, u.(v x w) é igual em módulo ao volume do<br />
paralelepípedo de arestas determinadas pelos vetores v, u e w.<br />
Figura: 19 - Interpretação geométrica do módulo do<br />
produto misto<br />
Resumo Estratégico<br />
Ângulo entre vetores: produto escalar<br />
Caso particular: vetores perpendiculares, produto escalar nulo (cos 90<br />
= 0)<br />
Cálculo de áreas e vetor normal: produto vetorial<br />
Caso particular: vetores paralelos, produto vetorial nulo (área = 0)<br />
Cálculo de volumes: produto misto<br />
Caso particular: 3 vetores coplanares, produto misto nulo<br />
(volume=0)<br />
5
2.5 Exercícios Resolvidos<br />
1. Dados os vetores u = (1, 2, -1), v = (1, 0, -3) e w = (0, -2, -3),<br />
determine os produtos escalares pedidos:<br />
a) u . v b) u . w c) v . w<br />
Solução<br />
a) u.v = 1.1 + 2.0 + (-1).(-3) = 1 + 0 + 3 = 4<br />
b) u.w = 1.0 + 2.(-2) + (-1).(-3) = 0 - 4 + 3 = -1<br />
c) v.w = 1.0 +0.(-2) + (-3).(-3) = 0 + 0 + 9 = 9<br />
2. Dados os vetores u = (-1, 1, -1), v = (1, 2, -3) e w = (0, 2, -2),<br />
determine os ângulos entre:<br />
a) u e v b) u e w c) v e w<br />
Solução<br />
a) u . v = ((-1).1 + 1.2 + (-1).(-3)) = 4<br />
IuI = √(-1) 2 + 1 2 + (-1) 2 = √3<br />
IvI = √1 2 + 2 2 + (-3) 2 = √14<br />
cosᴓ = u . v/IuI. IvI = 4/√3.√14 = 2√42/21<br />
b) u . w = ((-1).0 + 1.2 + (-1).(-2)) = 4<br />
IuI = √(-1) 2 + 1 2 + (-1) 2 = √3<br />
IwI = √0 2 + 2 2 + (-2) 2 = √8<br />
cosᴓ = u . w/IuI. IwI = 4/√3.√8 = √24/6<br />
c) v . w = ((1).0 + 2.2 + (-3).(-2)) = 10<br />
IvI = √(1) 2 + 2 2 + (-3) 2 = √14<br />
6
IwI = √0 2 + 2 2 + (-2) 2 = √8<br />
cosᴓ = v . w/IvI. IwI = 10/√14.√8 = 5√7/14<br />
3. Dados os vetores v = (1, 0, 3) e u = (-1, 2, 1), calcular:<br />
a) 2u x (u – v)<br />
b) (u – v) x (u + 3v)<br />
Solução<br />
a) 2u = (-2, 4, 2)<br />
u – v = (-2, 2, -2)<br />
b) u - v = (-2, 2, -2)<br />
u + 3v = (2, 2, 10)<br />
4. Dados os vetores u = (–1, 2, 0) e v = (1, 1, –1), calcular a área<br />
do paralelogramo determinado pelos vetores 2u e v + u.<br />
Solução:<br />
A área do paralelogramo é o módulo do produto vetorial dos vetores<br />
indicados.<br />
7
2u = (-2, 4, 0)<br />
v + u = (0, 3, -1)<br />
5. Calcular o produto misto dos vetores u = (1, 0, –2), v = (2, –1,<br />
3) e w = (0, 1, –1).<br />
Solução<br />
8
3 RETAS<br />
A reta é um objeto geométrico infinito em uma única<br />
dimensão, que pode ser definida da seguinte forma:<br />
• Dando dois pontos da reta;<br />
• Dando um ponto da reta e dois vetores normais a esta<br />
reta, não colineares;<br />
• Dando um ponto e um vetor paralelo à reta.<br />
Seja a reta que passa pelo ponto A (x a, y a, z a) e com direção do<br />
vetor não nulo v = (a, b, c). <strong>Um</strong> único ponto qualquer P (x, y, z)<br />
pertencerá à reta r, se, e somente se, os vetores AP e v forem<br />
colineares (paralelos), ou seja:<br />
AP + tv, onde t є R.<br />
P – A = Tv<br />
P = tv + A<br />
Exemplo:<br />
(x, y, z) = t . (a, b, c) + (x a, y a, z a)<br />
Equação vetorial da reta<br />
A reta r que passa pelo ponto A (-1, 2, 3) e tem a direção do vetor v<br />
= (2, -2, 1), qual a sua equação vetorial.<br />
(x, y, z) = t . (a, b, c) + (x a, y a, z a)<br />
(x, y, z) = t . (2,-2, 1) + (-1, 2, 3)<br />
Atribuindo-se valores reais para o parâmetro t, se obtém pontos da<br />
reta r.<br />
t = 0:<br />
t = 1:<br />
t = 2:<br />
t = ½:<br />
P = (-1, 2, 3) є R<br />
P = (1, 0, 4) є R<br />
P = (3, -2, 5) є R<br />
P = (-2, 3, 5/2) є R<br />
9
3.1 Equação Paramétrica da Reta<br />
Com base na equação vetorial da reta, pode-se obter um<br />
sistema de equações que representa todos os pontos (x, y, z) em<br />
função da variação do parâmetro t de –oo a +oo.<br />
Este sistema de equações é chamado de Equações<br />
Paramétricas da Reta.<br />
P = tv + A → (x, y, z) = t . (a, b, c) + (x a, y a, z a)<br />
x = t . a + x a<br />
y = t . b + y a<br />
z = t . c + z a<br />
Reta definida por dois pontos<br />
Sejam os dois pontos A (x a, y a, z a) B (x b, y b, z b) que pertencem<br />
à reta r. A direção de r é a mesma do vetor AB.<br />
AB = B – A = (x b, y b, z b) – (x a, y a, z a) = (x b – x a, y b – y a, z b – z a)<br />
Sendo assim, para se equacionar a reta basta utilizar um dos<br />
dois pontos A ou B e o vetor v = AB<br />
Exemplo:<br />
Qual a direção da reta r que passa pelos pontos A (-1, 2, 3) e B (2, 3,<br />
4). A reta terá a direção do vetor v = AB:<br />
AB = B – A = (3, 1, 1)<br />
Considerando que a reta passa pelo ponto A, assim, as suas equações,<br />
vetorial e paramétricas são:<br />
<strong>Vetorial</strong>: (x, y, z) = t . (3,1, 1) + (-1, 2, 3)<br />
Paramétricas: x = t . 3 - 1<br />
y = t . 1 + 2<br />
z = t . 1 + 3<br />
10
Já se considerarmos a reta passando pelo ponto B, assim, as suas<br />
equações, vetorial e paramétricas são:<br />
<strong>Vetorial</strong>: (x, y, z) = t . (3,1, 1) + (2, 3, 3)<br />
Paramétricas: x = t . 3 + 2<br />
