Geometria analítica e álgebra linear aulas 1 a 3 [unifacs] by EAD UNIFACS

GEOMETRIA ANALÍTICA E ÁLGEBRA LINEAR Autor: Alessandro Ferreira

Universidade Anhembi Morumbi

Universidade Salvador

Janes Fidelis Tomelin Diretor de EaD

Adriano Lima Barbosa Miranda Diretor de Educação Corporativa e Novos Projetos

Fabiano Prado Marques Diretor Acadêmico – Escola de Engenharia e Tecnologia

Rafael Gonçalves Bezerra de Araújo Diretor da Escola de Engenharia e TI

Greice Freitas Revisor Técnico

Ilka Rebouças Freire Revisor Técnico

Universidade Potiguar

Rede Laureate Internacional de Universidades

Barney Vilela Coordenador Geral do Núcleo de Coordenação a Distância Catarina de Sena Pinheiro Diretora da Escola de Engenharia e Ciências Exatas

Daniella Loureiro Koncz Coordenadora de Novos Negócios André Torres Gregório Designer Instrucional

FabriCO Projeto educacional Projeto gráfico Autoria do conteúdo Revisão ortográfica e gramatical

Unit 1 - Introductions

SUMÁRIO AULA 1 - O ESTUDO DOS VETORES....................................................................................... 5 INTRODUÇÃO........................................................................................................... 5 OBJETIVOS................................................................................................................ 6 1.1 Segmento Orientado.................................................................................... 6 1.1.1 Equipolência entre segmentos orientados........................................ 9 1.2 O conceito formal de vetor.......................................................................... 9 1.3 Multiplicação por escalar........................................................................... 12 1.3.1 Sistema de coordenadas.................................................................. 14 1.3.2 Vetores Colineares e Paralelos........................................................ 21 1.3.3 Norma.............................................................................................. 21 1.4 Adição de vetores...................................................................................... 13 1.5 Representação analítica de vetores.......................................................... 14 1.6 Produtos entre vetores.............................................................................. 23 1.6.1 Produto escalar................................................................................ 23 1.6.2. Ângulo entre vetores...................................................................... 24 1.6.2 Produto vetorial............................................................................... 26 1.6.3 Produto Misto................................................................................... 29 CONCLUSÃO........................................................................................................... 30 AULA 2 - CURVAS E SUPERFÍCIES NO ESPAÇO.................................................................... 31 INTRODUÇÃO......................................................................................................... 31 OBJETIVOS.............................................................................................................. 32 2.1 A Reta ............................................................................................................ 32 2.1.1 Equação Vetorial da Reta ....................................................................... 32 2.1.2 Equações Paramétricas da Reta ............................................................. 34 2.1.3 Equações Simétricas da Reta ................................................................. 36 2.1.4 Ângulo entre Duas Retas ....................................................................... 36 2.2 O Plano .......................................................................................................... 38 2.2.1 Equação Geral do Plano ......................................................................... 38 2.2.2 Equação Vetorial do Plano ..................................................................... 39 2.2.3 Ângulo entre Dois Planos ...................................................................... 40 2.3 Seções Cônicas ............................................................................................... 41 2.4 Parábola ......................................................................................................... 44 2.4.1 Equações Reduzidas da Parábola .......................................................... 45 2.5 Elipse ............................................................................................................. 46 2.5.1 Equações Reduzidas da Elipse................................................................ 47

2.6 Hipérbole ....................................................................................................... 48 2.6.1 Equações Reduzidas da Hipérbole.......................................................... 49 2.7 Superfícies Quádricas Centradas .................................................................... 51 2.8 Superfícies Quádricas Não Centradas............................................................. 54 CONCLUSÃO........................................................................................................... 56 AULA 3 - SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES..................................................................... 57 INTRODUÇÃO......................................................................................................... 57 OBJETIVOS.............................................................................................................. 57 3.1 Equação Linear: Coeficientes – Variáveis – Termo Independente.................. 58 3.2 Sistema Linear................................................................................................ 59 3.2.1 Matrizes Associadas a um Sistema Linear.............................................. 60 3.3 Resolução de Sistemas Lineares..................................................................... 62 3.4 Classificação Quanto ao Número de Soluções .............................................. 63 3.5 Discussão de Um Sistema Linear ................................................................... 66 3.6 Regra de Cramer ............................................................................................ 67 3.7 Sistemas Homogêneos .................................................................................. 69 3.8 Aplicações Envolvendo os Sistemas Lineares ................................................ 71 CONCLUSÃO........................................................................................................... 75

AULA 1 O Estudo dos Vetores

INTRODUÇÃO A Geometria Analítica, criada por René Descartes (1596-1650), é a parte da Matemática que trata de resolver problemas cujo enunciado é geométrico com o emprego de processos algébricos. Essa integração da Geometria com a Álgebra é muito rica em seus resultados, em suas propriedades e em suas interpretações. As aplicações da Geometria Analítica à Engenharia são muitas. Por exemplo, a Ford Motor Company tem economizado milhões de dólares a cada ano em projetos assistidos por computador através do uso de vetores, grandezas vetoriais e propriedades associadas, assuntos que você vai estudar nesta aula. A partir de agora, você estudará os vetores como instrumento importante na constituição de referenciais e na busca por ferramentas que nos levem a representar movimentos específicos sobre corpos. Você também conhecerá as principais operações, como o produto escalar e vetorial.

GEOMETRIA ANALÍTICA E ÁLGEBRA LINEAR

OBJETIVOS Os objetivos de aprendizagem desta aula são: » » compreender o conceito de vetor; » » representar vetores analítica e geometricamente em duas e três dimensões; » » operar vetores entre si e com escalares, segundo adição, multiplicação por escalar, produto escalar, produto vetorial e produto misto.

1.1 SEGMENTO ORIENTADO Existem dois tipos de grandezas: as escalares e as vetoriais. As escalares ficam completamente definidas por um número real acompanhado de uma unidade adequada. Como exemplo, estão o comprimento, a área, o volume, a massa e a temperatura. As grandezas vetoriais, para serem devidamente caracterizadas, necessitam também de módulo, direção e sentido. Força, velocidade e aceleração são exemplos desse tipo de grandeza. Desta forma, os vetores são apresentados na formação básica como grandezas que têm direção, sentido e comprimento. Você se lembra das forças resultantes em Física? Elas são representadas, em geral, por vetores reunidos pela origem. A figura mostra um exemplo:

Figura 1 - Forças na física. Fonte: Ferreira (2014).

O conceito de vetor é, no ponto de vista da Geometria Analítica e da Álgebra Linear, mais do que apenas um ente geométrico como na Física. Portanto, você será apresentado à construção passo a passo de uma forma diferente de conceber vetor, o que dá sentido a muitas das situações enfrentadas por você até o momento. É necessário retomar considerações sobre ponto, reta e plano. Euclides de Alexandria (século IV a.C.) estabeleceu sistemas axiomáticos da Geometria a partir de noções primitivas desses elementos.

Axiomas são proposições primitivas aceitas como verdadeiras sem demonstrações. Os axiomas também são chamados de postulados ou proposições primitivas.

AULA 1 - O ESTUDO DOS VETORES

Segundo a definição dada pelo pai da Geometria, Euclides (1855, p. 121), no seu livro “Elementos”, “[...] ponto é o que não tem partes, ou o que não tem grandeza alguma. Além disso, encontramos que reta “[...] é o que tem comprimento sem largura”. Uma versão traduzida da obra está disponível no endereço: <http://www.mat. uc.pt/~jaimecs/euclid/elem.html.

Para estudar os vetores, adotaremos as noções de ponto, reta e plano. Segundo Dante (2011), temos um conhecimento intuitivo de cada um destes entes, decorrente da experiência e da observação. Para representá-los, siga as regras. a) Letras: Ponto – letras maiúsculas latinas: A, B, C, ... Reta – letras minúsculas latinas: a, b, c, ... Plano – letras gregas minúsculas: α, β, γ, ... b) Notações Gráficas: P ·

Figura 2 - Os entes primitivos. Fonte: Ferreira (2014).

Agora, podemos iniciar o estudo dos vetores com a definição de segmento orientado de reta. Um segmento orientado de reta é determinado por dois pontos, sendo o primeiro a origem do segmento e o segundo, a extremidade. Assim, dados os pontos A e B, denota-se o segmento orientado de reta que tem origem em A e extremidade em B por AB.

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Figura 3 - O segmento orientado. Fonte: Ferreira (2014).

Indicamos o segmento por uma flecha para que você possa identificar a origem e a extremidade. Neste caso, o segmento AB parte de A e termina em B. Os elementos que caracterizam um segmento orientado são: direção, sentido e comprimento. Este segmento pertence a uma reta que o contém. Logo, ao falarmos em direção de um segmento orientado, fala-se na direção desta reta. É uma referência, por exemplo, pelas posições vertical e horizontal, assim como 45 graus em relação ao eixo horizontal. O sentido de um segmento orientado é, fixada a sua direção, a referência ao caminho da origem para a extremidade. Por exemplo, um segmento orientado AB tem o sentido de A para B, enquanto BA tem sentido de B para A. Observe os segmentos das figuras a seguir.

Figura 4 - Caracterização de um segmento orientado. Fonte: Winterle (2000).

Ao fixar uma unidade de medida (u.m.), por exemplo, 1 centímetro, o comprimento de um segmento orientado é igual à quantidade de vezes que essa unidade compõe o segmento. A partir do conceito de segmento orientado, para chegar ao conceito proposto para vetor, é importante definir uma relação importante entre segmentos orientados.

Figura 5 - Mais exemplos de segmentos orientados. Fonte: Winterle (2000).

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1.1.1 Equipolência entre segmentos orientados Dois segmentos orientados são ditos equipolentes sempre que têm mesma direção, mesmo sentido e mesmo comprimento. Observe.

Figura 6 - Segmentos orientados equipolentes. Fonte: Steinbrush; Winterle (1987).

A relação de equipolência satisfaz três propriedades que a caracterizam como equivalência. Ou seja, segmentos equipolentes são equivalentes. São elas: » » propriedade reflexiva: um segmento orientado AB é equipolente a ele mesmo, ou seja, AB~AB; » » propriedade simétrica (simetria): dados dois segmentos orientados AB e CD, se AB~CD então CD~AB; » » propriedade transitiva: considerando segmentos orientados AB, CD e EF, se AB~CD e CD~EF, então AB~EF.

1.2 O CONCEITO FORMAL DE VETOR Imagine um segmento orientado AB qualquer e um conjunto formado por todos os segmentos orientados equipolentes a ele. É possível preencher, por exemplo, toda uma página de um livro com segmentos orientados equipolentes, não é mesmo? Nestas condições, o conjunto de todos os equipolentes a AB, incluindo-o, é chamado vetor AB.





Notação: v ou AB .



Em síntese, um vetor v é um representante de um conjunto de segmentos orientados equipolentes. Este conjunto é também chamado classe de equivalência de v. É essa forma de conceituar vetor que permite, por exemplo, agrupar duas forças que atuam sobre um corpo de forma a determinar a sua resultante. Ao reunir tais forças com origens coincidentes, você não está transpondo as forças para outra posição. Na verdade, como a força é um vetor (portanto, um segmento orientado), você considera um equipolente a ele na posição desejada.

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Figura 7 - Resultante entre vetores. Fonte: Winterle (2000).

Os vetores podem também ser usualmente denotados por letras minúsculas, tais como u,v e w. É importante destacar que o vetor é um representante do conjunto que o constitui. No entanto, qualquer segmento orientado pertencente ao conjunto pode ser também um representante desta classe de equivalência.

