1. Produto vetorial. 2. Aplicações. 3. Produto misto. Álgebra Linear I - Aula 5 1 Produto vetorial Roteiro Definição: Dados vetores ū = (u 1, u 2, u 3 ) e v = (v 1, v 2, v 3 ) de R 3 definimos o produto vetorial ū v como o vetor i j k ( ) ū v = v 1 v 2 v 3 = u 2 u 3 v 2 v 3, u 1 u 3 v 1 v 3, u 1 u 2 v 1 v 2, onde i = (1, 0, 0), j = (0, 1, 0) e k = (0, 0, 1). 1.1 Propriedades do produto vetorial O vetor ū v é ortogonal aos vetores ū e v, isto é, ū (ū v) = v (ū v) = 0. Para provar a afirmação é suficiente interpretar ū (ū v) como um determinante com duas linhas iguais. Veja que ( ) u ū (ū v) = (u 1, u 2, u 3 ) 2 u 3 v 2 v 3, u 1 u 3 v 1 v 3, u 1 u 2 v 1 v 2 = u = u 2 u 3 1 v 2 v 3 u 2 u 1 u 3 v 1 v 3 + u 3 u 1 u 2 v 1 v 2 = = v 1 v 2 v 3 = 0. 1
ū v = v ū (a troca da ordem de duas linhas de um determinante muda o sinal). ū ū = 0 (um determinante de uma matriz com duas linhas iguais vale zero). (ū + ū ) v = (ū v) + (ū v), (σū) v = σ(ū v), para todo σ R. ū v = 0 se, e somente se, os vetores ū e v são paralelos ( v = σū). Também temos as seguintes propriedades: O módulo do produto vetorial ū v é a área de um paralelogramo de lados ū e v, (lembre o significado geométrico de um determinante dois por dois como área de um paralelogramo). O módulo do produto vetorial verifica a fórmula: ū v = ū v sen α, onde α é o ângulo entre os vetores ū e v. Orientação do vetor ū v: o sentido de ū v pode ser determinado usando a regra da mão direita, se θ é o ângulo formado pelos vetores ū e v, e ū é girado um ângulo até coincidir com v, se os dedos da mão direita se fecharem no sentido desta rotação então o polegar aponta no sentido de ū v. Dito de outra forma, primeiro colocamos o canto da mão coincidindo com o primeiro vetor com a parte que corresponde ao dedo polegar sobre a origem do vetor. Depois fazemos girar a mão até coincidir con o vetor v (usando o caminho mais curto), deste jeito, o polegar apontara no sentido do vetor ū v. Exemplo 1. Verificam-se as igualdades i j = k, i k = j, j k = i. 2
Observação 1. Não é válida, em geral, a fórmula ū ( v w) = (ū v) w. Por exemplo, pois j j = 0). Porém i (j j) = 0 (i j) j = k j = i. Portanto, a expressão ū v w não tem sentido: são necessários parênteses para saber quais são os produtos vetorias que devemos calcular. 2 Aplicações do produto vetorial 2.1 Cálculo da área de um paralelogramo Exemplo 2. Determine a área do paralelogramo de vértices (0, 0, 0), (1, 2, 3) e (2, 1, 1). Resposta: A área é igual ao módulo do produto vetorial dos vetores (1, 2, 3) e (2, 1, 1). Temos que i j k (1, 2, 3) (2, 1, 1) = 1 2 3 = ( 1, 5, 3). 2 1 1 Verifiqe que este vetor é ortogonal aos vetores (1, 2, 3) e (2, 1, 1). Temos ( 1, 5, 3) = 1 + 5 2 + 3 2 = 35. Portanto, a área é 35. Questão 1. O quarto vértice do paralelogramo do exemplo anterior está determinado? Quantas possibilidades existem? (um desenho ajuda, veja os desenhos do significado geométrico do determinante). Exemplo 3. Considere um paralelogramo P cujos vértices são a origem, o ponto A = (1, 2, 3) e um terceiro vértice C na reta (t, t, t). Determine C de forma que o paralelogramo P tenha área 1. 3
Resposta: Para cada t, sejam C t = (t, t, t) e P t um paralelogramo com vértices (0, 0, 0), (1, 2, 3) e (t, t, t). A área de P t é t 6 (justifique). Logo o ponto procurado é (por exemplo) C = (1/ 6, 1/ 6, 1/ 6). Existem outras possibilidades? Em caso Caso afirmativo determine os diferentes casos. 2.2 Cálculo do vetores ortogonais a dois vetores dados u e v Observe que dados dois vetores ū e v para determinar um vetor ortogonal aos dois vetores é suficiente calcular ū v. Exemplo 4. Determine um vetor ortogonal a ū = (1, 2, 3) e v = (2, 1, 1). Resposta: Por exemplo, o vetor ū v = ( 1, 5, 3) (verifique, usando o produto escalar, a ortogonalidade). 3 Produto Misto Dados três vetores de R 3 ū = (u 1, u 2, u 3 ), v = (v 1, v 2, v 3 ) e w = (w 1, w 2, w 3 ) definimos o produto misto ū ( v w) como ū ( v w) = v 1 v 2 v 3 w 1 w 2 w 3. Observe que a expressão (ū v) w não faz sentido: não é possível calcular o produto vetorial de um número (ū v) por um vetor. 3.1 Significado geométrico do produto misto Propriedade 3.1 (Volume e produto misto). O valor absoluto ū ( v w) é o volume do paralelepípedo de arestas ū, v e w. 4
n ū w h v Figura 1: Produto misto Prova: Para provar a propriedade considere o vetor n = v w. Suponha que a base do paralelepípedo contém os vetores v e w. A área A da base é A = n (esta afirmação segue do significado geométrico do produto vetorial). Então, a altura h do paralelepípedo é ū cosα, onde α é o ângulo formado por n e ū. Portanto, o volume do paralelepípedo é base por altura, isto é, A h = n ū cosα = ū n = ū v w. Obtemos assim a propriedade. 3.2 Propriedades do produto misto Enumeraremos as principais propriedades do produto misto. Estas propriedades decorrem das propriedades dos determinantes. ū (ū v) = 0 = ū ( v ū), pois ū v = n é ortogonal a ū, logo ū n = 0 (v. também pode interpretar como um determinante com duas linhas iguais). O produto misto verifica as seguines relações (correspondentes a trocar a ordem de colunas em um determinante): ū ( v w) = ū ( w v) = w (ū v) = w ( v ū), etc. 5
ū ( w w) = 0 = w (ū w). Exemplo 5. Sabendo que ū ( v w) = 2 determine v (ū w), w (ū v), ū ( w v). Observe que v (ū w) = ū ( v w) = 2. Também w (ū v) = ū ( w v) = ū ( v w) = 2. 6