y = t . 1 + 3<br />
z = t . 1 + 4<br />
ATENÇÃO!!!<br />
Embora os sistemas de equações sejam diferentes, eles<br />
permitem encontrar todos os pontos da mesma reta, fazendo variar t<br />
de –oo a +oo, por exemplo, para t = 1, obtém ponto P 1 (2, 3, 4) no<br />
primeiro sistema e o ponto P 2 (5, 4, 5) no segundo sistema de<br />
equações, e ambos são pontos da mesma reta. <strong>Um</strong>a vez que, o ponto<br />
P 1 (2, 3, 4) pode ser obtido, no segundo sistema, fazendo t = 0 e o<br />
ponto P 2 (5, 4, 5), no primeiro sistema fazendo-se t = 2.<br />
Equação Simétrica da Reta<br />
Considerando que a reta r passa pelo ponto A (x a, y a, z a) e tem<br />
direção do vetor não nulo v = (a, b, c). Da mesma forma, o ponto P<br />
(x, y, z) pertencerá à reta r se for solução da equação paramétrica da<br />
reta, supondo que a, b, c são diferentes de zero, conforme abaixo:<br />
Condição para que três pontos estejam em linha reta<br />
A condição para que três pontos A (x a, y a, z a), B (x b, y b, z b) e<br />
C (x c, y c, z c) estejam em linha reta, ou seja na mesma reta r, é que os<br />
vetores AB e BC sejam colineares (paralelos), isto é:<br />
AB = mBC, para qualquer m є R<br />
Lembre-se: a forma de verificação mais simples é utilizando matriz,<br />
onde se o determinante da matriz formada pelas coordenadas dos<br />
pontos for nulo, estes pontos estarão numa mesma reta.<br />
11
x a y a z a<br />
x b y b z b = 0<br />
x c y c z c<br />
Fundamentado nas equações simétricas da reta, pode-se obter<br />
outra forma de expressar a reta r, isolando uma das variáveis y e z e<br />
expressando-as em função de x.<br />
a) Colocando a coordenada y em função da coordenada x:<br />
Fazendo:<br />
b) Colocando a coordenada z em função da coordenada x:<br />
12
Fazendo:<br />
Formas de representação da reta no R 3<br />
Para todas as representações de uma reta genérica, como<br />
ficam os casos particulares em que as retas são paralelas aos eixos<br />
coordenados.<br />
Significa que:<br />
O que significa uma reta paralela ao eixo x?<br />
• y e z possuem valores constantes (c y e c z)<br />
• A reta é paralela a i⃗ = (1, 0, 0)<br />
• Todos os pontos da reta serão do tipo (x, c y, c z)<br />
x = t<br />
{ y = c y<br />
z = c z<br />
Figura: 21 - Formas de representação da reta no r3<br />
13
O que significa uma reta paralela ao eixo y?<br />
Significa que:<br />
• x e z possuem valores constantes (c y e c z)<br />
• a reta é paralela a j⃗ = (0, 1, 0)<br />
• todos os pontos da reta serão do tipo (c x, y, c z)<br />
{<br />
x = c x<br />
y = t<br />
z = c z<br />
Figura: 22 - Formas de representação da reta no r3<br />
O que significa uma reta paralela ao eixo z?<br />
Significa que:<br />
• x e y possuem valores constantes (c x e c y)<br />
• a reta é paralela a k⃗⃗ = (0, 0, 1)<br />
• todos os pontos da reta serão do tipo (c x, c z, z)<br />
14
{<br />
x = c x<br />
y = c y<br />
z = t<br />
Figura: 20 - Formas de representação da reta no r3<br />
3.2 Exercícios Resolvidos<br />
1. Seja o triângulo de vértices A(1,0,-2), B(2,-1,-6) e C(-4,5,2).<br />
Estabelecer as equações da reta suporte da mediana do triângulo<br />
ABC relativa ao lado BC.<br />
Solução:<br />
Para facilitar o raciocínio, vamos imaginar um triângulo ABC e a<br />
mediana relativa ao lado BC, criando o ponto M.<br />
Como o objetivo do exercício é montar a eq. Da reta que passa por A<br />
e M, podemos começar descobrindo as coordenadas de M.<br />
Como a mediana divide o lado BC ao meio, M é o ponto médio entre<br />
B e C, ou seja,<br />
M = ((2,-1,-6) + (-4, 5, 2))/2 = (-2, 4, -4)/2 = (-1, 2, -2)<br />
Agora precisamos construir uma reta que passe por A(1,0,-2) e M(-<br />
1,2,-2)<br />
15
Equação <strong>Vetorial</strong><br />
Precisamos de um ponto da reta e de um vetor.<br />
O ponto, podemos escolher A ou M. Escolhido A(1,0,-2) o vetor<br />
pode ser AM ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ou MA ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗. Escolhido AM ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗.<br />
P = A + t v<br />
AM ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = M-A = (-1,2,-2) - (1,0,-2) = (-2,2,0)<br />
(x, y, z) = (1, 0, -2) + t (-2, 2, 0)<br />
Equações Paramétricas<br />
x = 1 - 2t<br />
y = 2t<br />
z = -2<br />
Equações Reduzidas em “x”<br />
m = 2/-2 = -1<br />
n = (2/-2) . 1 + 0 = -1<br />
y = -x – 1<br />
P = 0/-2 = 0<br />
q = (0/-2) . 1 -2 = -2<br />
z = -2<br />
1. Determine as equações simétricas da reta r3, sabendo que ela é paralela<br />
à reta que passa pelos pontos A(0,1,2) e B(1,4,5) e passa por C, que é a<br />
interseção das retas r 1 e r 2 fornecidas a seguir.<br />
r 1 : x − 5<br />
3<br />
= y + 1<br />
2<br />
x = 6 + 3t<br />
r 2 { y = 1 − 2t<br />
z = t<br />
16<br />
= −z + 1<br />
1<br />
DICA: Para especificarmos a reta r 3, precisaremos de um ponto da reta e<br />
de um vetor que estabelece a sua direção.