Exercite sua habilidade de abstração e busque elementos em sua imaginação para consolidar a construção apresentada para o conceito de vetor.

   v O comprimento do vetor v também é chamado de módulo de v e é denotado por . Segue do  Teorema de Pitágoras o módulo de um vetor pode ser calculado usando as suas componentes,  que 2 v = (v1 , v2 ) , então: v ∈ � por exemplo, se com  v = v12 + v22 Desta forma, um vetor é dito unitário se o seu comprimento for igual a 1 unidade de medida. É importante destacar que todo vetor está associado a outro de mesma direção, mesmo sentido e 1  unitário associado é chamado versor. Observe na figura a unidade de comprimento.  Este  vetor u u 1 seguir que os vetores são e 2 unitários.

AULA 1 - O ESTUDO DOS VETORES

Figura 8 - Versor. Fonte: Steinbrush; Winterle (1987).

Quanto à posição de um vetor em relação a outros, destacamos três situações importantes: a) sempre que dois vetores têm mesma direção são ditos colineares; b) vetores não nulos e pertencentes a um mesmo plano são coplanares;

 comprimento, mas sentidos  contrários, c) sempre que dois vetores têm mesma direção e mesmo − v v são ditos vetores opostos e escrevemos então para denotar o oposto de .

Figura 9 - Vetores coplanares. Fonte: Winterle (2000).

E no caso de vetores não coplanares observe.

Figura 10 - Vetores não coplanares. Fonte: Winterle (2000).

O estudo de vetores foi apresentado, até o momento, em termos geométricos. Mas vivemos em um espaço com três dimensões: largura, comprimento e altura. Por esse motivo, é comum reconhecer esse espaço como tridimensional, ou 3D.

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1.3 MULTIPLICAÇÃO POR ESCALAR Você deve se lembrar de que grandezas escalares são aquelas que se caracterizam apenas por uma medida (quantidade, comprimento, tempo etc.). Os números reais, por exemplo, são grandezas escalares e agem sobre o módulo de vetores. Multiplicação por escalar significa multiplicar vetores por números reais.

Há multiplicação de vetores por escalares de outra natureza, mas esse é um assunto para a álgebra abstrata. Aqui, nosso escopo requer o conjunto dos números reais.

Considere um vetor v não nulo e um número real a, que pode ser positivo, negativo ou nulo. Assim, o a .v produto resulta em um vetor com comprimento vezes o comprimento de , de modo que: a) se a > 0, a .v é um vetor que mantém a mesma direção e sentido de v, mas com comprimento a vezes o comprimento de v; b) se a < 0, a .v é um vetor que mantém a mesma direção, mas com comprimento a vezes o comprimento de v e sentido contrário ao de v; c) se a = 0, a .v resulta no vetor nulo ∅. Por exemplo, para o vetor v a seguir, temos que 2v e –2v, bem como 3v e –3v são vetores que dobram o comprimento de v, mas para a = -2, os sentidos são opostos.

Figura 11 - Multiplicação de um vetor por um escalar. Fonte: Winterle (2000).

É importante destacar que 1v = v. Afinal, a unidade é positiva, o que mantém o sentido de . Por ser a unidade, mantém o comprimento. Já -1v = -v, ou seja, mantém o comprimento, mas inverte o sentido do vetor. Neste caso, diz-se que -v é o vetor oposto de v.

AULA 1 - O ESTUDO DOS VETORES

1.4 ADIÇÃO DE VETORES Considere dois vetores u e v tais que u=AB. Para efetuar a soma u + v, considere os equipolentes aos vetores de tal forma que a extremidade de u coincida com a origem de v e, assim, u+v=AD. Aqui, temos o procedimento padrão para determinarmos a soma entre dois vetores conhecida como regra do triângulo. Da mesma forma, ao somar v + u, tem-se que v + u.

Figura 12 - Adição de vetores. Fonte: Ferreira (2014).

A operação pode envolver qualquer quantidade de vetores. Por exemplo, u + v + w + j. Para isso, você deve agrupar os vetores da mesma forma: a origem de v com a extremidade de u; a origem de w com extremidade de v, e assim por diante.

Figura 13 - Adição de três ou mais vetores. Fonte: Ferreira (2014).

A seguir, são apresentadas algumas destas propriedades, considere os vetores . a) Propriedade Comutativa: u + v = v + u. b) Propriedade Associativa: (u + v )+ w = u + (v + w). Por ser válida a comutatividade, podemos excluir os parênteses, deixando ao seu critério associar as somas à sua escolha: (u + v)+ w = u + (v + w) = u + v + w. c) Existência do elemento neutro da adição de vetores: ∅ + v = v + ∅ = v. d) Existência do oposto de v: o vetor oposto de v é o vetor -v, pois v + (-v ) = (-v )+ v =

É bastante comum, em especial na Física, efetuar a soma de vetores u + v por meio de um mecanismo simples que se constitui em considerar equipolentes a u e v com origens coincidentes de modo obter um paralelogramo. Este mecanismo é conhecido como regra do paralelogramo. Neste caso, o vetor u + v coincide com a diagonal deste paralelogramo, onde a origem coincide com a origem de u.

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Figura 14 - Regra do Paralelogramo. Fonte: Ferreira (2014).

O vetor u1 é equipolente a u e v1 equipolente a v. Essas equipolências garantem que a regra do paralelogramo forneça um vetor equipolente à soma u + v. Você pode estar se perguntando sobre a diferença entre vetores. Em geral, a diferença u - v não é definida como outra operação. O que ocorre é a soma pelo oposto, ou seja, u - v = u + (-v). Geometricamente, podemos visualizar u - v pela regra do paralelogramo. Basta considerar os vetores envolvidos conforme a figura, note que o vetor u1 é paralelo a u e tem o mesmo comprimento.

Figura 15 - Adição u + (-v). Fonte: Ferreira (2014).

1.5 REPRESENTAÇÃO ANALÍTICA DE VETORES Esta seção busca representar analiticamente os vetores que pertencem ao espaço em três dimensões. Estamos iniciando o tratamento analítico para vetores no plano e no espaço. Para tal, iniciamos com a construção do sistema cartesiano de eixos coordenados no plano e no espaço.

1.3.1 Sistema de coordenadas Imagine um vetor i unitário, ou seja, com comprimento igual a 1, na direção horizontal com sentido da esquerda para a direita. Ao multiplicarmos i por todos os números reais, incluindo o zero, obtemos vetores que, sobrepostos, dão origem ao eixo horizontal usualmente conhecido como eixo x. Da mesma forma, pense em um vetor unitário j na direção vertical e sentido para cima de modo que a sua origem coincida com a origem do vetor i. Ao multiplicar j por todos os reais, a exemplo do que foi pensado para , tem-se um eixo vertical a que chamamos de modo usual por eixo y.

AULA 1 - O ESTUDO DOS VETORES

Figura 16 - Os versores i e j do plano euclidiano. Fonte: Winterle (2000).

Associe a construção algébrica do plano cartesiano àquela costumeiramente apresentada na formação básica durante o estudo das relações entre conjuntos e o produto cartesiano ℝ X ℝ.

A reunião das origens dos eixos é conhecida como origem do sistema cartesiano e denota-se por O (0,0). Esse sistema é o marco inicial para a caracterização analítica de vetores. Acompanhe a situação proposta: represente analiticamente o vetor v conforme a figura. Os vetores i e j estão representados juntamente com o sistema cartesiano de eixos.

Figura 17 - Representação analítica de vetor no plano. Fonte: Ferreira (2014).

Para isso, observe que o produto do vetor i por 3i e de j por 2 determina um par de vetores 3i e 2j. Ao somar tais vetores, obtém-se o vetor 3i + 2j. O vetor v pode, nestas condições, ser expresso por v = 3i + 2j. Esta é a representação analítica para o vetor v. Estamos caracterizando-o por meio de uma expressão algébrica! Os vetores 3i e 2j são as componentes ou coordenadas de v. Outra notação equivalente para v = 3i + 2j é v = 3,2. Observe que (3,2) coincide com as coordenadas da extremidade de v.

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Diferencie as representações de ponto e vetor pelo sinal de igual. Os pontos são denotados sem a igualdade. Por exemplo, A(3,-4) . Já os vetores são representados na sua notação. Veja: v = (-4,6).

Generalizando, se multiplicarmos i e j por x e y, respectivamente, temos que: v = xi + yj = (x,y) Neste sentido, os vetores i e j são expressos por: i = 1i + 0j e j = 0i + 1j Caso o vetor tenha origem e extremidade diferentes da origem, as componentes não são determinadas diretamente como foi estabelecido para o vetor com origem em O. Dados dois pontos A e B, formamos AO e OB e determinamos AB com início em A e fim em B. Observe.

Figura 18 - Vetores formados por dois pontos A e B. Fonte: Ferreira (2014).

Logo, o vetor v = AB é a diferença OB - OA. Essa representação se reduz à diferença entre as coordenadas do ponto B e do ponto A, o que permite denotar o vetor v = AB por v = AB = B - A. Para sua melhor compreensão, considere e A(2,5) e B(7,1). O vetor v = AB é representado analiticamente por v = B - A = (7,1)-(2,5)=(5,-4). Observe a figura.

AULA 1 - O ESTUDO DOS VETORES

Figura 19 - Representação analítica de vetores quaisquer. Fonte: Ferreira (2014).

Agora pense na área à sua volta. Não vivemos em planos, mas, sim, em um espaço tridimensional. Os vetores podem ser considerados como elementos desse espaço. Assim, devemos construir a representação destes entes geométricos também nesse contexto. A construção apresentada até o momento é estendida para o espaço utilizando a mesma ideia. Até agora, temos que v = xi + yj. Agora, vamos acrescentar mais um eixo a este plano, que incluirá um novo elemento: a altura. Considere um vetor unitário k com direção vertical. Ao multiplicar k por todos os reais, você vai obter um eixo vertical. Ao coincidir o vetor nulo 0k com a origem do plano cartesiano e com os produtos de reais positivos por k para cima, surge um sistema composto de três eixos, todos ortogonais entre si. Em perspectiva, tem-se a formação conforme a figura.

Figura 20 - Sistema cartesiano tridimensional. Fonte: Winterle (2000).

Para cada par de eixos, temos a formação de um plano ilimitado. Esses planos se interceptam pelos eixos X, Y e Z e cada uma das oito regiões formadas é chamada octante, como na figura a seguir.

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Figura 21 - Octante no ℝ³ Fonte: Winterle (2000).

Desta forma, pode-se perceber que qualquer ponto A neste espaço tridimensional é referenciado por três coordenadas A (xyz), assim como os vetores. Neste caso, diz-se que: Para visualizarmos melhor este aparato geométrico, consideremos o paralelepípedo da figura a seguir, onde o ponto P(2, 4, 3).

Figura 22 - Visualização de pontos no espaço tridimensional. Fonte: Winterle (2000).

Assim, podemos notar que: » » o ponto A possui coordenadas x = 2, y = 0 e z = 0, pois quando o ponto se encontra sobre o eixo dos x y = 0 e z = 0, donde escrevemos A(2, 0, 0). Analogamente, percebe-se que C(0, 4, 0) e E(0, 0, 3); » » temos que B(2, 4, 0), pois aqui o ponto (x, y, z) está no plano xy e assim z = 0. Similarmente, F(2, 0, 3) (no plano xz) e D(0, 4, 3) (no plano yz).

