Produto interno, externo e misto

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1 Produto interno, externo e misto Definição: Chama-se norma (ou comprimento) do vector u ao comprimento do segmento de recta [OP ] e representa-se por u. Definição: Sejam a = OA e b = OB dois vectores não nulos. Dizemos que θ é o ângulo formado pelos vectores a e b, e denotamos θ = (a, b) se θ for o menor dos ângulos definido pela semi-recta com origem em O que passa pelo ponto A e pela semi-recta com origem em O que passa pelo ponto B. Convenção: Se algum dos vectores é o vector nulo convenciona-se que o ângulo é zero. Definição: Sejam u = OX e a = OA dois vectores com u 0.Seja U o ponto de intersecção da recta que passa por A e é perpendicular a u com a recta OX. A projecção ortogonal do vector a sobre o vector u é, por definição, o número real proj u a definido por: OU, se u pertence à semi-recta de origem no ponto O e que passa pelo ponto X. OU,caso contrário. 1

2 Propriedades: A projecção ortogonal de um vector a sobre um vector u não nulo não depende da norma de u, ou seja, para qualquer λ > 0 tem-se: proj u a = proj λu a Dados três vectores a, b, e u tais que u 0, proj u (a + b) = proj u a + proj u b PRODUTO INTERNO Definição: Sejam a e b dois quaisquer vectores de R 3 e seja θ o ângulo formado por a e b. Chamamos produto interno dos vectores a e b ao número real a b = a b cosθ 2

3 Observações: a = a a Em particular a a = 0 a = 0 e a a > 0, se a 0 Reparemos ainda que a b = a proj a b, se a 0 e a b = b proj b a, se b 0 proj a b = b cosθ, θ = (a, b) se a 0 Propriedades: 1. a b = b a 2.λ(a b) = (λa) b = a (λb), λ R 3. (a + b) c = a c + b c 4. a (b + c) = a b + a c Definição: Sejam v 1, v 2,..., v k vectores de R 3 Dizemos que (v 1, v 2,..., v k ) é uma sequência ortogonal de vectores se os vectores v 1, v 2,..., v k são ortogonais dois a dois, isto é, v i v j = 0 se i j Dizemos que uma base (e 1, e 2, e 3 )de R 3 é uma base ortogonal se é uma sequência ortogonal de vectores. Dizemos que é uma base ortonormada se é uma base ortogonal constituída por vectores de norma 1. Observações: 1. Se (v 1, v 2,..., v k ) é uma sequência ortogonal de vectores não nulos de R 3 então é uma sequência de vectores linearmente independentes e, portanto k Sejam (e 1, e 2, e 3 ) uma base ortonormada de R 3 e x um vector de R 3. Então existem x 1, x 2, x 3 R tais que x = x 1 e 1 + x 2 e 2 + x 3 e 3. Os co-senos directores do vector x relativamente a (e 1, e 2, e 3 ) são dados por Teorema: x 1 x 1, x 2 x 2, x 3 x 3 Sejam (e 1, e 2, e 3 ) uma base de R 3. Então, dados dois vectores u = u 1 e 1 + u 2 e 2 + u 3 e 3 e v = v 1 e 1 + v 2 e 2 + v 3 e 3, temos: u v = 3 (u i v j )(e i e j ) i,j=1 Além disso, se a base (e 1, e 2, e 3 ) é ortonormada, u v = u 1 v 1 + u 2 v 2 + u 3 v 3 3

4 Corolário: Seja (e 1, e 2, e 3 ) uma base ortonormada de R 3. Então para um vector u = u 1 e 1 + u 2 e 2 + u 3 e 3 de R 3, tem-se: u = u u2 2 + u2 3 O produto externo e o produto misto Definição: Seja (e 1, e 2, e 3 ) uma base de R 3 e P = M(id R 3; (e 1, e 2, e 3 ); ((1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 1))). Dizemos que (e 1, e 2, e 3 ) é uma base directa de R 3 se P > 0. Se P < 0 dizemos que a base é inversa. Observação: A base canónica de R 3 é directa. Definição: Sejam u e v dois vectores de R 3. Chamamos produto externo ou produto vectorial do vector u pelo vector v, ao vector de R 3, que denotamos por u v ou por u v definido do seguinte modo: 1. Se ue v são linearmente dependentes então u v = Se u e v são linearmente independentes, u v é o vector perpendicular aos vectores u e v de norma igual a u v sen(θ) tal que(u, v, u v) é uma base directa de R 3, sendo θ o ângulo formado pelos vectores u e v. Observações: O produto externo não é comutativo. O produto externo não é associativo. Definição: Sejam u, v e w três vectores de R 3. Ao número real (u v) w chamamos produto misto dos vectores u, v e w (por esta ordem). Propriedades do produto misto: Sejam u, v e w três vectores de R 3. Então: 1. (u v) w = 0 se, e só se, os vectores u,v e w são linearmente dependentes; 2. (u v) w > 0 se, e só se, (u, v, w) é uma base directa de R 3 ; 3. (u v) w < 0 se, e só se, (u, v, w) é uma base inversa de R 3 4. (u v) w = (w u) v = (v w) u; 5. (u v) w = (v u) w = (w v) u = (u w) v; 6. (u v) w = u (v w). 4