Analisando o problema, o ponto de r 3 será a interseção de r 1 com r 2 e o<br />
vetor será obtido pelos pontos A e B, já que r 3 é paralela à reta que passa<br />
por A e B.<br />
Solução:<br />
Substituindo r 2 em r 1:<br />
(6 + 3t) − 5<br />
3<br />
(3t + 1)<br />
3<br />
=<br />
=<br />
(1 − 2t) + 1<br />
2<br />
(2 − 2t)<br />
2<br />
= −t + 1<br />
1<br />
= −t + 1<br />
1<br />
OBS.: Se existir um valor de t que atenda, encontramos o ponto de<br />
interseção. Do contrário as retas são paralelas e não existe interseção.<br />
Vamos analisar a 1ª igualdade:<br />
3t+1<br />
3<br />
= 2-2t<br />
2<br />
→ 6t+2 = 6 – 6t → 12t = 4 → t = 1/3<br />
Vamos verificar o ponto de interseção aplicando t=1/3 em r 2:<br />
x = 6 + 3/3 → x = 7<br />
y = 1 - 2/3 → y = 1/3<br />
z = 1/3<br />
17
18
4 PLANOS E DISTÂNCIAS<br />
4.1 Planos<br />
4.1.1 Introdução<br />
O Plano é um objeto geométrico de duas dimensões formado<br />
por infinitas retas e infinitos pontos, que pode ser definido da<br />
seguinte forma:<br />
• Com três pontos não alinhados;<br />
• Com uma reta e um ponto não pertencente à reta;<br />
• Com duas retas paralelas (não coincidentes);<br />
• Com duas retas concorrentes.<br />
4.1.2 Equação Geral do Plano<br />
Seja o ponto A pertencente a um plano π e o vetor não nulo<br />
n = (a, b, c) normal (perpendicular) ao plano. O plano π pode ser<br />
definido como sendo o conjunto de todos os pontos P (x, y, z) do<br />
espaço tais que o vetor AP é ortogonal (perpendicular) a n,<br />
conforme a figura abaixo:<br />
Figura 24 - Equação geral do plano<br />
19
Ou seja, o ponto P (x, y, z) pertencerá ao plano π, se, e somente se,<br />
os vetores atenderem à seguinte expressão AP . N = 0, produto<br />
escalar igual a zero (condição de vetores ortogonais)<br />
AP . n = 0, como:<br />
n = (a, b, c)<br />
AP = P – A = (x – x a, y – y a, z – z a)<br />
AP . n = (a, b, c) . (x – x a, y – y a, z – z a) = 0<br />
AP . n = a(x – x a) + b(y – y a) + c(z – z a) = 0<br />
ax – ax a + by – by a + cz – cz a = 0<br />
ax + by + cz – (ax a + by a + cz a) = 0<br />
Como n = (a, b, c) e A (x a, y a, z a) são conhecidos (dados), pode-se<br />
escrever:<br />
– (ax a + by a + cz a) = d, onde d também será conhecido.<br />
Assim a Equação Geral do plano π é:<br />
Observações:<br />
ax + by + cz + d = 0<br />
• Os coeficientes a, b, c da equação geral do plano ax + by +<br />
cz + d = 0, representam as componentes de um vetor<br />
normal ao plano, ou seja, se dois planos tem todos os três<br />
coeficientes (a, b, c) iguais, significa que os planos são<br />
paralelos;<br />
• O plano π é definido, basicamente, por um vetor normal (a,<br />
b, c) e um ponto A (x a, y a, z a) pertencente ao plano;<br />
• O vetor n = (a, b, c) normal ao plano, também será normal<br />
a todos os vetores representados neste plano.<br />
20
4.1.3 Determinação de um plano<br />
Existem outras formas de caracterizar um plano, contudo, de<br />
uma forma geral, todas conduzem a encontrar o vetor normal n = (a,<br />
b, c) e um ponto A (x a, y a, z a) pertencente ao plano.<br />
1. Passa por um ponto A (x a, y a, z a), e é paralelo a dois vetores<br />
v e u não colineares.<br />
Neste caso: n = u x v.<br />
Figura: 25 - Determinação de um plano<br />
2. Passa por dois pontos A (x a, y a, z a) e B (x b, y b, z b) e é<br />
paralelo a um vetor v não colinear ao vetor AB.<br />
Neste caso: n = v x AB.<br />
3. Passa por três pontos A (x a, y a, z a), B (x b, y b, z b) e C (x c, y c,<br />
z c) não colineares.<br />
Neste caso: n = AB x AC.<br />
4. Contém duas retas r 1 e r 2 concorrentes.<br />
Neste caso: n = v 1 x v 2.<br />
Onde v 1 e v 2 são vetores diretores (mesma direção) de r 1 e r 2<br />
5. Contém duas retas r1 e r2 paralelas.<br />
Neste caso: n = v 1 x AB.<br />
Onde v 1 é o vetor diretor (mesma direção) de r 1 (ou r 2) e A<br />
є r 1 e B є r 2<br />
6. Contém uma reta r e um ponto A (xa, ya, za), não<br />
pertencente a r.<br />
Neste caso: n = v x AB.<br />
Onde v é o vetor diretor (mesma direção) de r e B є r.<br />
21
Ângulo de dois planos<br />
O ângulo de dois planos π 1 e π 2 é o menor ângulo que o vetor<br />
normal de π 1 (n 1) forma com o vetor normal de π 2 (n 2). Sendo θ este<br />
ângulo:<br />
Ângulo de uma Reta com um Plano<br />
Seja a reta r com a direção do vetor v e um plano π, sendo n<br />
um vetor normal a π, conforme a figura abaixo:<br />
Figura: 26 - Ângulo de uma reta com um plano<br />
O ângulo θ da reta r com o plano π é o complemento do<br />
ângulo Ф (θ + Ф = π/2) que a reta forma com o vetor normal n ao<br />
plano. Como θ + Ф = π/2, logo sen(θ) = cos(Ф).<br />
Interseção de dois Planos<br />
A interseção de dois planos não paralelos é uma reta r, cuja<br />
equação é a solução de um sistema em que as duas equações são<br />
equações dos planos.<br />
Exemplo:<br />
Sejam os planos π 1 e π 2 cujas equações são respectivamente:<br />
π 1: x – 2y + z + 4 = 0, e<br />
22
π 2: x + 3y – 2z – 1 = 0<br />
x – 2y + z + 4 = 0 (x2 para eliminar a coordenada z)<br />
x + 3y – 2z – 1 = 0<br />
3x – y + 7 = 0 (após a soma)<br />
Repete-se o processo:<br />
x – 2y + z + 4 = 0 (x3 para eliminar a coordenada y)<br />
x + 3y – 2z – 1 = 0 (x2 simultaneamente)<br />
5x – z + 10 = 0<br />
Logo a equação reduzida da reta r (interseção dos planos π 1 e π 2)<br />
y = 3x + 7<br />
z = 5x + 10<br />
Interseção de Reta com Plano<br />
A interseção de reta com plano (não paralelos) é um ponto,<br />
cujas coordenadas são obtidas pela solução de um sistema em que as<br />
equações são as equações da reta e do plano.<br />
Exemplo:<br />
Sejam o plano π e a reta r, cujas equações são respectivamente: π: 2x<br />
– 3y + z + 5 = 0<br />
r: y = –x + 8 (substitui-se na equação do plano π)<br />
z = 2x + 5 (substitui-se na equação do plano π)<br />
Teremos então:<br />
2x – 3.( –x + 8) + (2x + 5) + 5 = 0<br />
2x + 3x – 24 + 2x + 5 + 5 = 0<br />
7x – 14 = 0 → x = 2<br />
23
Substituindo a coordenada x nas equações da reta temos como<br />
solução o ponto: (2, 6, 9).<br />
4.2 Distâncias<br />
Existem duas possibilidades para a relação entre as diferentes<br />
entidades geométricas estudadas até agora (ponto, reta e plano), uma<br />