AULA 1 - O ESTUDO DOS VETORES

Vejamos os casos especiais dos pontos pertencentes aos eixos e aos planos coordenados como podemos verificar na figura a seguir.

Figura 23 - Casos especiais no espaço tridimensional. Fonte: Winterle (2000).

Segundo Winterle (2000, p. 34) se desejarmos marcar um ponto no espaço, por exemplo, o ponto A(3, – 2, 4), procedemos da seguinte forma: 1) marcamos o ponto A’(3, – 2, 0) no plano xy; 2) deslocamos A’ paralelamente ao eixo z, 4 unidades para cima (se fosse – 4 seriam 4 unidades para baixo) para caracterizarmos o ponto A.

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Figura 24 - Representando um ponto A no espaço tridimensional. Fonte: Winterle (2000).

Em síntese, o sistema cartesiano tridimensional (a exemplo do sistema bidimensional) consiste em três eixos (x, y e z) perpendiculares entre si dois a dois, cuja interseção entre eles é a origem. Por ser percebido também pelo produto cartesiano ℝ x ℝ x ℝ, logo o sistema cartesiano tridimensional é denotado por ℝ³. Da mesma forma, ℝ² designa o sistema cartesiano bidimensional. Destacamos também que os vetores em suas representações analíticas partem da origem O (0,0,0). Para o caso de um vetor v = AB, em que A (x1,y1,z1) e B (x2,y2,z2), o procedimento é o mesmo para definir v analiticamente para vetores no espaço bidimensional: v = AB = B-A = (x2-x1,y2-y1,z2-z1) Observe a figura. seg (4,6,10) to (9,12,4)

(x,y,z) = (9,12,4) z

z1 A v

z2 B

OB x2

y2 y

Figura 25 - Vetor formado por dois pontos no ℝ². Fonte: Ferreira (2014).

O vetor é a diferença entre os vetores OB e OA, a exemplo do ℝ². Assim, tem-se que v = B-A.

AULA 1 - O ESTUDO DOS VETORES

1.3.2 Vetores Colineares e Paralelos A representação analítica permite identificar vetores com mesma direção. Neste caso, diz-se que os vetores são colineares. Se dois vetores u=(x1,y1,z1 ) e v=(x2,y2,z2) têm mesma direção, então, as retas suportes destes vetores são paralelas.

Figura 26 - Vetores colineares no ℝ³. Fonte: Ferreira (2014).

Você pode observar que a diferença entre eles está no sentido e no comprimento. Logo, a multiplicação por escalar, que atua sobre seus componentes, indica a relação entre os vetores. Desta forma, temos que , em que é um número real não nulo, e: v = (x2,y2,z2) = a = (x1,y1,z1) = (ax1,ay1,a az1) Portanto, se v =au, pelas coordenadas: x2=ax1; y2=ay1e z2=az1 Equivalentemente,

Por exemplo, os vetores u=(-1,3,15) e v=(4,-12,-45) são colineares. De fato, a constante entre eles é a = 3: 4=-3. (-1); -12 = -3 . 3 e -45=-3 . 5. Você já descreveu direções, sentidos, colinearidade e outras caracterizações de vetores. É chegado o momento de determinar comprimento ou norma de um vetor.

1.3.3 Norma Considerando a reta numerada, é possível medir distâncias entre números. Por exemplo, a distância entre 0 e 7, ou entre -7 e 0, é igual a 7. Conclui-se que o módulo de 7, denotado entre barras é igual a |7| e, portanto, |7| = |-7| = 7. Quando falamos em vetores, estamos tratando grandezas com comprimento, direção e sentido. Por isso, costumamos atribuir a expressão norma quando falamos em distâncias e comprimentos neste contexto. Denota-se a norma de um vetor v por ||v||. Para calcular a norma de um vetor, você deve usar o Teorema de Pitágoras, conforme indica a figura.

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Figura 27 - Norma no ℝ². Fonte: Ferreira (2014).

A norma do vetor coincide com a medida da hipotenusa do triângulo destacado na figura, a saber:

Por exemplo, se v=0i-5j que tem origem coincidente com O (0,0), a norma unidades de medida. Generalizando, para vetores que partem da origem,

No espaço tridimensional, a ideia é a mesma, incluindo a aplicação recursiva do triângulo retângulo. Logo: A expressão para calcular a norma de um vetor qualquer no espaço tridimensional está fundamentada nos triângulos retângulos formados, conforme indica a figura. Por exemplo, seja v=AB, em que A(2,5,-4) e B(3,0,-6). Então a norma de v é igual a: Por exemplo, seja , em que e . Então a norma de é igual a:

Se o vetor parte da origem, a expressão reduz-se a:

A norma do vetor é, na verdade, a distância entre os pontos A e B. Esse raciocínio pode ser estendido, então, para calcular a distância entre dois pontos.

A partir da norma, podemos determinar o versor de um vetor. Como o versor de v tem mesma direção e sentido, mas comprimento igual a 1, ele é obtido por . Sendo v=(x,y,z), o versor é expresso por .

AULA 1 - O ESTUDO DOS VETORES

A norma do vetor nulo é igual a zero!

Você se lembra de que os vetores são usados, em Física, para representar as forças que atuam sobre corpos? Saiba que a resultante que você deve determinar é resultado de uma operação entre vetores, que você conhecerá a seguir.

1.6 PRODUTOS ENTRE VETORES Agora, você será apresentado aos produtos entre vetores: produto escalar, vetorial e misto.

1.6.1 Produto escalar O produto escalar entre dois vetores u=(x1,y1,z1) e v=(x2,y2,z2) é determinado pela soma dos produtos das coordenadas correspondentes. Notação: u. v. u∙v = x1∙ x2 + y1∙ y2 + z1∙ z2 Por exemplo, para u=(-1,3,7) e v=(0,2,-4), tem-se que u∙v = (-1)∙0+3∙2+7∙(-4) = -22. Observe que o produto escalar é definido também para vetores no ℝ² de modo idêntico. Se u=(x1,y1) e v=(x2,y2) , então u ∙ v = x1 x2 + y1 y2.

O produto escalar satisfaz algumas propriedades algébricas importantes para o estudo da Álgebra Linear e da Geometria Analítica. Dados os vetores u=(x1,y1) e v=(x2,y2) : De fato, ao comparar com a expressão que fornece a norma de um vetor, tem-se que:

As três próximas propriedades são estabelecidas por extensão de propriedades do conjunto dos números reais. » » u∙v=v∙u. » » u∙(v+w)=u∙v+u∙w. » » k(u∙v)=(ku)∙v.

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A próxima propriedade é chamada positividade. » » u∙u ≥ 0 e u∙u=0 e sempre que u=∅, ou seja, u for o vetor nulo. Como u∙u = ||u||², conclui-se que u∙u é sempre positivo, sendo igual a zero quando as coordenadas do vetor são todas nulas, ou seja, u=∅.

O produto escalar é aplicado na construção dos códigos ISBN (International Standard Book Number) utilizados mundialmente para identificação de livros. Esses códigos consistem em 10 dígitos divididos em três grupos. Você pode conhecer como é feita esta aplicação no livro “Álgebra linear contemporânea”, de Howard Anton e Robert Busby.

O produto escalar em ℝ² e ℝ³ é uma ferramenta importante para determinar o ângulo formado por vetores nestes espaços.

1.6.2. Ângulo entre vetores Considera-se o ângulo entre dois vetores não nulos como o menor ângulo formado por eles.

Figura 28 - Ângulo entre vetores. Fonte: Ferreira (2014).

O ângulo a é tal que que 0 ≤ a ≤ 180°. Alguns valores de a valem destaque.

Figura 29 - Ângulos elementares. Fonte: Ferreira (2014).

AULA 1 - O ESTUDO DOS VETORES

Se o ângulo entre os vetores for nulo, ambos têm mesma direção. Se a for igual a 90º, diz-se que os vetores são ortogonais. Caso a seja igual a 180º, os vetores têm sentidos contrários. Teorema 1: Segundo Winterle (2000, p. 56), sejam vetores u, v em ℝ² ou ℝ³ e θ o ângulo formado por eles. Então:

Com relação à demonstração deste resultado, você pode encontrar todos os detalhes em Winterle (2000, p. 56). Equivalente, pode-se considerar o resultado do Teorema 1 como

Por exemplo, considere os vetores u=(0,3) e v=(2,2). Pelo teorema:

Figura 30 - Ângulo entre dois vetores no plano. Fonte: Ferreira (2014).

As funções trigonométricas aplicadas aos ângulos fundamentais (0°, 30°, 45°, 60° e 90°) devem ser suas conhecidas. No entanto, você conta com calculadoras científicas, que podem auxiliá-lo. Nesses equipamentos, utilize a função e expoente -1. São as funções inversas arc seno, arc cos e arc tg. Para calcular o ângulo cujo cosseno é , por exemplo, a função aplicada em uma calculadora científica é: graus. Essa notação é equivalente à .

Como o produto escalar o conduz a determinar ângulo entre vetores, você pode verificar facilmente se dois vetores são ortogonais. Afinal, essa é uma posição relativa entre dois vetores que muito se destaca no estudo da Geometria Analítica e da Álgebra Linear. Sejam dois vetores u,v ortogonais, ou seja, θ = 90º Como cos90°=0, temos que

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Essa relação nos leva a uma forma simples de verificar se dois vetores são ortogonais. Basta calcular o produto escalar entre eles. Se u∙v=0, então u e v são ortogonais. Denota-se usualmente por u ⊥ v.

A sistemática para determinar ângulo entre vetores por meio do produto escalar no espaço tridimensional é a mesma aplicada ao plano.

Em especial no ℝ³, a perspectiva e pouca precisão nos esboços gráficos não nos permitem estabelecer ortogonalidade. Portanto, lance mão das ferramentas algébricas para tal.

1.6.2 Produto vetorial Sejam dois vetores u=(x1,y1,z1) e v=(x2,y2,z2) em ℝ. O produto vetorial, denotado por u x v, resulta em um vetor determinado por: É importante destacar que o produto vetorial obedece à ordem u x v. Desta forma, para:

você pode calcular o determinante por meio de qualquer técnica que seja de seu conhecimento. As mais utilizadas são Laplace, Triangulação e Sarrus, sendo esta última limitada para matrizes de ordem 3.

Não confunda produto vetorial com determinante! Determinante de uma matriz é um número real. Ele aparece aqui como forma de memorizar mais facilmente o produto vetorial e a aplicação é resultado de pura observação. Steinbruch (1987) atribui a expressão determinante simbólico a esta forma de calcular o produto vetorial.

AULA 1 - O ESTUDO DOS VETORES

Exemplo: Considere os vetores u=(-1,3,0) e v=(3,1,2). O produto vetorial u x v, calculado pelo desenvolvimento de Laplace, é:

Comparando os dois produtos, o escalar resulta em um escalar. Por sua vez, produto vetorial resulta em um vetor.

O produto vetorial não está definido no ℝ². Essa afirmação se justifica de forma simples por meio do determinante. Determinante existe para matrizes quadradas. Se os vetores são bidimensionais, teremos três linhas e duas colunas, o que inviabiliza o produto.