5 Propriedades do produto externo: Sejam u, v e w três vectores de R 3 e λ um número real. Então: 1. u v = v u; 2. λ(u v) = (λu) v = u (λv); 3. (u + v) w = (u w) + (v w); 4. u (v + w) = (u v) + (u w). Teorema: Seja (e 1, e 2, e 3 ) uma base ortonormada directa de R 3. Então u v = (α 2 β 3 α 3 β 2 )e 1 + (α 3 β 1 α 1 β 3 )e 2 + (α 1 β 2 α 2 β 1 )e 3 para quaisquer vectores de R 3 u = α 1 e 1 + α 2 e 2 + α 3 e 3 e v = β 1 e 1 + β 2 e 2 + β 3 e 3. Observação: Nas condições do teorema anterior é usual escrevermos simbolicamente: u v = e 1 e 2 e 3 α 1 α 2 α 3 β 1 β 2 β 3 5

6 Teorema: Seja (e 1, e 2, e 3 ) uma base ortonormada directa de R 3. Então dados três vectores u = u 1 e 1 + u 2 e 2 + u 3 e 3, v = v 1 e 1 + v 2 e 2 + v 3 e 3, e w = w 1 e 1 + w 2 e 2 + w 3 e 3 temos: (u v) w = u 1 u 2 u 3 v 1 v 2 v 3 w 1 w 2 w 3 Aplicações 1. Considere-se o seguinte paralelogramo A área do paralelogramo é dada por OC OA 6

7 2. Sejam u = OA, v = OB e w = OC três vectores não complanares de R 3. Então os vectores u, v, e w definem um paralelipípedo de volume não nulo : O volume deste paralelipípedo é dado por ( ) OA OB OC 7

8 RECTA E PLANO Representação cartesiana da recta Definição: Designa-se por representação cartesiana de uma recta a uma equação ou sistema de equações cujas soluções são as coordenadas dos seus pontos em relação a um certo referencial. Dado um ponto P = (a, b, c) duma recta e um vector u = (u 1, u 2, u 3 ) com a direcção dessa mesma recta, um ponto qualquer (x, y, z) da recta é dado por: (x, y, z) = (a, b, c) + λ(u 1, u 2, u 3 ), λ R EQUAÇÃO VECTORIAL DA RECTA x = a + λu 1 y = b + λu 2 z = c + λu 3, λ R EQUAÇÕES PARAMÉTRICAS DA RECTA Para u 1 0, u 2 0 e u 3 0, Estas equações vêm: x a = y b = z c u 3 u 1 u 2 EQUAÇÕES NORMAIS DA RECTA Para u 1 = 0, u 2 0 e u 3 0, x = a e y b u 2 = z c u 3 Para u 1 0, u 2 = 0 e u 3 0, y = b e Para u 1 0, u 2 0 e u 3 = 0, z = c e Se u 1 = 0, u 2 = 0 e u 3 0, x a u 1 x a u 1 = z c u 3 = y b u 2 X R x = a e y = b Se u 1 = 0, u 2 0 e u 3 = 0, X R x = a e z = c Se u 1 0, u 2 = 0 e u 3 = 0, X R y = b e z = c 8

9 Para u 3 0 temos ainda que se: m = u 1 u 3, n = u 2 u 3, p = a cu 1 u 3 e q = b cu 2 u 3, Então { x = mz + p y = nz + q EQUAÇÕES REDUZIDAS DA RECTA Representação cartesiana do plano Dado um ponto P = (p 1, p 2, p 3 ) dum plano e dois vectores u = ( u 1, u 2, u 3 ) e v = (v 1, v 2, v 3 ) linearmente independentes, um ponto qualquer (x, y, z) do plano definido pelo ponto P e pelos vectores u e v é dado por: (x, y, z) = (p 1, p 2, p 3 ) + λ( u 1, u 2, u 3 ) + µ(v 1, v 2, v 3 ), λ, µ R EQUAÇÃO VECTORIAL DO PLANO x = a + λu 1 + µv 1 y = b + λu 2 + µv 2 z = c + λu 3 + µv 3, λ, µ R EQUAÇÕES PARAMÉTRICAS DO PLANO 9