quando há interseção entre elas, identificada pelo ponto comum,<br />
obtido normalmente, pela solução do sistema composto pelas<br />
equações das entidades geométricas. Outra possibilidade é o cálculo<br />
da distância entre as entidades que não possuem ponto comum entre<br />
elas.<br />
4.2.1 Distância entre dois pontos<br />
Como visto no capítulo referente a vetores, a distância entre<br />
dois pontos A (x a, y a, z a) e B (x b, y b, z b) é o módulo do vetor AB.<br />
Portanto:<br />
d(A, B)=módulo de AB = √(x b – x a) 2 + (y b – y a) 2 + (z b – z a) 2<br />
4.2.2 Distância entre um Ponto a uma Reta<br />
A distância entre um ponto P (x p, y p) e uma reta s é calculada<br />
unindo o próprio ponto à reta através de um segmento de<br />
comprimento d, que deverá formar com a reta um ângulo reto (90º),<br />
conforme a figura abaixo:<br />
Figura: 21 - Distância entre um ponto a uma reta<br />
24
Com base na equação da reta r: ax + by + c = 0 e nas coordenadas<br />
do ponto P (x p, y p), a distância entre eles d(P, s) é dada por:<br />
No R 3 , a distância da reta definida pelo ponto Q (x Q, y Q, z Q) e o<br />
vetor diretor v = (a, b, c) e o ponto P (x p, y p, z p) qualquer do espaço.<br />
Os vetores v e PQ determinaram um paralelogramo cuja altura<br />
corresponde a distância d de P a reta s.<br />
Designando-se por A a área do referido paralelogramo, temos:<br />
A = I v I . d<br />
A área também pode ser obtida pelo produto vetorial entre os<br />
vetores v e PQ, ou seja:<br />
A = I v x PQ I<br />
Então:<br />
4.2.3 Distância entre duas Retas Paralelas<br />
A distância entre duas retas r e s concorrentes é nula, tendo<br />
em vista possuírem um ponto em comum. A distância d entre duas<br />
retas r e s paralelas é a distância de um ponto qualquer P (x p, y p, z p)<br />
pertencente a uma das retas até a outra reta.<br />
d(r, s) = d(p, s), P Є r, e d(r, s) = d(P, r), P Є s<br />
Sendo assim, a distância entre duas retas paralelas se reduz ao<br />
cálculo da distância de um ponto a uma reta, onde o ponto pertence<br />
a outra reta.<br />
25
Figura: 28 - Distância entre duas retas paralelas<br />
4.2.4 Distância de um Ponto a um Plano<br />
Sejam um ponto P (x p, y p, z p) e um plano π: ax + by + cz + d<br />
= 0. Seja A (x a, y a, z a) o pé da perpendicular conduzida por P sobre o<br />
plano π e Q (x Q, y Q, z Q) um ponto qualquer do plano, conforme a<br />
figura abaixo:<br />
Figura: 29 - Distância de um ponto a um plano<br />
O vetor n = (a, b, c) é normal ao plano π e,<br />
consequentemente, o vetor AP tem a mesma direção de n. A<br />
distância d do ponto P ao plano π é:<br />
Observando que o vetor AP é a projeção do vetor QP sobre a<br />
direção de n, sendo assim:<br />
→<br />
Como QP = (x P – x Q, y P – y Q, z P – z Q)<br />
26
se:<br />
Após, substituição dos valores e manipulação algébrica, têm-<br />
4.3 Exercícios Resolvidos<br />
1. Determine a equação geral do plano que passa pelo ponto A (1, 2,<br />
-1) e é paralelo aos vetores v1 = (0, 1, 2) e V2 = (-1, 0, 1).<br />
Solução:<br />
Logo a equação geral do plano é do tipo: ax + by + cz + d = 0, onde<br />
os coeficientes a, b, c são coordenadas do vetor normal ao plano,<br />
assim: a = 1, b = -2, c = 1, substituindo na equação fica: x – 2y + z +<br />
d = 0.<br />
Como o ponto A (1, 2, -1) pertence ao plano, logo ele satisfaz a<br />
equação acima. Assim substituindo temos:<br />
1 – 2 . 2 + (-1) + d = 0 que resulta em d = 4, então a equação geral<br />
do plano é:<br />
x – 2y + z + 4 = 0<br />
2. Calcule a distância do ponto P (2, 0, 5) à reta de equação (x, y, z)<br />
= t . (3, 1, 1) + (1, 2, 3).<br />
27
28
5 CÔNICAS<br />
As curvas ditas cônicas são as:<br />
• Circunferências<br />
• Elipses<br />
• Parábolas<br />
• Hipérboles<br />
Por que o nome CÔNICAS?<br />
Porque são definidas a partir da interseção de um plano com um<br />
cone.<br />
Figura: 30 - Cônicas<br />
Curiosidade<br />
O estudo matemático das cônicas tem proporcionado à<br />
humanidade uma grande variedade de aplicações em nosso dia a dia e<br />
em diversas áreas da engenharia.<br />
A propriedade de reflexão em superfícies parabólicas que<br />
afirma que raios que passam pelo foco refletem paralelamente ao eixo<br />
é amplamente explorada. O farol de carro possui uma lâmpada que é<br />
colocada no foco da superfície espelhada parabólica.<br />
29
As antenas parabólicas são amplamente utilizadas na<br />
comunicação, seja para a transmissão via satélite, telefonia móvel ou<br />
GPS (Global Positioning System).<br />
Nessas duas aplicações, é possível relacionar a incidência de<br />
rais paralelos sobre a superfície parabólica com os rais refletidos que<br />
passam pelo ponto focal.<br />
5.1 Circunferência<br />
Definição<br />
Considere o plano cartesiano xy e um ponto fixo conhecido C<br />
(xC, yC) deste plano, denominado centro.<br />
O lugar geométrico (L.G.) dos pontos deste plano<br />
equidistantes de C é denominado circunferência.<br />
Figura: 31 - Circunferência<br />
A distância comum dos pontos (x, y) ao centro C,<br />
denominada R da circunferência, pode ser calculada por:<br />
R = √(x − x c ) 2 + (y − y c ) 2<br />
R 2 = (x − x c ) 2 + (y − y c ) 2<br />
(Equação reduzida da circunferência)<br />
30
É baseada no fato da distância do centro a qualquer ponto da<br />
circunferência ser constante igual ao raio.<br />
Caso particular: circunferência na origem<br />
R 2 = (x − x c ) 2 + (y − y c ) 2<br />
R 2 = x 2 + y 2<br />
5.1.1 Equação geral da circunferência<br />
É obtida a partir da equação reduzida.<br />
Basta desenvolver algebricamente os termos elevados ao<br />
quadrado e organizar a equação agrupando os termos conhecidos.<br />
No item anterior, estudou-se a circunferência de centro C (x C,<br />
y C) e raio R a partir de sua equação reduzida, ou seja: (x – x C)² + (y<br />
– y C)² = R²<br />
Desenvolvendo os quadrados do primeiro membro da<br />
equação, tem-se:<br />
Supondo:<br />
• A = –2.x C<br />
• B = –2.y C<br />
• C = x C² + y C² – R²<br />
x² – 2x C.x + x C² + y² + 2y C.y + y C² = R²<br />
x² + y² – 2x C.x – 2y C.y + x C² + y C² – R² = 0<br />
A equação geral poderá ser escrita como:<br />
x 2 +y 2 + Ax + By + C = 0<br />
Dessa forma, as coordenadas (x C, y C) do centro são dadas por:<br />