Observa-se, pela propriedade de determinante, que permutar (trocar de posição) linhas da matriz altera o sinal do determinante. Neste caso, esta propriedade também se aplica. » » Se efetuarmos u x v, encontraremos como resultado – (u x v). Para o exemplo, u x v = -6i - 2j + 10k. Além dessa propriedade, nos determinantes, linhas múltiplas o anulam. Transposto para o produto vetorial, se os vetores u e v e são colineares, então suas coordenadas são proporcionais, portanto, respectivamente múltiplas. Logo, o produto vetorial é o vetor nulo. Esta afirmação se estende para o produto u x v = 0. Mas lembre-se que é para o caso de termos vetores colineares. As aplicações de produto vetorial na Geometria Analítica e na Álgebra Linear se voltam especialmente para a posição relativa entre os vetores u e ve o vetor resultante de u x v. » » O vetor u x v é ortogonal simultaneamente aos vetores u e v e , o mesmo ocorrendo com u x v. A figura possibilita melhor compreensão desta afirmação.

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Figura 31 - Definição geométrica de produto vetorial. Fonte: Ferreira (2014).

Assim, se quisermos encontrar um vetor simultaneamente ortogonal a outros dois, basta efetuar o produto vetorial entre eles. Lembre-se que u x v e v x u diferem apenas de sinal, ou sentido. Logo, você tem ao menos dois vetores nessas condições. Além disso, qualquer vetor múltiplo ao produto vetorial também satisfaz tal condição. Há uma relação importante entre produto vetorial, ângulo entre vetores e área de paralelogramos. É o que afirma o Teorema 2. Teorema 2: Segundo Winterle (2000, p. 79), sejam u e v vetores em ℝ³. Então, para θ o ângulo formado por u e v, Além disso, ||u x v|| é a área do paralelogramo formado pelos vetores u e v. Para mais detalhes sobre a demonstração deste resultado, você pode encontrar em Winterle (2000, p. 79). Observe a figura.

Figura 32 - Área do paralelogramo. Fonte: Ferreira (2014).

AULA 1 - O ESTUDO DOS VETORES

Por exemplo, consideremos os vetores, u=(4,1,2) e v=(1,-1,0). A área do paralelogramo formado por u e v é calculada a partir do produto vetorial:

Logo, unidades de área.

1.6.3 Produto Misto O produto misto entre vetores u=(x1,y1,z1) e v=(x2,y2,z2) e w=(x3,y3,z3), denotado por (u, v, w) é o número real determinado por: (u, v, w) = u, (v x w) Exemplificando, para u=(-2,2,6), v=(0,3,1) e w=(1,2,0), o produto misto (u, v, w) é igual a:

Seguindo o raciocínio do produto vetorial, o produto misto é calculado com analogia ao cálculo de determinantes, a saber:

Para o exemplo, o produto misto calculado por meio de determinante, pelo desenvolvimento de Laplace, escolhida a segunda linha como parâmetro, é:

O produto misto satisfaz algumas propriedades importantes para o seu estudo. (u, v, w) = 0 se, e somente se, os vetores obedecem às seguintes condições: » » um dos vetores é nulo (∅); » » dois deles são colineares, gerando a matriz com linhas proporcionais, o que anula o determinante; » » os três vetores são coplanares. Neste caso, se os vetores são coplanares, o vetor v x w é ortogonal também a u. Ao efetuarmos o produto u∙(v x w) resulta em 0, indicando 90° entre u e v x w. O módulo do produto misto é interpretado geometricamente como o volume do paralelepípedo formado pelos vetores. Observe a figura.

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Figura 33 - Volume de um paralelepípedo. Fonte: Ferreira (2014).

A relação entre o produto misto e o volume do paralelepípedo formado pelos vetores se dá pelos ângulos θ e β observados em relação aos vetores e a altura do paralelepípedo. Lembre-se que o volume de um paralelepípedo é o produto entre a área da base e a altura. Aqui, a área da base é dada pelo módulo do produto vetorial. Para os vetores do exemplo anterior, o volume do paralelepípedo formado por eles é igual a: unidades de volume. Agora é o momento de buscar representação analítica para os vetores. Isso significa pensar os entes geométricos por meio de sistemas de coordenadas e representações algébricas, o que estabelece toda uma base para definir curvas e corpos no sistema cartesiano de coordenadas.

CONCLUSÃO Nesta aula, você deve ter percebido que podemos referenciar analiticamente entes geométricos no plano e no espaço tridimensional, considerando-se o conceito formal de vetores. Além disso, as operações envolvendo esses vetores são ferramentas aliadas à manipulação de entes geométricos para cálculos específicos de área, volume e ângulos.

AULA 2 Curvas e Superfícies no Espaço

INTRODUÇÃO Nesta aula, você estudará os conceitos formais e os métodos de visualização das curvas e superfícies no espaço. Vamos discutir os principais aspectos teóricos das representações das retas e dos planos, tais como equações vetoriais e paramétricas, e as interpretações geométricas das equações das cônicas (elipse, hipérbole e parábola) e das superfícies quádricas. Você já viu que o conhecimento das grandezas vetoriais é primordial para a Engenharia. Agora, é interessante ressaltar que o tratamento geométrico sobre curvas e superfícies no espaço é de fundamental importância para problemas de planificação de superfícies, associados às indústrias metalúrgicas. Você também utilizará o que aprender aqui no desenvolvimento de novos modelos de peças e em situações que envolvem guindastes, pontes, elevadores, automóveis, dimensionamento de vigas e treliças. É necessário entender as grandezas vetoriais envolvidas e curvas associadas. Mãos à obra!

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OBJETIVOS » » Compreender as principais equações de retas e planos. » » Representar analiticamente retas e planos. » » Reconhecer seções cônicas e superfícies usuais e seus elementos. » » Representar analiticamente as seções cônicas e superfícies quádricas.

2.1 A RETA Vamos começar a aula discutindo as equações e a representação no espaço da reta. Você aprenderá, por exemplo, a apresentar a equação vetorial e as equações paramétricas da reta.

2.1.1 Equação Vetorial da Reta

→

Considere um ponto A(x1, y1, z1) e um vetor→não nulo v = (a,b,c). Assim, existe apenas uma reta r que passa por A e tem a direção do vetor v . Logo, um ponto P(x,y,z) pertence a r se, e somente se, o vetor é paralelo a v. Isto é, para um valor de t real: →

= t v (2.1) Da igualdade supracitada, temos que: →

P–A=tv Ou seja, →

P = A+ t v

(2.2)

Ou, ainda, podemos escrever em coordenadas: (x,y,z) = (x1, y1, z1) + t(a,b,c)

(2.3)

Desta maneira, segundo Steinbruch→ (1987, p. 100), qualquer uma das equações é chamada equação vetorial da reta r. O vetor v é o vetor diretor da reta r, e t é o parâmetro.

AULA 2 - CURVAS E SUPERFÍCIES NO ESPAÇO

Figura 33 - A equação vetorial da reta. Fonte: Steinbruch e Winterle (1987).

Exemplo: → Determine a equação vetorial da reta r que passa pelo ponto A(1, -1, 4) e tem vetor diretor v = (2, 3, 2). Solução: De acordo com a equação 2.3, podemos escrever: r:

(x, y, z) = (1,-1,4) + t.(2,3,2)

Em que (x, y, z) representa um ponto qualquer de r. Ou seja, a igualdade anterior representa a equação vetorial da reta descrita no exemplo.

Figura 34 - A interpretação geométrica da reta do exemplo. Fonte: Winterle (2000).

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Se você quiser obter pontos da reta r, basta atribuir valores para o parâmetro t. Por exemplo, para t = 1, (x, y, z) = (1, -1, 4) + 1(2, 3, 2) = (1, -1, 4) + (2, 3, 2) = (3, 2, 6). Portanto, P1 (3, 2, 6) ∈ r.

2.1.2 Equações Paramétricas da Reta Tendo como referência a equação vetorial da reta: (x, y, z) = (x1, y1, z1) + t.(a, b, c) Ou, ainda: (x, y, z) = (x1 + at, y1 + bt, z1 +ct) Pela condição de igualdade entre vetores, podemos escrever:

(2.4)

As equações 2.4 são chamadas equações paramétricas da reta. Exemplo: Com base em Steinbruch e Winterle (1987, p. 105), considere o ponto A(2, 3, -4) e o → vetor v = (1, -2, 3): a) determine os dois pontos B e C de r de parâmetros t = 1 e t = 4, respectivamente; b) caracterize o ponto da reta r cuja abscissa é igual a 4; c) responda: Os pontos D(4, -1, 2) e E(5, -4, 3) pertencem à reta do exemplo?; d) caracterize para quais valores de m e de n o ponto F(m, 5, n) pertence a reta r dada; Solução a) De acordo com a descrição das equações paramétricas, segue que:

b) De acordo com a letra (a), obtemos: » » para t = 1:

e, portanto, B(3, 1, -1);

AULA 2 - CURVAS E SUPERFÍCIES NO ESPAÇO

» » para t = 4:  x = 2 + (4) = 6 e, portanto, B(6, -5, 8).

  y = 3 − 2(4) = −5  z = −4 + 3(4) = 8 

c) Basta considerar x = 4, já que este tem abscissa 4. Assim, tem-se a igualdade 4 = 2 + t, logo, t = 2. Daí:

 y = 3 − 2.(2) = −1 , ou seja, o ponto procurado é (4, -1, 2).  z = −4 + 3.(2) = 2

t=2 ⇒

d) Interpretamos que um ponto pertence à reta r se existir um número real t que satisfaz simultaneamente as equações de t. Dessa forma: » » para D(4, -1, 2), as equações  4 = 2 + t se verificam para t = 2, em que se conclui que D∈r;

  −1 = 3 − 2t 2 = −4 + 3t 

» » para E(5, -4, 3), as equações  5 = 2 + t

  −4 = 3 − 2t −3 = −4 + 3t 

não são satisfeitas para o mesmo valor de t (t = 3

satisfaz a primeira equação, mas não as demais), logo, conclui-se que E ∉r.

 m = 2+t  e) Como F∈r, as equações  5 = 3 − 2t se verificam para algum número real t. Da equação 5 n = −4 + 3t  = 3 – 2t, segue que t = – 1 e, portanto: m = 2 + (– 1) = 1 n = – 4 +3.( – 1) = – 7

Você viu que a caracterização das equações paramétricas da reta surge diretamente da equação vetorial. Porém, não existe apenas uma equação vetorial para a reta, mas sim infinitas, já que podemos tomar infinitos pontos distintos da mesma reta.

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A reta definida pelos pontos A e B é a reta que passa por A (ou B) e tem a direção do vetor =

2.1.3 Equações Simétricas da Reta Para trabalhar com as equações simétricas da reta, você precisa retomar as equações paramétricas discutidas anteriormente. Delas, você pode obter: x= x1+ a.t, y= y1 + b.t, z= z1 + c.t Desta maneira, sem perda de generalidade, vamos supor que o produto abc seja não nulo, isto é, que abc ≠ 0. Logo:

x − x1 y − y1 z − z1 t= t= a b c

Para cada ponto da reta corresponde um só valor para t, assim obtemos as igualdades: x − x1 y − y1 z − z1 (2.5)

Essas equações são chamadas de equações simétricas da reta que passa pelo ponto A(x1, y1, z1) e → tem a direção do vetor v = (a,b,c). →

Exemplo: As equações simétricas da reta que passa pelo ponto A(3, 0, -5) e vetor diretor v = (2, 2, -1) são dadas por:

x −3 y z +5 = = 2 2 −1 2.1.4 Ângulo entre Duas Retas

→

v v Considere duas retas, r1 e r2, com as direções de 1 e 2 , respectivamente. Segundo Steinbruch (1987), denomina-se ângulo de duas retas r1 e r2 o menor ângulo de um vetor diretor de r1 e de um vetor diretor de r2. Logo, se representarmos por θ esse ângulo, podemos escrever:

 

| v1.v2 | , com 0 ≤ θ ≤ π . cos θ =   | v1 | . | v2 |

AULA 2 - CURVAS E SUPERFÍCIES NO ESPAÇO

Figura 35 - A interpretação do ângulo formado por duas retas. Fonte: Steinbruch (1987).