10 Por outro lado sabemos que X P X P + u, v P X u, v P X (u v) = 0 x p 1 y p 2 z p 3 u 1 u 2 u 3 v 1 v 2 v 3 = 0 Assim os pontos do plano P são os pontos de R 3 que são solução da equação linear nas variaveis x, y e z: ax + by + cz + d = 0 EQUAÇÃO GERAL DO PLANO Sabemos que (a, b, c) são as coordenadas dum vector perpendicular ao plano P. INCIDÊNCIA E PARALELISMO Sejam P 1 e P 2 dois planos, P 1 e P 2 verificam uma e uma só das condições: a) P 1 = P 2 10

11 b) P 1 e P 2 são estritamente paralelos c) A intersecção de P 1 com P 2 é uma recta 11

12 Seja P 1 um plano e R 1 uma recta, P 1 e R 1 verificam uma e uma só das condições: a) R 1 P 1 b) R 1 é estritamente paralela a P 1 c) A intersecção de R 1 com P 1 é um ponto, ou seja, a recta R 1 e o plano P 1 são concorrentes. 12

13 Sejam R 1 e R 2 duas rectas, R 1 e R 2 verificam uma e uma só das seguintes condições: a) R 1 = R 2 b) R 1 e R 2 são estritamente paralelas c) R 1 e R 2 são concorrentes d) R 1 e R 2 são enviezadas. 13

14 DISTÂNCIAS Distância entre dois pontos Sejam P = (a, b, c) e Q = (x, y, z) dois pontos de R 3. Então: d(p, Q) = P Q = (x a) 2 + (y b) 2 + (z c) 2 Distância de um ponto a um plano P = (x 0, y 0, z 0 ) R 3 P um plano Seja R a recta perpendicular ao plano P que passa pelo ponto P. Se Q é o ponto de intersecção desta recta com o plano P. d(p, P) = d(p, Q) = P Q M P, w P d(p, P) = proj w MP = w MP w 14

15 Se o plano P está representado pela equação vectorial: X = M + λ u + µv, λ, µ R Dado que o vector u v é perpendicular ao plano P, da equação anterior vem: d(p, P) = proj u v MP = u v MP u v Se o plano P é representado pela equação geral ax + by + cz + d = 0 d(p, P) = ax 0 + by 0 + cz 0 + d a 2 + b 2 + c 2 15

16 Distância dum ponto a uma recta Sejam P um ponto de R 3 e R uma recta. Dado um ponto M da recta R sabemos que: d(p, R) = MP senθ Se u é um vector director da recta então: u MP d(p, R) = u Se S é a recta que passa pelo ponto P e é perpendicular e concorrente no ponto Q com a recta R, então : d(p, R) = d(p, Q) = P Q 16

17 Distância entre dois planos Sejam P e P dois planos 1. Se os planos são coincidentes d(p, P ) = 0 2. Se os planos P e P se intersectam segundo uma recta então: d(p, P ) = 0 3. Se os planos P e P são estritamente paralelos a distância entre P e P é igual à distância de um ponto qualquer de P ao plano P. d(p, P ) = d(p, P )com P P 17

18 Distância de uma recta a um plano 1. Se a recta e o plano são concorrentes: d(r, P) = 0 2. Se a recta R é paralela ao plano P d(p, R) = d(p, P), P R 18

19 Distância entre duas rectas 1. Se as rectas são concorrentes: d(r, R ) = 0 2. Se as rectas são paralelas: d(r, R ) = d(p, R ), P R 3. Se a recta R é paralela ao plano P que contêm a recta R, i. e., R e R são enviezadas, e u e v são os vectores directores de R e R respectivamente d(r, R ) = u v QP u v, P R, Q R 19

20 ÂNGULOS Ângulo de duas rectas Sejam R 1 e R 2 duas rectas cujos vectores directores são u e v respectivamente (R 1, R 2 ) = Arc cos u v u v 20

21 Ângulo de uma recta com um plano Seja P um plano, R uma recta e R uma recta perpendicular a P (R, P) = π 2 (R, R ) Se w é um vector director da recta e u e v são os vectores directores do plano então k = u v é um vector director de R e: w k (R, P) = Arc sen w k Se o plano P é representado pela equação geral ax + by + cz + d = 0 vem que k = (a, b, c) e sendo w = ( w 1, w 2, w 3 ) aw 1 + bw 2 + cw 3 (R, P) = Arc sen a 2 + b 2 + c 2 w1 2 + w2 2 + w2 3 21

22 Ângulo de dois planos Sejam P 1 e P 2 dois planos e k 1 e k 2 dois vectores perpendiculares a P 1 e P 2 respectivamente (P 1, P 2 ) = Arc cos k 1 k 2 k 1 k 2 Suponhamos que a 1 x + b 1 y + c 1 z + d 1 = 0 e a 2 x + b 2 y + c 2 z + d 2 = 0 são as equações gerais de P 1 e P 2 respectivamente, (P 1, P 2 ) = Arc cos a 1 a 2 + b 1 b 2 + c 1 c 2 a b c2 1 a b c2 2 22