x c = − A 2 ou A = −2x c<br />
y c = − B 2 ou B = −2y c<br />
E o raio R por:<br />
R = √x c2 + y c2 − C ou C = x c 2 + y c 2 − R 2<br />
31
O ponto P é interior, exterior ou pertence à circunferência?<br />
<strong>Um</strong> ponto P pode pertencer ou não à circunferência. E neste<br />
último caso, pode ser interior ou exterior. Suponha o ponto P (x P, y P)<br />
e a equação geral da circunferência x² + y² + A.x + B.y + C = 0.<br />
Ao substituir as coordenadas de P na expressão x² + y² + A.x<br />
+ b.y + C, três são as possibilidades:<br />
• Valor nulo → P pertence à circunferência<br />
• Valor positivo → P é exterior à circunferência<br />
• Valor negativo → P é interior à circunferência<br />
Posição relativa entre a reta e a circunferência<br />
A ideia é comparar a distância entre a reta e o centro do<br />
círculo com o raio da circunferência.<br />
Considere uma reta r no R² e uma circunferência de centro C<br />
(x C, y C) e raio R.<br />
Existem três posições relativas entre r e a circunferência:<br />
• Exterior → nenhum ponto em comum.<br />
• Interior/Secante → dois pontos em comum.<br />
• Tangente → um ponto em comum.<br />
Tangente<br />
(distância = raio)<br />
Secante<br />
(distância < raio)<br />
Exterior<br />
(distância > raio)<br />
Figura: 32 - Posição relativa entre a reta e a circunferência<br />
Suponha que as equações da reta r e da circunferência C<br />
sejam conhecidas.<br />
32
Existem duas maneiras para se determinar a posição relativa de r e C.<br />
a) <strong>Um</strong> sistema entre as equações de r e C é resolvido. <strong>Um</strong>a<br />
equação do segundo grau será originada e a partir do<br />
discriminante D tem-se a posição relativa. Para valores<br />
positivos de D (duas raízes reais distintas), existem dois<br />
pontos em comum, ou seja, a reta e a circunferência são<br />
secantes. No caso de D nulo (duas raízes reais iguais), há<br />
apenas um ponto em comum de r e C, isto é, são tangentes.<br />
Como última possibilidade para D, tem-se o valor negativo<br />
(não existem raízes reais). Nesse caso, a reta e a<br />
circunferência são exteriores.<br />
b) Pode-se avaliar a distância d do centro da circunferência C à<br />
reta r. Quando d for menor que o raio R da circunferência, r<br />
e C são secantes. Se d = R, a reta e a circunferência são<br />
tangentes, e, por último, se d maior que R, a reta é exterior à<br />
circunferência.<br />
Figura: 33 - Posição relativa entre a reta e a circunferência<br />
Atenção:<br />
Considere a reta r: ax + by + c = 0 e o ponto P (xP, yP). A<br />
distância dP do ponto P à reta r é dada por:<br />
d P = Ia . x P + b . y P + cI<br />
√a2 + b2<br />
Posição relativa de duas circunferências<br />
A ideia é comparar a distância entre os centros das duas<br />
circunferências com a soma dos seus raios.<br />
33
Considere duas circunferências C 1 e C 2 de raios R 1 e R 2. As posições<br />
relativas dessas circunferências são:<br />
Exteriores – nesse caso, não há interseção entre as duas<br />
circunferências, ou seja, o sistema formado pelas duas equações não<br />
tem solução. A distância d entre os centros é maior que a soma dos<br />
raios R 1 e R 2.<br />
Figura: 34 - Posição relativa de duas circunferências<br />
Tangentes externas – nesse caso, a interseção entre as duas<br />
circunferências é dada por um ponto, ou seja, o sistema formado<br />
pelas duas equações tem solução única e a distância d entre os<br />
centros é igual à soma dos raios R 1 e R 2.<br />
Figura: 35 - Posição relativa de duas circunferências<br />
Secantes – nesse caso, a interseção entre as duas circunferências é<br />
dada por dois pontos, ou seja, o sistema formado pelas duas<br />
equações tem duas soluções distintas e a distância d entre os centros<br />
é maior que o módulo da diferença entre os raios e menor que a<br />
soma dos raios R 1 e R 2.<br />
34
Figura: 36 - Posição relativa de duas circunferências<br />
Tangentes interiores – nesse caso, a interseção entre as duas<br />
circunferências é dada por um ponto, ou seja, o sistema formado<br />
pelas duas equações tem solução única e a distância d entre os<br />
centros é igual ao módulo da diferença dos raios R 1 e R 2.<br />
Figura: 37 - Posição relativa de duas circunferências<br />
Interiores – nesse caso, não há interseção entre as duas<br />
circunferências, ou seja, o sistema formado pelas duas equações não<br />
tem solução e a distância d entre os centros é menor que o módulo<br />
da diferença entre os raios R 1 e R 2.<br />
Figura: 38 - Posição relativa de duas circunferências<br />
35
5.1.2 Exercícios Resolvidos<br />
1. Determinar a equação reduzida da circunferência de raio 5 e<br />
centro com coordenadas (1, –3).<br />
Solução:<br />
A equação reduzida da circunferência é:<br />
(x – x C)² + (y – y C)² = R².<br />
Centro C (x C, y C) = (1, –3) → x C = 1 e y C = –3<br />
Raio: R = 5<br />
Substituindo x C, y C e R na equação reduzida da circunferência, temse:<br />
(x – 1)² + (y – (–3))² = 5 2 → (x – 1) 2 + (y + 3) 2 = 25<br />
Solução:<br />
2. Determinar a equação reduzida da circunferência que passa<br />
pelo ponto P (5, 7) e tem centro C (2, 3).<br />
A equação reduzida da circunferência é:<br />
(x – x C)² + (y – y C)² = R²<br />
Centro C (x C, y C) = (2, 3) → x C = 2 e y C = 3<br />
Ponto P (x P, y P) = (5, 7) → x P = 5 e y P = 7<br />
Raio R = distância de qualquer ponto da circunferência ao centro.<br />
3. Construa a equação da circunferência que tangencia o eixo<br />
X e tem centro em (3,2).<br />
R 2 = (x − x c ) 2 + (y − y c ) 2<br />
(x − 3) 2 + (y − 2) 2 = 2 2<br />
(x − 3) 2 + (y − 2) 2 = 4<br />
36
4. Construa a equação reduzida da circunferência posicionada<br />
no 4o quadrante, de raio 3 e que tangencia o eixo das<br />
abscissas no ponto (4,0).<br />
R 2 = (x − x c ) 2 + (y − y c ) 2<br />
(x − 4) 2 + (y + 3) 2 = 3 2<br />
(x − 4) 2 + (y + 3) 2 = 9<br />
5. Determinar a equação da circunferência cujo centro é o<br />
ponto P(2,–4) e é tangente ao eixo Y.<br />
Se a circunferência é tangente ao eixo Y, então a distância horizontal<br />
do eixo à abscissa do centro será o raio. Isto é, o raio vale 2.<br />
R 2 = (x − x c ) 2 + (y − y c ) 2<br />