Exemplo: Calcule o ângulo formado pelas retas:

x = 3 + t  r1 :  y = t  z = −1 − 2t 

r2 :

x + 2 y −3 z = = −2 1 1 →

→

Solução: Observe que os vetores diretores das retas dadas são v1 = (1, 1, -2) e v2 = (-2, 1, 1), respectivamente. Logo, sendo θ o ângulo entre r1 e r2 :

  | v1.v2 | cos θ =   = | v1 | . | v2 | Portanto, θ = arc cos(

1 )= 2

| (1,1, −2).(−2,1,1) | 12 + 12 + (−2) 2 . (−2) 2 + 12 + 12

| −2 + 1 − 2 | 3 1 = = 6 2 6. 6

rad = 60°

GEOMETRIA ANALÍTICA E ÁLGEBRA LINEAR

→

Dadas duas retas r1 e r2 com as direções de

→

v2 →

, respectivamen→

te, então r1 e r2 são ortogonais se, e somente se, v . v = 0. 1 2

2.2 O PLANO Um plano é formado por três pontos não colineares. Tomando como referência o espaço, a partir de agora você estudará as principais equações do plano.

2.2.1 Equação Geral do Plano

→

Considere um ponto A(x1, y1, z1) pertencente a um plano π e n = (a,b,c), com n não sendo o vetor nulo, conforme mostramos na figura a seguir.

Figura 36 - O plano →

→

π.

Fonte: Winterle (2000).

Observe que n ⊥ π e n é ortogonal a todo vetor representado em π . Então, um ponto P(x,y,z) → pertence a π se, e somente se, o vetor for ortogonal a n . Isto é, se for possível verificar a igualdade: →

n . (P – A) = 0

Ou, ainda, se tivermos: (a, b, c).(x-x1, y-y1, z-z1)=0 Ou seja: a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)=0

AULA 2 - CURVAS E SUPERFÍCIES NO ESPAÇO

a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)=0

Resultando em:

ax+by+cz-ax1-by1-cz1=0

Considerando:

- ax1 - by1 - cz1 = d, A equação geral do plano π é: ax + by + cz + d = 0 →

Note que, como n = (a, b, c) é um vetor normal a π, qualquer vetor →

k. n , com k ≠ 0, é também um vetor normal ao plano, ou seja, ortogonal a qualquer vetor representado no plano π.

Exemplo: Caracterize a equação geral do plano ∈ que passa pelo ponto A(1, – 1, – 3) e tem como → vetor normal o vetor n = (2, 3, 2). Solução: Neste caso, como = (2, 3, 2) é normal a π , temos: 2x + 3y + 2z + d = 0 Como A é um ponto do plano π, suas coordenadas devem satisfazer a equação, isto é: 2.(1) + 3.(– 1) + 2.( – 3) + d = 0 2–3–6+d=0 d=7 Dessa forma, concluímos que a equação geral do plano π é dada por: 3x + 2y – 4z + 7 = 0 Se um plano π intercepta os eixos coordenados nos pontos (p,0,0), (0,q,0) e (0,0,r) com p.q.r ≠ 0, então π admite a equação: , x y z

chamada equação segmentária do plano π.

2.2.2 Equação Vetorial do Plano

→

Considere um ponto A(x0, y0, z0) pertencente a um plano π e dois vetores: u = (a1 , b1 , c1 ) e → v = (a , b , c ) paralelos ao plano π, conforme a figura a seguir. 2

GEOMETRIA ANALÍTICA E ÁLGEBRA LINEAR

Figura 37 - Interpretação da equação vetorial do plano π. Fonte: Steinbruch (1987).

→

Desta forma, podemos pensar que, para qualquer ponto P do plano, os vetores , u e v pertencem ao mesmo plano. Assim, segundo Steinbruch (1987), um ponto P(x,y,z) pertence a π se, e somente se, existirem números reais h e t, tais que: →

→

P – A = h u +t v Ou seja:

→

P = A+ h. u + t. v Ou, em coordenadas:

(x,y,z) = (x0, y0, z0) + (a1, b1, c1) + t(a2, b2, c2) com h, t ∈ℝ. →

→

Essa equação é chamada equação vetorial de π. Os vetores u e v são chamados vetores diretores do plano π.

2.2.3 Ângulo entre Dois Planos

→

Considere os planos π1 e π2 com vetores normais n1 e n2 , respectivamente. Steinbruch (1987) conceitua o ângulo de dois planos π1 e π2 como o menor ângulo que um vetor normal a π1 forma com um vetor normal a π2. Logo, considerando θ esse ângulo:

  π | n1.n2 | cos θ =   , com 0 ≤ θ ≤ 2 . | n1 | . | n2 |

→

n n Imagine dois planos π1 e π2, e 1 e 2 como vetores normais a π1 e π2, respectivamente. Nesse caso, dizemos que π1 e π2 são perpendicu→ →

lares se n1 . n2 = 0.

AULA 2 - CURVAS E SUPERFÍCIES NO ESPAÇO

Exemplo: Caracterize o ângulo formado pelos planos π1: 2x + y – z + 3 = 0 e π2: x + y – 4 = 0. Solução: Inicialmente, note que os planos em questão possuem como vetores normais: →

→

n1 = (2,1,-1) e n2 = (1,1,0) Logo:

Ou seja:

 3 π = cos  6 2   θ = arc

2.3 SEÇÕES CÔNICAS Para começar o tratamento formal sobre as cônicas, considere duas retas e e g concorrentes no ponto O e não perpendiculares. Conservando fixa a reta e, faça a reta g girar 360° graus em torno de e, mantendo constante o ângulo entre tais retas, conforme mostra a figura a seguir.

Figura 38 - Interpretação da superfície cônica. Fonte: Steinbruch (1987).

Sendo assim, segundo Camargo e Boulos (1987), a reta g gera uma superfície cônica circular infinita formada por duas folhas separadas pelo vértice O. Utiliza-se a seguinte nomenclatura:

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» » geratriz – a reta g; » » eixo – a reta e; » » seção cônica (ou cônica) – conjunto de pontos que formam a interseção de um plano com uma superfície cônica.

As curvas cônicas têm sido estudadas desde a antiguidade por matemáticos de referência, como Euclides e Apolônio. Inicialmente abordadas apenas como curiosidade, elas passaram a ter funções práticas importantes em diversas áreas do conhecimento. As cônicas foram fundamentais para o desenvolvimento da astronomia, por exemplo. Kepler e Galileu mostraram que essas curvas ocorrem em fenômenos naturais, como as órbitas dos planetas em torno do sol

Você deve esta se perguntando: cônica não seria uma parábola, uma elipse ou uma hipérbole? A resposta é: sim, quando uma superfície cônica é seccionada por um plano π cujo ponto p não pertence a ele. Segundo Camargo e Boulos (1987), a cônica será classificada como uma: a) parábola – se π for paralelo a uma geratriz da superfície;

Figura 39 - A parábola. Fonte: Steinbruch (1987).

b) elipse – se π não for paralelo a uma geratriz e interceptar apenas uma das folhas da superfície;

AULA 2 - CURVAS E SUPERFÍCIES NO ESPAÇO

Figura 40 - A elipse. Fonte: Steinbruch (1987).

c) hipérbole – se π não for paralelo a uma geratriz da superfície e se interceptar as duas folhas da superfície.

Figura 41 - A hipérbole. Fonte: Steinbruch (1987).

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Observe que as cônicas são curvas planas. Dessa forma, toda argumentação com relação à parábola, elipse e hipérbole se passa em um plano.

2.4 PARÁBOLA A parábola é o conjunto de todos os pontos de um plano equidistantes de um ponto fixo (chamado foco) e de uma reta fixa desse plano (chamada diretriz).

Figura 42 - A interpretação geométrica da parábola. Fonte: Winterle (2000).

Dessa maneira, são elementos fundamentais da parábola: » » foco: é o ponto F; » » diretriz: é a reta d; » » eixo: é a reta e que passa por F e é particular a d; » » vértice: é o ponto V de interseção da parábola com o seu eixo.

A parábola é simétrica em relação ao seu eixo.

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2.4.1 Equações Reduzidas da Parábola Para descrever as equações reduzidas de uma parábola com vértice V(0, 0), há dois casos a considerar: quando o eixo da parábola for o eixo dos y e quando o eixo da parábola for o eixo dos x. Não iremos formalizar todos os procedimentos de cálculos referentes às equações reduzidas. Estas surgem diretamente da definição formal da parábola e de cálculos algébricos. Caso 1: O eixo da parábola é o eixo dos y.

Figura 43 - A parábola cujo eixo é o eixo dos y. Fonte: Steinbruch (1987).

p Na figura anterior, considerando P(x, y) um ponto qualquer da parábola de foco F(0, 2 ) e diretriz p de equação y = − , segundo Steinbruch (1987), sua equação reduzida é dada por x² = 2.p.y. 2 O número real p não nulo é denominado parâmetro da parábola. Se p > 0, a parábola tem abertura para cima. Se p < 0, a parábola tem abertura para baixo.

Exemplo: Caracterize o foco e a equação da diretriz da parábola x² = 2y. Solução: Nesta equação, para cada valor de y, temos dois valores correspondentes de x simétricos. Por exemplo, se y = 2, segue que x = 4 ou x = – 4. Ou, ainda, perceba que os pontos (4, 2) e (– 4, 2) pertencem à parábola do exemplo. Da equação: x² = 2py temos que: 2p = 8

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p=4

p =2 2 Logo, o foco é F(0, 2), e a diretriz é y = – 2. Caso 2: Se o eixo da parábola for o eixo do x, analogamente, considerando P(x, y) um ponto p p qualquer da parábola de foco F( , 0) e diretriz de equação x = − , segundo Steinbruch (1987),

sua equação reduzida é dada por y² = 2.p.x.

Se p > 0, a parábola tem abertura para a direita. Se p < 0, a parábola tem abertura para a esquerda.

2.5 ELIPSE Elipse é o conjunto de todos os pontos de um plano cuja soma das distâncias aos focos desse plano é constante.

Figura 44 - A interpretação geométrica da elipse. Fonte: Steinbruch (1987).

Os elementos da elipse são: » » focos: são os pontos

F1 e F2 ;

» » distância focal: é a distância 2c entre os focos; » » centro: é o ponto médio C do segmento 46

F1 F2 ;

AULA 2 - CURVAS E SUPERFÍCIES NO ESPAÇO

» » eixo maior: é o segmento » » eixo menor: é o segmento médio.; » » vértices: são os pontos

A1 A2

de comprimento 2a (esse segmento contém os focos);

B1 B2 de comprimento 2b e perpendicular a A1 A2 no seu ponto

A1 , A2 , B1 e B2 .

A excentricidade de uma elipse é o número real e = a (0 < e < 1), e ela é quem define a forma da elipse. Grosso modo, quando a excentricidade se aproxima de zero, as elipses são aproximadamente circulares, enquanto elipses com excentricidade próxima de 1 são achatadas.

2.5.1 Equações Reduzidas da Elipse Neste caso, o raciocínio é similar ao da parábola. A caracterização das equações reduzidas da elipse surgem da definição formal e de procedimentos algébricos. Assim, considere uma elipse de centro C(0, 0). Para descrever as suas equações reduzidas, há dois casos a considerar: quando o eixo maior está sobre o eixo do x e quando o eixo maior está sobre o eixo do y. Caso 1: O eixo maior está sobre o eixo do x.

Figura 45 - A elipse com eixo maior está sobre o eixo do x.

x2 y 2 + 2 =1 2 b Deste modo, conforme Steinbruch (1987), sua equação reduzida é dada por a . Para Fonte: Winterle (2000).

chegar a tal equação, é necessário utilizar a definição formal de elipse e efetuar alguns cálculos algébricos com o objetivo de simplificação.

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Caso 2: Se o eixo maior está sobre o eixo do y, com raciocínio similar ao primeiro caso, segundo 2 y2 Steinbruch (1987), sua equação reduzida é dada por x .

Pela definição, em qualquer elipse é verificado que a > b, o que nos dá a² > b². Dessa maneira, para averiguar se a elipse tem seu eixo maior sobre o eixo do x ou sobre o eixo do y, basta verificar onde se encontra o maior denominador (a² ) na sua equação reduzida.

Exemplo: Considere a elipse 9x² + 25y² = 225. Caracterize: a) a medida dos semieixos; b) os focos; c) a excentricidade. Solução: Para descrever a equação reduzida da elipse, basta dividir ambos os membros da equação anterior por 225, obtendo:

9x2 y2 225 + = 225 225 225 Ou seja,

x2 y 2 + =1 25 9 Como o maior denominador é 25, segue que a² = 25. Assim, você pode perceber que o eixo maior da elipse se encontra sobre o eixo das abscissas. Então: a² = 25 ⇒ a = 5 b² = 9 ⇒ b = 3 » » Focos: F1 ( – 4, 0) e F2 (4, 0). » » A excentricidade: e = c = 4

2.6 HIPÉRBOLE Hipérbole é o conjunto de todos os pontos de um plano cuja diferença das distâncias entre os focos desse plano, em valor absoluto, é constante.

AULA 2 - CURVAS E SUPERFÍCIES NO ESPAÇO

Figura 46 - A interpretação geométrica da hipérbole. Fonte: Steinbruch e Winterle (1987).

Os elementos da hipérbole são: » » focos: são os pontos

;

» » distância focal: é a distância 2c entre os focos; » » centro: é o ponto médio C do segmento

F1 F2

A A » » vértices: são os pontos 1 e 2 ;

;

A1 A2 de comprimento 2a; » » eixo imaginário ou não-transverso: é o segmento B1 B2 de comprimento 2b, com B1 B2 ⊥ A1 A2 em C;

» » eixo real ou transverso: é o segmento

» » assíntotas: são as retas r e s; » » abertura: é o ângulo θ;

» » excentricidade: e = c (e > 1).

2.6.1 Equações Reduzidas da Hipérbole Analogamente ao que você fez para a parábola e a elipse, é possível caracterizar as equações reduzidas da hipérbole, porém, de acordo com o eixo real situado sobre o eixo x ou sobre o eixo y. De acordo com Steinbruch (1987), as equações reduzidas da hipérbole são dadas por: 2 2 Caso 1: O eixo real está sobre o eixo do x: x − y = 1 . 2 2

2 Caso 02: O eixo real está sobre o eixo do y: y − x = 1 . 2 2

GEOMETRIA ANALÍTICA E ÁLGEBRA LINEAR

Exemplo: Considere a hipérbole x² – 4y² + 16 = 0. Determine: a) a medida dos semieixos; b) os vértices; c) os focos; d) a excentricidade; e) as equações das assíntotas.

Assíntotas são retas das quais a hipérbole se aproxima cada vez mais, à medida que os pontos se afastam dos vértices..

Solução: Inicialmente, passe a equação para a forma reduzida: x² – 4y² + 16 = 0 ou x² – 4y² = – 16

y 2 x2 − =1 ou 4 16

Ela nos mostra uma hipérbole com eixo real sobre o eixo das ordenadas, de onde concluímos que: a² = 4 ⇒ a = 2 b² = 16 ⇒ b = 4 Vértices: A1 (0, – 2) e A2 (0, 2). Para determinar os focos, você precisará do valor de c, que pode ser calculado a partir de: c² = a² + b² c² = 4 + 16 c² = 20 c=

20 = 2 5

Focos: F1 (0, −2 5 ) e F2 (0, 2 5 ). Excentricidade: e =

c 2 5 = = 5 a 2

1 a 2 1 ± .x = = Assíntotas: y = 2 (pois b 4 2 ).

AULA 2 - CURVAS E SUPERFÍCIES NO ESPAÇO

2.7 SUPERFÍCIES QUÁDRICAS CENTRADAS Uma equação geral do segundo grau com três variáveis nos leva ao que chamamos de superfície quádrica:. a.x2+ b.y2+ c.z² + 2d.x.y + 2e.x.z + 2f.y.z + mx + ny+ pz + q = 0,

(2.6)

Na equação, pelo menos um dos coeficientes a, b, c, d, e ou f é não nulo. Se a superfície quádrica dada pela equação for cortada pelos planos coordenados ou por planos paralelos a eles, a curva de interseção é uma cônica. Simplificar a equação geral das superfícies quádricas às suas formas mais simples (reduzidas) exige uma série de cálculos algébricos, que não vamos abordar nesta aula. Entretanto, temos uma família de cônicas que são representadas por algumas equações ditas canônicas (ou padrão), como os elipsoides e hiperboloides. Tais superfícies podem ainda ser chamadas de superfícies quádricas centradas. De outra forma, os paraboloides são exemplos de superfícies não centradas. Por uma mudança de coordenadas, a equação 2.6 pode ser reescrita em uma das seguintes formas: A.x² + B.y² + C.z² = D

(2.7)

 A.x ² + B. y ² + R.z = 0  (2.8) (2.8)  A.x ² + R. y + C.z ² = 0  R.x + B. y ² + C.z ² = 0  A equação 2.7 representa uma quádrica centrada, e as equações 2.8, quádricas não centradas. Segundo Camargo e Boulos (1987), se nenhum dos coeficientes da equação for nulo, podemos reescrevê-la sob uma das formas:

x2 y 2 z 2 ± ± = 1 (2.9) (2.9) a 2 b2 c2

Sendo cada uma delas exatamente a forma canônica ou forma padrão de uma superfície centrada. Os principais exemplos de superfícies quádricas centradas são o elipsoide, o hiperboloide de uma folha e o hiperboloide de duas folhas, apresentados respectivamente nas figuras a seguir.

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Figura 47 - A representação geométrica do elipsoide. Fonte: Steinbruch e Winterle (1987).

Figura 48 - A representação geométrica do hiperboloide de uma folha. Fonte: Steinbruch e Winterle (1987).

AULA 2 - CURVAS E SUPERFÍCIES NO ESPAÇO

Figura 49 - A representação geométrica do hiperboloide de duas folhas. Fonte: Steinbruch e Winterle (1987).

SUPERFÍCIE

DESCRIÇÃO

Elipsoide

É a superfície cuja equação canônica tem todos os coeficientes dos termos do primeiro membro positivos. Ou seja, em que a, b e c são números reais positivos e caracterizam as medidas dos semieixos do elipsoide.

Hiperboloide de Uma Folha

Quando a equação canônica de dois coeficientes dos termos do 1º membro são positivos e um é negativo.

Hiperboloide de Duas Folhas

Quando, na equação canônica, dois coeficientes dos termos do 1º membro são negativos e um é positivo.

Tabela 1 - Descrição das superfícies quádricas centradas e não centradas.

Fonte: Ferreira (2014).

Figura 50 - A representação geométrica do elipsoide. Fonte: Steinbruch e Winterle (1987).

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2.8 SUPERFÍCIES QUÁDRICAS NÃO CENTRADAS Os exemplos típicos envolvendo as superfícies quádricas não centradas são os paraboloides, especificamente, o paraboloide elíptico e o paraboloide hiperbólico. Eles surgem a partir das equações:

 A.x ² + B. y ² + C.z = 0   A.x ² + R. y + C.z ² = 0 (2.10)(2.10)  R.x + B. y ² + C.z ² = 0  Segundo Camargo e Boulos (1987, p. 403), se nenhum dos coeficientes das equações for nulo, elas podem assumir uma das formas:

x2 y 2 x2 z 2 y2 z2 ± = cz ; ± ± = by ; ± ± = ax; (2.11) (2.10) a 2 b2 a2 c2 b2 c2

Veja uma rápida descrição com relação aos paraboloides. » » Paraboloide elíptico – quando, nas equações (2.11), os coeficientes dos termos de segundo grau tiverem sinais iguais, a equação caracteriza um paraboloide elíptico.

Figura 51 - A representação geométrica do paraboloide elíptico. Fonte: Steinbruch e Winterle (1987).

» » Paraboloide hiperbólico – quando, nas equações (2.11), os coeficientes dos termos de segundo grau tiverem sinais contrários, a equação representa um paraboloide hiperbólico.

AULA 2 - CURVAS E SUPERFÍCIES NO ESPAÇO

Figura 52 - A representação geométrica do paraboloide hiperbólico. Fonte: Steinbruch e Winterle (1987).

Uma superfície cônica é uma superfície gerada por uma reta que se move apoiada numa curva plana qualquer e passando sempre por um ponto dado não situado no plano dessa curva.

Figura 53 - Um exemplo de representação geométrica de uma superfície quádrica. Fonte: Ferreira (2014).

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CONCLUSÃO Nesta aula, você viu a descrição das curvas no plano e no espaço. Inicialmente, você conheceu as equações características e as propriedades relacionadas das retas e dos planos. Na sequência, foram apresentadas as cônicas, com seus elementos específicos e as descrições geométricas peculiares. Vimos analiticamente e geometricamente como descrever uma parábola, uma hipérbole e uma elipse. Por fim, apresentamos o tratamento algébrico e geométrico das quádricas centradas e das quádricas não centradas. Na próxima aula, você começará a estudar especificamente as ferramentas da Álgebra Linear.

AULA 3 Sistemas de Equações Lineares

INTRODUÇÃO Na Engenharia, os sistemas de equações lineares técnicas são uma poderosa ferramenta para a resolução de questões. Mais de 75% de todos os problemas matemáticos encontrados em aplicações científicas e industriais envolvem a resolução de um sistema linear em alguma etapa. Anton e Busby (2006) apontam que esses sistemas, com milhares ou até mesmo milhões de variáveis, são utilizados em diversos setores, como análise econômica, imagens de ressonância magnética, análise de fluxo de tráfego, previsão do tempo e formulação de decisões e estratégias comerciais.

OBJETIVOS » » Reconhecer sistemas de equações lineares, representando-os matricialmente. » » Classificar sistemas lineares quanto às soluções.

GEOMETRIA ANALÍTICA E ÁLGEBRA LINEAR

» » Resolução de sistemas de equações lineares por redução de linhas. » » Aplicar a teoria dos sistemas de equações lineares em problemas de Engenharia.

3.1 EQUAÇÃO LINEAR: COEFICIENTES – VARIÁVEIS – TERMO INDEPENDENTE Segundo Dante (2011), uma equação linear é toda equação do tipo a1.x1+ a2.x2+ ...+ an.xn= b, em que a1, a2,..., an são números reais chamados coeficientes, b é um número real chamado termo independente e x1, x2, ..., xn são variáveis. Exemplo: São exemplos de equações lineares: a) 5.x1+ 2.x2 = – 2 b) x1– 3.x2 = 0 c) 4x + 2y = 7 d) 2 x1 + 3. x2– 3. x3= 5 e) 5x – 4y = 10

Uma equação linear é uma combinação linear das incógnitas x1, x2, ..., xn. Ela é do primeiro grau com relação a qualquer uma das incógnitas x1, x2, ..., xn.