(x − 2) 2 + (y + 4) 2 = 2 2<br />
(x − 2) 2 + (y + 4) 2 = 4<br />
6. Determinar a equação geral da circunferência de raio 5 e<br />
centro com coordenadas (1, –3).<br />
Solução:<br />
A equação reduzida da circunferência é:<br />
(x – x C)² + (y – y C)² = R².<br />
Centro C (x C, y C) = (1, –3) → x C = 1 e y C = –3<br />
Raio R = 5<br />
Substituindo x C, y C e R na equação, tem-se:<br />
(x – 1)² + (y – (–3))² = 52<br />
(x – 1)² + (y + 3)² = 25<br />
x² – 2x + 1 + y² + 6y + 9 = 25<br />
x² + y² – 2x + 6y – 15 = 0<br />
37
7. Sendo a equação geral da circunferência x² + y² – 2x – 4y – 4 = 0,<br />
determine:<br />
a) As coordenadas do centro desta circunferência.<br />
b) O raio R desta circunferência.<br />
c) Se o ponto A (4, 2) pertence à circunferência.<br />
d) Se o ponto B (1, –3) pertence à circunferência.<br />
Solução<br />
a) A equação geral da circunferência é:<br />
x² + y² + A.x + b.y + C = 0<br />
x c = − A 2 = − −2<br />
2 = 1<br />
y c = − B 2 = − −4<br />
2 = 2<br />
Centro C (1,2)<br />
b) A expressão para determinação do raio R é dada por:<br />
R = √x c 2 + y c 2 − C<br />
R = √(1) 2 + (2) 2 + 4<br />
R = √9 R = 3<br />
c) Se o ponto A (x A, y A) pertencer à circunferência, deve satisfazer à<br />
equação dessa circunferência, isto é, ao substituir os valores de x A e<br />
y A, deve-se encontrar a igualdade 0 = 0.<br />
Ponto A (x A, y A) = (4, 2) e equação da circunferência<br />
x² + y² – 2x – 4y – 4 = 0.<br />
Substituindo, tem-se:<br />
4² + 2² – 2.4 – 4.2 – 4 = 0 16 + 4 – 8 – 8 – 4 = 0<br />
0 = 0 Assim, o ponto A pertence à circunferência.<br />
d) Se o ponto B (x B, y B) pertencer à circunferência, deve satisfazer à<br />
equação dessa circunferência, isto é, ao substituir os valores de x B e<br />
y B, deve-se encontrar a igualdade 0 = 0.<br />
Ponto B (x B, y B) = (1, –3) e equação da circunferência<br />
38
x² + y² – 2x – 4y – 4 = 0.<br />
Substituindo, tem-se:<br />
1² + (–3)² – 2.1 – 4.(–3) – 4 = 0<br />
1 + 9 – 2 + 12 – 4 = 0<br />
16 ≠ 0<br />
Assim, o ponto B não pertence à circunferência.<br />
8. Determine a posição relativa da reta r e da circunferência C<br />
cujas equações são:<br />
r: x – y – 1 = 0<br />
C: x² + y² – 4.x – 2.y + 3 = 0<br />
Primeira solução<br />
O sistema a ser resolvido é:<br />
x – y – 1 = 0<br />
x² + y² – 4x – 2y + 3 = 0<br />
Na primeira equação, y = x – 1. Substituindo na segunda equação do<br />
sistema tem-se:<br />
X² + (x – 1)² – 4.x – 2.(x – 1) + 3 = 0<br />
X² – 4.x + 3 = 0<br />
Δ = b² – 4.a.c = (–4)² – 4.1.3 = 4 > 0<br />
Conclusão: como o discriminante é positivo, r e C são secantes.<br />
Segunda solução<br />
A equação da circunferência C é dada por:<br />
x² + y² – 4.x – 2.y + 3 = 0<br />
Quando a equação geral da circunferência é x² + y² + A.x + B.y + C<br />
= 0 as coordenadas do centro são dadas por:<br />
x C = – A/2 , y C = – B/2<br />
39
Assim, x C = – -4/2 = 2, y C = – -2/2 = 1 e<br />
A reta r tem equação dada por r: x – y – 1 = 0<br />
A distância d C do centro à reta r:<br />
Conclusão: como d c < R, reta e circunferência são secantes.<br />
9. Determine a posição relativa da reta r e da circunferência C cujas<br />
equações são:<br />
r: x + y – 2 = 0 e<br />
C: x² + y² – x – y = 0<br />
Solução:<br />
A equação da circunferência C é dada por:<br />
x² + y² – x – y = 0<br />
Quando a equação geral da circunferência é:<br />
x² + y² + A.x + B.y + C = 0, as coordenadas do centro são dadas<br />
por: x C = – A/2 , y C = – B/2<br />
Assim, x C = – -1/2 = 0,5, y C = – -1/2 = 0,5 e<br />
A reta r tem equação dada por r: x + y – 2 = 0<br />
A distância d C do centro à reta r:<br />
40
Conclusão: como d c = R, reta e circunferência são tangentes.<br />
10. Sejam as circunferências de equações<br />
Determine:<br />
Solução:<br />
(C 1) x² + y² – 4 = 0 e<br />
(C 2) x² + y² + 2x – 2y = 0.<br />
a. A posição relativa de C 1 e C 2.<br />
b. Os pontos de interseção de C 1 e C 2.<br />
a) Quando a equação geral da circunferência é x² + y² + A.x + B.y +<br />
C = 0 as coordenadas do centro são dadas por: x C = – A/2 , y C = –<br />
B/-2<br />
Assim, para a circunferência C 1 tem-se:<br />
x C = – 0/2 = 0, y C = – 0/-2 = 0 e<br />
e para a circunferência C 2 tem-se:<br />
x C = – 2/2 = -1, y C = – -2/-2 = 1 e<br />
Distância entre os centros das circunferências C 1 e C 2 é dada por:<br />
Observe que é verdade a relação R 1 – R 2 < d < R 1 + R 2 para C 1 e C 2,<br />
ou seja, são secantes.<br />
b) Para se determinar os pontos de interseção das circunferências<br />
C 1 e C 2, deve-se resolver o sistema a seguir:<br />
41
A primeira equação pode ser reescrita como:<br />
x² + y² = 4.<br />
Substituindo na segunda equação do sistema, encontra-se:<br />
4 + 2x – 2y = 0, ou ainda,<br />
2y = 4 + 2x ou y = 2 + x.<br />
Substituindo y = 2 + x na equação x² + y² = 4, tem-se que:<br />
x² + (2 + x)² = 4.<br />
x² + 4 + 4x + x² = 4<br />
2x² + 4x = 0<br />
x = 0 ou x = –2<br />
Como y = 2 + x, para x = 0, y = 2 e para x = –2, y = 0.<br />
Logo os pontos de interseção são A (0, 2) e B (–2, 0).<br />
5.2 Elipse<br />
Curiosidade<br />
Vários ramos da engenharia valem-se das cônicas. Na engenharia<br />
mecânica, por exemplo, é comum o uso de engrenagem elípticas.<br />
A utilização dessas cônicas nas várias ciências vem acompanhando o<br />
homem e sua evolução a séculos. Para ilustrar, pode-se citar o<br />
monumento da Roma antiga – o Coliseu – cuja seção horizontal<br />
apresenta a forma de uma elipse.<br />
Outro exemplo histórico relaciona-se ao grande Arquimedes, que<br />
teria incendiado parte da esquadra romana que atacou Siracusa. Ele<br />
construíra espelhos que convergiam a luz solar sobre os navios,<br />
incendiando-os.<br />
A elipse é uma curva plana definida no R 2 , como o lugar geométrico<br />
dos pontos cuja soma das distâncias a dois pontos fixos (focos) deste<br />
plano é constante.<br />
Considere-se no plano dois pontos distintos, F 1 e F 2, cuja distância é<br />
2c, ou seja: d(F 1, F 2) = 2c. A esta distância chama-se distância focal.<br />
42
Figura: 39 - Elipse<br />
O centro da elipse é o ponto médio do segmento F 1, F 2.<br />
Os vértices da elipse são: A 1A 2 e B 1B 2.<br />
O eixo maior é o segmento A 1A 2 cujo comprimento é 2a.<br />