Dizemos que a ênupla (α1, α2,..., αn) de números reais é solução da equação a1 .x1 + a2.x2 + ...+ an.xn = b, se para x1 = α1, x2 = α2, xn = αn a equação dada é verificada. Dessa forma, por exemplo, a tripla (3, 1, 7) é uma solução da equação 2.x1+ x2 – x3 = 0, pois 2.3 + 1 – 7 = 0.

Ênupla (também conhecida como n-upla) – é uma sequência ordenada de n elementos, que pode ser definida pela recursão do par ordenado.

De acordo com Dante (2011), uma equação linear é chamada homogênea quando o seu termo independente é zero. Assim, 2.x1+ x2+3.x3 = 0 é uma equação homogênea.

AULA 3 - SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES

Figura 54 - Elementos básicos de um sistema linear. Fonte: Ferreira (2014).

3.2 SISTEMA LINEAR Antes de definirmos propriamente um sistema linear, vejamos um exemplo bem simples do nosso dia a dia. Exemplo introdutório: Consideremos que um litro de álcool custa 60 centavos e um litro de gasolina custa 80 centavos. Se um litro de uma mistura de álcool e gasolina custa 75 centavos, quanto de álcool contém um litro de gasolina? Solução: Para encontramos a solução deste problema simples do nosso cotidiano, devemos chamar x e y como sendo as frações de álcool e gasolina, respectivamente, presentes na quantidade de um litro da referida mistura. Dessa forma, devemos ter:

x + y = 1  y = 1− x ⇒  60 x + 80 y = 75 60 x + 80 y = 75

(I ) ( II )

Daí, podemos substituir a equação (I) na equação (II). Observe que na equação (I) isolamos a variável x em função da variável y, obtendo: 60x + 80.( 1 – y )= 75 60x + 80 – 80y = 75 – 20x = – 5 x=

1 = 0,25 4

Logo, cada litro da mistura contém 0,25 litros de álcool. Recorremos a esse exemplo prático para mostrar o quanto são frequentes, em nosso dia a dia, os sistemas lineares envolvendo equações do primeiro grau, tais como as apresentadas nesse exemplo. Assim, para um estudo geral sobre os sistemas lineares com n equações e m incógnitas é necessário uma série de conceitos fundamentais e resultados associados, que serão apresentados nesta aula.

GEOMETRIA ANALÍTICA E ÁLGEBRA LINEAR

Boldrini (1980) conceitua sistema linear como aquele formado por equações lineares. Assim, por exemplo,  x + x + x = 5 é um sistema linear nas incógnitas x1, x2, x3. 1

 2.x1 + 4.x 2 − x 3 = 1 3.x − x + 2.x = 0 2 3  1

De maneira geral, podemos representar um sistema linear de m equações nas incógnitas x1, x2,..., xn por:

em que os índices i e j do coeficiente aj indicam, respectivamente, a equação e a incógnita às quais ele está relacionado. Um sistema linear é dito homogêneo quando todas as suas equações são homogêneas. Assim, é um sistema linear homogêneo. x + y + z = 0

 2.x − y + 3.z = 0

Dizemos que a ênupla (α1, α2, ..., αn) de números reais é solução de um sistema linear nas incógnitas x1, x2, ..., xn, se para x1= α1, x2= α2, xn= αn, todas as equações do sistema são verificadas. Dessa forma, a dupla (1, 2) é solução do sistema: , pois 5 . 1 + 4 . 2 = 13 e 3 . 1 + 2 = 5.

3.2.1 Matrizes Associadas a um Sistema Linear Considere um sistema linear com m equações e n incógnitas:

a1 x1 + a12 x 2 + ... + a1n x n = b1 a x + a x + ... + a x = b  21 1 212 2 2n n 2  ...  a m1 x1 + a m 2 x 2 + ... + a mn x n = bm Associamos a ele as seguintes matrizes: A =  a1

a  21  ...  a m1

a12 a2 ... a m2

... a1n  – matriz incompleta ... a 2 n  ... ...   ... a mn 

AULA 3 - SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES

B =  a1

... a1n a  21 ... a 2 n  ... ... ...  a m1 ... a mn

b1  – matriz completa b2  ...   bm 

Figura 55 - Matrizes Associadas a um sistema linear. Fonte: Ferreira (2014).

Exemplo: Dados os sistemas lineares a seguir, escreva as suas matrizes incompleta e completa. a)  x + y = 7

 − 2 x + y − z = 4 x + y + z + t = 8 

 1 1 0 0   Matriz Incompleta: −2 1 −1 0    1 1 1 1   1 1 0 0 7   −2 1 −1 0 4   1 1 1 1 8 

Matriz Completa: 

1 1 −1 0  1 1 1 1   Matriz Incompleta:  1 1 −1 0 17  Matriz Completa:  1 1 1 1 2   

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3.3 RESOLUÇÃO DE SISTEMAS LINEARES Resolver um sistema é encontrar o seu conjunto-solução, ou seja, o conjunto formado por todas as soluções do sistema. Dois sistemas são chamados equivalentes quando possuem o mesmo conjunto solução. Dado um sistema linear, é possível, através de transformações elementares, transformá-lo em um sistema equivalente mais simples e daí obter o seu conjunto solução. As transformações elementares são as listadas a seguir. I Permutar entre si duas equações de um sistema linear.

2 x + y = 5  x − y = 2 e  são equivalentes.  x − y = 2 2 x + y = 5

II. Multiplicar ou dividir qualquer equação de um sistema linear por um número diferente de zero. são equivalentes. III. Multiplicar uma equação do sistema por um número diferente de zero e adicionar o resultado a outra equação.

2 x + y = 5 e  x − y = 2

são equivalentes.

Chamamos sistema escalonado aquele que apresenta a matriz completa na forma escalonada. Isto é, o número de zeros que precedem o primeiro elemento não nulo de uma linha aumenta linha por linha até que sobrem, eventualmente, linhas nulas. O sistema linear a seguir está na forma escalonada.

x + 3 y − z = 4  2 y + z = 2 3 z = 6  Note que o sistema linear anterior está na sua forma escalonada, na qual você pode facilmente encontrar a solução. No caso, z = 2, y = 0 e x = 6.

Figura 56 - Transformações elementares. Fonte: Ferreira (2014).

AULA 3 - SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES

Dado um sistema linear, iremos escaloná-lo através das transformações elementares e trabalhando, por comodidade, com a matriz completa do sistema.

3.4 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO NÚMERO DE SOLUÇÕES Um sistema linear pode ter uma única solução, infinitas ou nenhuma solução. Um sistema linear é: » » possível e determinado, quando tem uma única solução; » » possível e indeterminado, quando tem infinitas soluções; » » impossível, quando não tem solução.

Figura 57 - Classificação de um sistema linear quanto ao número de soluções. Fonte: Ferreira (2014).

Veja alguns exemplos de como escalonar e classificar um sistema linear. Exemplo: Resolva o sistema 2 x + 4 y = 8 .

 3 x + y = 7

Solução: A matriz completa associada ao sistema é dada por:

2 4 8 3 1 7   Por conveniência, divida por dois (isto é, multiplique por ½) a 1a equação, a fim de que o coeficiente da 1a incógnita seja igual a 1.

GEOMETRIA ANALÍTICA E ÁLGEBRA LINEAR

1 2 4  3 1 7    Agora, multiplique por (-3) à 1a equação e, adicionando-a a 2a equação, anule o coeficiente da 1a incógnita na 2a equação.

1 2 4  0 −5 −5   Esta é a matriz completa associada ao sistema linear do exemplo na forma escalonada, ou seja, o sistema dado pode ser escrito como:

x + 2 y = 4  0.x − 5 y = −5

(1) (2)

Em (2), temos y = 1, que, colocado em substituição em (1), resulta em x = 2. Portanto, o conjunto solução do sistema do exemplo é S = {(2, 1)}. Observe que o nosso sistema é possível e determinado, ou seja, só admite uma única solução. Exemplo: Resolva o sistema  x + 2 y = 1 .

 2 x + 4 y = 4

Solução: Aqui, a matriz completa é:

1 2 1  2 4 4   Multiplique por (-2) a 1a equação e some com a 2a equação, para anular o coeficiente da 1a incógnita na 2a equação. Temos:

1 2 1  0 0 2    Que é a matriz completa na sua forma escalonada. Assim, o sistema fica:

x + 2 y = 1  0.x + 0. y = 2

(1) (2)

Observe que a equação (2) nunca é verificada. Portanto, concluímos que o conjunto solução do sistema dado é S = ∅, ou seja, o nosso sistema não admite nenhuma solução. Exemplo: Resolva o sistema  x + y + z = 6

 2 x + 4 y + 4 z = 22 3 x + 2 y + z = 10 

AULA 3 - SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES

Solução: Neste caso, a matriz completa associada ao sistema é dada por:

1 1 1 6   2 4 4 22     3 2 1 10  Multiplicando, respectivamente, por (-2) e por (-3) a 1a equação e adicionando, respectivamente, a 2a e a 3a equações, temos:

1 1 1 6  0 2 2 10    0 −1 −2 −8 Agora, por comodidade, divida por 2 a 2a equação, a fim de que o coeficiente da 2a incógnita seja 1.

1 1 1 6  0 1 1 5    0 −1 −2 −8 Neste momento, multiplicando por 1 a 2a equação e somando a 3a equação, temos a matriz escalonada como segue:

1 1 1 6  0 1 1 5    0 0 −1 −3 Logo, na forma de sistema, podemos escrever:

x + y + z = 6  0 x + y + z = 5 30 x + 0 y − z = −3 

(1) (2) (3)

De (3) obtemos z = 3. Substituindo em (2) temos y = 2. Finalmente, em (1) vem x= 1. Portanto, o conjunto solução é S = {(1, 2, 3)}. Ou seja, o nosso sistema admite uma única solução, logo é classificado como possível e determinado.

x+ y =3 Exemplo: Resolva o sistema  

2 x + 2 y = 6

Solução: Aqui, a matriz completa é:

1 1 3 2 2 6   Multiplique por (-2) a 1a equação e adicione à 2a equação, obtendo:

GEOMETRIA ANALÍTICA E ÁLGEBRA LINEAR

1 1 3  0 0 0    O sistema fica:

(1) x + y = 3  0.x + 0. y = 0 (2)

Observe que a equação (2) sempre é verificada. De (1), temos que: x + y = 3 ⇒ x = 3 - y. Concluímos que o sistema admite infinitas soluções. Ou seja, atribuindo para y um valor α qualquer, temos para x o valor 3 - α. Dizemos, nesse caso, que y é uma variável livre ou arbitrária. O conjunto solução é S = {(3 - α, α)}. Chamamos de característica (ou posto, ou rank) de uma matriz, indicado por q, o número de linhas não nulas que ela possui na sua forma escalonada. Assim, por exemplo, dada a matriz 1 2 1 ,

 2 3 5   3 5 6

temos que sua característica q é igual a 2, ou seja, q = 2.

3.5 DISCUSSÃO DE UM SISTEMA LINEAR Considere um sistema linear de m equações com n incógnitas. As matrizes incompleta e completa desse sistema possuem, em cada linha, n e n + 1 elementos. Sendo qi e qc, respectivamente, as características da matriz incompleta e da completa escalonada, temos as três seguintes conclusões: » » qi < qc: sistema impossível; » » qi = qc= n: sistema possível e determinado; » » qi = qc < n: sistema possível e indeterminado. Segundo Dante (2011), essas conclusões são conhecidas como Teorema de Rouché-Capelli.