O eixo menor é o segmento B 1B 2 cujo comprimento é 2b.<br />
<strong>Um</strong>a importante característica da elipse é a sua excentricidade, que<br />
é definida pela relação:<br />
Ɛ = c/a (0 < Ɛ < 1, sendo Ɛ a letra grega épsilon)<br />
Figura: 40 - Elipse<br />
Se Ɛ = 0, tem-se uma circunferência de diâmetro 2ª e os focos F 1,<br />
F 2 coincidem com o centro da circunferência.<br />
Se Ɛ = 1, tem-se um segmento retilíneo F 1F 2.<br />
43
5.2.1 Equações<br />
Equação da Elipse com centro na origem do sistema<br />
a) Quando o eixo maior coincide com o eixo x.<br />
Sejam: P = (x, y) um ponto genérico da elipse.<br />
F1 = (-c, 0) e F2 = (c, 0)<br />
Por definição temos: d(P, F1) + d(P, F2) = 2a<br />
X 2 /a 2 + y 2 /b 2 = 1<br />
Figura: 41 - Equação da elipse com centro na origem do<br />
sistema<br />
b) Quanto o eixo maior coincide com o eixo y.<br />
Na figura abaixo tem-se: F1 = (0, c) e F2 = (0, -c)<br />
44
Figura: 42 - Equação da elipse com centro na origem do<br />
sistema<br />
De forma análoga demonstra-se que para um P(x, y) pertencente<br />
à elipse tem-se a equação canônica:<br />
ATENÇÃO:<br />
X 2 /b 2 + y 2 /a 2 = 1<br />
Na equação canônica a é a medida do semieixo maior e a 2<br />
representa o maior dos denominadores. Se o número a 2 é<br />
denominador de:<br />
X 2 , então os focos estão sobre o eixo x;<br />
Y 2 , então os focos estão sobre o eixo y.<br />
Equação da Elipse com centro fora da origem do sistema e cujos<br />
eixos são paralelos aos eixos coordenados<br />
a) Quando o eixo maior é paralelo a x.<br />
Figura: 43 - Equação da elipse<br />
45
) Quando o eixo maior é paralelo a y.<br />
Figura: 44 - Equação da elipse<br />
5.2.2 Exercícios Resolvidos<br />
1. Se temos a equação x 2 /4 + y 2 /16 = 1, que representa uma<br />
elipse podemos deduzir:<br />
a 2 = 16, ou seja, seu eixo maior é 2a = 8 e coincide com o eixo y.<br />
b2 = 4, ou seja, seu eixo menor é 2b = 4 e coincide com o eixo x.<br />
Coordenadas dos focos:<br />
c 2 = a 2 – b 2 = 16 – 4 = 12 →<br />
c = 2√3. Então: F1 = (0, 2√3) e F2 = (0, -2√3)<br />
Graficamente temos:<br />
46
2. Dada a equação da elipse 16x2 + 9y2 = 144, pede-se:<br />
a) A equação canônica;<br />
Dividindo cada termo da equação dada por 144: 16x 2 /144<br />
+ 9y 2 /144 = 144/144 →<br />
x 2 /9 + y 2 /16 = 1<br />
b) A excentricidade;<br />
Da equação canônica: a 2 = 16 → a = 4 e b 2 = 9 → b = 3,<br />
então se c 2 = a 2 - b 2 = 7 → c = √7<br />
Se Ɛ = c/a → Ɛ = √7/4.<br />
c) O gráfico, as coordenadas dos focos e dos vértices.<br />
Como a 2 = 16 é o denominador de y, isto indica que o eixo maior<br />
está sobre o eixo das ordenadas.<br />
E temos a = 4, b = 3 e c = √7<br />
47
As coordenadas dos focos:<br />
F1 = (0, √7) e F2 = (0, -√7)<br />
As coordenadas dos vértices:<br />
A1 = (0, 4) e A2 = (0, -4)<br />
B1 = (-3, 0) e B2 = (3, 0)<br />
3. Dê as equações das elipses cujos gráficos estão representados<br />
abaixo:<br />
x 2 /16 + y 2 /25 = 1 x 2 /14 + y 2 /5 = 1<br />
48
4. Determinar as equações das elipses representadas abaixo:<br />
Da figura obtém-se: Origem = (3, -2), a = 2 e c = 1.<br />
Calculando b: b 2 = a 2 – c 2 → b 2 = 4 – 1 → b = √3<br />
Portanto a equação da elipse é da forma:<br />
Levando os correspondentes valores na equação acima:<br />
Observe que as coordenadas do foco são:<br />
F1 = (2, -2) e F2 = (4, -2)<br />
49
Da figura obtém-se: Origem = (4, 0), a = 5 e b = 1.<br />
A elipse apresentada tem equação do tipo:<br />
Substituindo os valores obtidos da figura na equação acima:<br />
5. Dada a elipse abaixo, determine:<br />
a) As medidas dos semieixos.<br />
b) A equação reduzida da elipse.<br />
c) A excentricidade da elipse.<br />
50
Solução:<br />
a) A partir da figura conclui-se que 2a = 10, portanto o<br />
semieixo maior é igual a 5. Da mesma forma, é possível<br />
observar que 2b = 6 e b = 3 (semieixo menor).<br />
b) Note que a elipse é “alongada” na horizontal, assim sua<br />
equação reduzida é:<br />
x 2 /a 2 + y 2 /b 2 = 1. Substituindo a e b, tem-se:<br />
x 2 /5 2 + y 2 /3 2 = 1 → x 2 /25 + y 2 /9 = 1<br />
c) A excentricidade da elipse é dada pela relação e = c/a . Como<br />
a² – b² = c², tem-se que 5² – 3² = c² → c = 4<br />
Portanto, e = c/a = 4/5 = 0,8.<br />
5.3 Parábola<br />
Definição<br />
A parábola é uma curva plana definida no R². É o lugar<br />
geométrico dos pontos que são equidistantes de um ponto (foco)<br />
e de uma reta (diretriz).<br />
A parábola da figura a seguir mostra alguns dos seus pontos, que<br />
são equidistantes do ponto F (foco da parábola) e da reta r<br />
(diretriz da parábola).<br />
51
Figura: 45 - Parábola<br />
Elementos de definição da parábola<br />
Numa parábola arbitrária, temos os seguintes elementos:<br />
Foco: o ponto F;<br />
Reta diretriz: d;<br />
Eixo de simetria: reta perpendicular a diretriz que passa pelo<br />
ponto F;<br />
Vértice: o ponto V de interseção do eixo de simetria com a<br />
parábola.<br />
5.3.1 Equação da Parábola<br />
Para obter a equação da parábola, define-se por d (A, B) a<br />
distância entre os pontos A e B.<br />
Sendo o ponto P’ a interseção da reta perpendicular à diretriz r,<br />
baixada de um ponto P da parábola, conforme as definições, temse:<br />
d(P, F) = d(P, P’).<br />
52
Suponha que o eixo de simetria da parábola coincida com o eixo<br />
das ordenadas (y) e o vértice com a origem dos eixos, assim, F<br />
(0, P/2) e V (0, 0).<br />
Figura: 46 - Equação da parábola<br />
A equação acima é chamada equação reduzida da parábola e<br />
constitui a forma padrão da equação da parábola de vértice na<br />
origem, tendo como eixo o eixo das ordenadas.<br />
53
Analogamente, a parábola com eixo de simetria coincidente com<br />
o eixo das abscissas (x) e o vértice ainda coincidindo com a origem<br />
dos eixos. Assim, F (P/2, 0) e V (0, 0),<br />
Desta forma, neste caso a equação reduzida da parábola é: Y 2 =<br />
2px, graficamente representado a seguir.<br />
Figura: 47 - Equação da parábola<br />
Translação de eixo (Eixo de simetria paralelo às ordenadas): (x –<br />
xo) 2 = 2p(y – yo)<br />
Figura: 48 - Equação da parábola<br />
54
5.3.2 Exercícios Resolvidos<br />
1. Determine o foco e a equação da diretriz da parábola y² = –4x.<br />
Solução:<br />
y² = – 4x<br />
Sabendo que a equação é do tipo:<br />
y² = +2px<br />
Assim: 2p = –<br />
4<br />
p = –2<br />
p/2 = –1<br />
Portanto, F(–1, 0) e diretriz: x = 1<br />
2. Determine a equação da parábola de vértice V (3, –2) e<br />
diretriz y – 2 = 0.<br />
Solução:<br />
(x – xo) 2 = 2p(y – yo) → (x – 3) 2 = 2p(y + 2)<br />
Diretriz: y – 2 = 0 ou seja y = 2<br />
Se p/2 = 4 então P = 8<br />
Logo, como a abertura é para baixo, temos que:<br />
p = –8<br />
x² – 6x + 9 = + 2(–8)(y + 2)<br />
x² – 6x + 9 = –16y – 32<br />
16y = –x² + 6x – 41<br />
55
Figura: 49 - Solução<br />
3. Dada a equação da parábola y = x² – 8x +15, determine o<br />
vértice V, diretriz r e o foco F.<br />
Solução<br />
O vértice é o ponto de mínimo ou máximo da parábola, logo:<br />
Xv = -b/2a = -(-8)/2.1 = 8/2 = 4<br />
Yv = -∆/4a = - 4/4.1 = -4/4 = -1<br />
Assim, V (4, –1). Como: (x – xo) 2 = 2p(y – yo) →<br />
(x – 4) 2 = 2p(y – (–1)) → x 2 – 8x + 16 = 2py + 2p → 2py = x 2 – 8x +<br />
16 – 2p<br />
Assim:<br />
Em todos os casos, p = 1/2 e – p/2 = 1/4<br />
Logo a diretriz será: y = - 5/4 e F (3/4, 4)<br />
56
5.4 Hipérbole<br />
Definição<br />
A hipérbole é uma curva plana definida no R². É definida como o<br />
lugar geométrico dos pontos cuja diferença das distâncias a dois<br />
pontos fixos (focos) deste plano é constante.<br />
Considere-se no plano dois pontos distintos, F1 e F2, cuja distância<br />
é 2c, ou seja: d (F1, F2) = 2c.<br />
A hipérbole será definida pelo conjunto dos pontos P (x, y) do<br />
plano, tais que a diferença das distâncias desse ponto aos pontos<br />
F1 e F2 seja fixa e igual a 2a, (2a < 2c), ou seja: d(P, F1) – d(P, F2) =<br />
2a.<br />
Figura: 50 - Hipérbole<br />
Elementos de definição da hipérbole<br />
Numa hipérbole arbitrária, temos os seguintes elementos:<br />
Focos: os pontos F1 e F2;<br />
Distância focal: distância 2c entre os focos;<br />
Eixo real: segmento de reta A1A2 de comprimento 2a;<br />
57
Eixo imaginário: segmento de reta B1B2 perpendicular ao eixo<br />
real, cuja interseção com o eixo maior é o centro dos eixos no<br />
ponto O (origem);<br />
Vértices: pontos A1 e A2.<br />
Excentricidade (Ɛ): é a razão entre c e a, Ɛ = c/a.<br />
Hipérbole é uma curva simétrica em relação aos eixos real e<br />
imaginário.<br />
Com base na figura abaixo, pode-se perceber que, em toda<br />
hipérbole, vale a seguinte relação entre as grandezas a, b e c. c² =<br />
a² + b²<br />
Figura: 51 - Hipérbole<br />
Ao traçarmos duas retas, uma pelo centro O e pelo ponto (a, b) e<br />
a outra pelo centro O e pelo ponto (-a, b), como apresentado na<br />
figura a seguir, teremos duas retas que nunca se encontram com<br />
a hipérbole, apesar de quanto mais se afastam do centro, mais se<br />
aproximam da hipérbole. Essas retas são chamadas de assíntotas.<br />
58
Figura: 52 - Assíntotas<br />
As assíntotas são muito usadas para traçar os esboços dos<br />
gráficos das hipérboles.<br />
5.4.1 Equações<br />
Equação da hipérbole com centro na origem do sistema<br />
Eixo real sobre o eixo das abscissas (x). Para obter a equação da<br />
hipérbole, define-se um ponto P (x, y) qualquer da hipérbole de<br />
focos F1 e F2. Pela definição anterior tem-se que:<br />
d (P, F1) – d (P, F2) = 2a<br />
Suponha, inicialmente, que o eixo real da hipérbole coincida com<br />
o eixo das abscissas (x) e o centro da hipérbole com a origem dos<br />
eixos. Assim, F1 (–c, 0), F2 (c, 0) e O (0, 0), conforme a figura a<br />
seguir:<br />
59
Manipulando a equação anterior e utilizando a relação que c² = a²<br />
+ b², obtém-se:<br />
x 2 /a 2 – y 2 /b 2 = 1<br />
A equação acima é chamada equação reduzida da hipérbole e<br />
constitui a forma padrão da equação da hipérbole de centro na<br />
origem e que tem como eixo real o eixo das abscissas.<br />
Analogamente, a hipérbole com eixo real coincidente com o eixo<br />
das ordenadas (y) e o centro ainda coincidindo com a origem dos<br />
eixos.<br />
Assim, F1 (0, –c) e F2 (0, c) e O (0, 0).<br />
Neste caso, a equação reduzida da elipse é:<br />
x 2 /b 2 – y 2 /a 2 = 1<br />
Equação da hipérbole com centro fora da origem do sistema<br />
Consideremos uma hipérbole de centro C (h, k) e um ponto P (x,<br />
y) qualquer da hipérbole.<br />
60
Assim como já vimos no estudo da parábola sobre a translação do<br />
eixo, o caso da hipérbole é análogo àquele anterior. Assim,<br />
quando o eixo real for paralelo ao eixo das abscissas e o centro C<br />
(h, k), a equação passa a ser:<br />
No caso de o eixo real ser paralelo ao eixo das ordenadas (y), da<br />
mesma forma a equação é:<br />
5.4.2 Exercícios Resolvidos<br />
1. A hipérbole da figura abaixo tem a equação reduzida: x 2 /9 –<br />
y 2 /4 = 1.<br />
Determine as coordenadas dos vértices, dos focos e as<br />
equações das assíntotas.<br />
Solução:<br />
Para obter os vértices (A1 e A2), faz-se y = 0:<br />
x 2 /9 - y 2 /4 = 1<br />
x = ±3 (vértice)<br />
A1 (0, –3) e A2 (0, 3)<br />
Fazendo-se x = 0, obtém-se:<br />
61
0/9 – y 2 /4 = 1 → y 2 = – 4<br />
O resultado não pertence aos Reais. A hipérbole não corta o eixo<br />
das ordenadas. Contudo o valor do b será igual a 2.<br />
Como:<br />
C² = a² + b² → C² = 3² + 2² → c = ± √13<br />
Assim, os focos têm as seguintes coordenadas:<br />
F1 = (– √13, 0) e F2 = (√13, 0)<br />
As equações das assíntotas da hipérbole serão:<br />
2. Determine a equação da hipérbole de focos F1 (2, 3), F2 (6, 3) e<br />
um dos seus vértices é A1(3, 3).<br />
Solução:<br />
a = 1 e c = 2 → 2 2 = 1 2 + b 2 → b = √3<br />
62
Referências bibliográficas<br />
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Janeiro: Ciência Moderna, 2008.<br />
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CAMARGO, I.; BOULOS, P. Geometria analítica: um tratamento<br />
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FEITOSA, M. O. Cálculo <strong>Vetorial</strong> e Geometria Analítica: Exercícios<br />
Propostos e Resolvidos. 4. ed. São Paulo: Atlas, 1996.<br />
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ZILL, D. G., CULLEN, M. R. Matemática Avançada para Engenharia<br />
V. 2 – Álgebra Linear e Cálculo <strong>Vetorial</strong>. São Paulo: Bookman,<br />
2009.<br />
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