AULA 3 - SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES

Figura 58 - Discussão de um sistema linear – Teorema de Rouché-Capelli. Fonte: Ferreira (2014).

Exemplo: Discuta, em função de k, o sistema  x + y = 2

 3 x + 4 y = k

Solução: Inicialmente, note que a matriz incompleta é dada por:

1 1  3 4  

Matriz Incompleta

Além disso, a matriz completa é:

1 1 2  3 4 k   Matriz completa

Multiplicando por (-3) a 1a linha e adicionando à 2a linha, vem que:

1 1 0 1 

2  6 

Observe que, para qualquer valor de k, a característica da matriz incompleta é qi = 2 e da matriz completa é qc = 2. Como o número de incógnitas é n = 2, então qi = qc = n, para todo k. Logo o sistema é possível e determinado.

3.6 REGRA DE CRAMER Conforme Dante (2011), se em um sistema linear de m equações com n incógnitas o determinante D da matriz incompleta for diferente de zero, então o sistema é possível e determinado. Suas incógnitas x1, x2, ..., xn são dadas por: x1=

D D1 D , x2= 2 ,..., xn= n D D D 67

GEOMETRIA ANALÍTICA E ÁLGEBRA LINEAR

em que D1, D2, ..., Dn são os determinantes obtidos ao substituirmos, na matriz incompleta, a coluna dos coeficientes de x1, x2, ..., xn, respectivamente, pela coluna dos termos independentes.

Figura 59 - Classificação de um sistema linear quanto à Regra de Cramer. Fonte: Ferreira (2014).

Essa regra é conhecida como Regra de Cramer devido ao matemático Gabriel Cramer (1704-1752), que a publicou em 1750.

Exemplo: Resolver, pela Regra de Cramer, o sistema

Solução:

AULA 3 - SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES

Logo:

Portanto, o sistema é possível e determinado, já que admite uma única solução, que é x = 62, y = 45 e z = 29. Ou seja, o seu conjunto solução é S = {62, 45, 29)}. Exemplo: Determine o valor de a para que o sistema: , seja possível e determinado

Solução: Para que o sistema seja possível e determinado, devemos ter D ≠ 0, ou seja:

Isto é: -6a - 5 ≠ 0 6a ≠ - 5

Logo, para que o sistema seja possível e determinado, deveremos ter a ≠

−5 . 6

3.7 SISTEMAS HOMOGÊNEOS Inicialmente, note que todo sistema linear homogêneo a n incógnitas admite, pelo menos, uma solução, que é a ênupla (0,0, ...0). Ela é denominada solução trivial (solução nula ou solução imprópria). Dessa forma, um sistema linear homogêneo só pode ser classificado em: » » sistema determinado – tem apenas a solução trivial (ou solução nula); ou » » sistema indeterminado – tem a solução trivial e outras soluções, denominadas soluções próprias. No caso de um sistema linear homogêneo S de n equações a n incógnitas, sendo D o determinante da matriz incompleta, temos:

GEOMETRIA ANALÍTICA E ÁLGEBRA LINEAR

» » D ≠ 0 ⇔ S é possível e determinado; » » D = 0 ⇔ S é possível e indeterminado

Figura 60 - Classificação de um sistema linear homogêneo. Fonte: Ferreira (2014).

Exemplo: Resolva o sistema:

Solução: Nesse caso, temos que:

Se D ≠ 0 e o sistema é homogêneo, então a única solução do sistema é a trivial, ou seja, S = {(0, 0, 0)} Exemplo: Discuta o sistema:

Em termos do parâmetro a. Solução: Primeiramente, determine o valor do determinante D:

Portanto: a³ + 1 ≠ 0 => a³ ≠ - 1 => a ≠ -1 ⇒ o sistema é possível e determinado. a³ + 1 = 0 => a³ = - 1 => a = -1 ⇒ o sistema é possível e indeterminado.

AULA 3 - SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES

3.8 APLICAÇÕES ENVOLVENDO OS SISTEMAS LINEARES Vários problemas nas mais diversas áreas são resolvidos através da teoria dos sistemas lineares. Por exemplo, o sistema usado em navios, celulares e automóveis para determinar sua localização precisa através de um sistema de satélites terrestres é denominado GPS (das iniciais de Global Positioning System, em inglês). Esses satélites se movem em seis planos orbitais que foram escolhidos de tal maneira que, de cada ponto da Terra, sejam visíveis de cinco a oito satélites. Esses pontos são encontrados a partir da resolução de um sistema de variáveis com muitas equações e incógnitas. Outro problema importante em outras aplicações é encontrar um polinômio, chamado polinômio interpolador, cujo gráfico passa por uma coleção de pontos especificados no plano. Na verdade, ele é um polinômio linear encontrado a partir da resolução de um sistema linear 2 x 2. Outra maneira de aplicarmos a teoria envolvendo as equações e inequações lineares e os sistemas lineares está nos problemas de otimização relacionados à Pesquisa Operacional. Trata-se de uma metodologia administrativa para a tomada de decisão, mais especificamente em problemas de programação linear, tais como racionalização da produção, problemas de transportes e localização industrial. Veja uma aplicação detalhada sobre a aplicabilidade dos sistemas lineares. Exemplo: Dante (2011) expõe o uso dos sistemas lineares no estudo das equações químicas. O número de átomos dos elementos em cada um dos lados da equação deve ser idêntico, ou seja, a equação deve estar balanceada. Para realizar esse balanceamento, é necessário colocar um número, chamado coeficiente estequiométrico, antecedendo os símbolos.

Os coeficientes usados no balanceamento de uma equação química devem ser sempre os menores números inteiros possíveis. Não podemos, por exemplo, imaginar ½ molécula de algum elemento químico.

Veja detalhadamente o balanceamento da água. Considere a equação H2 + O2 → H2O Ela não está balanceada. Observe que a quantidade de oxigênio em ambos os lados da equação não é a mesma. Assim, se os coeficientes estequiométricos forem respectivamente x, y e z, temos que: xH2 + yO2 → zH2O, Ou seja, temos o sistema linear associado:

2 x = 2 z  2 y = z Que é, na verdade, um sistema possível e indeterminado, por admitir mais de uma solução (x, y, z). Nesse caso, o que nos interessa é a menor solução inteira. A solução geral desse sistema é

GEOMETRIA ANALÍTICA E ÁLGEBRA LINEAR

(2α, α, 2α), portanto, temos a menor solução inteira para α = 1. Assim, x = 2, y = 1 e z = 2, e a equação balanceada é: 2H2 + O2 → 2H2O Exemplo: A AFA consultoria é uma empresa que presta serviços na área de engenharia civil. Comumente, ela possui três tipos de contentores, aqui designados por I, II, e III, que carregam cargas em três tipos de recipientes, chamados de A, B e C. O número de recipientes por contentor é dado pelo quadro a seguir. TIPO DE RECIPIENTE I II III

A 4 4 2

B 3 2 2

C 4 3 2

Tabela 1 - Dados do exemplo.

Fonte: Ferreira (2014).

Dessa forma, quantos contentores de cada tipo são necessários se a AFA necessita transportar 38 recipientes do tipo A, 24 do tipo B e 32 do tipo C? Solução: De acordo com o enunciado, temos um problema que pode ser solucionado mediante a resolução de um sistema linear do tipo 3 x 3, ou seja, com três equações e três incógnitas. Dessa maneira, vamos chamar: x1: a quantidade de contentores do tipo I x2: a quantidade de contentores do tipo II x3: a quantidade de contentores do tipo IIII Logo, temos o sistema linear associado:

4 x1 + 4 x2 + 2 x3 = 38  3 x1 + 2 x2 + 2 x3 = 24 2 x + 2 x + 2 x = 32 2 3  1 Pela Regra de Cramer, podemos perceber que o sistema é possível e determinado, já que a matriz A =  4 4 2  tem determinante | A | = 2, diferente de zero. Além disso, escalonando a matriz

   3 2 2  2 2 2  

completa ao sistema, obtemos:

 4 4 2 38   4 4 2 38   1 2 2 19   1 2 2 19           3 2 2 24  →  2 2 3 24  →  0 −2 −1 −14  →  0 −1 −2 −14   2 2 2 32   2 3 4 32   0 −1 0 −6   0 0 −1 −6          O que nos leva à solução: x1 = 2

AULA 3 - SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES

x2 = 6 x3 = 3 Portanto, para que a AFA transporte 38 recipientes do tipo A, 24 do tipo B e 32 do tipo C, são necessários dois contentores do tipo I, seis do tipo II e três do tipo III. Exemplo: Uma firma comercial tem 40 unidades de mercadoria do depósito D1 e 50 unidades no depósito D2. Devem ser enviadas 30 unidades ao cliente A e 40 unidades ao cliente B (DANTE, 2011). Os gastos de transporte por unidade de mercadoria estão indicados na figura a seguir. De que maneira essas mercadorias devem ser enviadas para que o gasto com transporte seja mínimo?

Figura 61 - Os dados do exemplo – fluxograma da malha de distribuição. Fonte: Ferreira (2014).

Solução: Antes de resolver tal problema, tenha em mente que o problema dos transportes é uma técnica muito utilizada dentro da Engenharia, que denominamos de Pesquisa Operacional (PO). Ela é definida como uma metodologia administrativa voltada para a tomada de decisão de forma confiável, amplamente utilizada por empresas de grande, médio ou pequeno porte. Tal abordagem se enquadra no que chamamos de formulação de modelos de programação linear, em que um modelo matemático descreve o que acontece em uma dada situação real. Para resolver o problema, primeiramente levante as variáveis de decisão, que são as quantidades a serem encontradas como solução da situação em questão. Nesse caso, considere x a quantidade que devemos enviar ao cliente A do depósito D1 e y a quantidade que se deve enviar ao cliente B do mesmo depósito. Assim, (30 – x) será a quantidade que devemos enviar ao cliente A do depósito D2, e (40 – y) ao cliente B do depósito D2. Logo, os parâmetros que contemplam a formulação do modelo de programação linear são: » » função objetivo: descreve matematicamente o objetivo do modelo em questão. No nosso caso, temos uma função de minimização, e então escrevemos: G (gasto do transporte total): G = 10x + 14y + 12.(30 – x) + 15.(40 – y) = 960 – 2x – y » » restrições: são divididas em restrições de não negatividade (variáveis não negativas) e restrições técnicas, que são as regulamentações específicas que a situação real nos apresenta. No problema exposto, você deve respeitar as quantidades ofertadas dos depósitos e as quantidades demandadas pelos clientes, ou seja:

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x ≥ 0, y ≥ 0 (são as unidades de mercadoria) x ≤ 30, x ≤ 40 x + y ≤ 40 (em D1 existem somente 40 unidades) (30 – x) + (40 – y) ≤ 50 (ou, de modo equivalente, x + y ≥ 20, já que em D2 existem somente 50 unidades). A solução gráfica para tal problema, em que montamos as equações lineares associadas às inequações lineares, é apresentada na figura a seguir. Tal procedimento é dito solução gráfica do modelo de programação linear que descreve a nossa situação.

Figura 62 - Solução gráfica do nosso problema. Fonte: Ferreira (2014).

As coordenadas dos vértices do polígono formado são (0, 20), (0, 40), (20, 0), (30, 0), (30, 10). Agora, devemos caracterizar os valores da função objetivo em cada vértice. Considere o quadro a seguir. (0, 20) (0, 40) (20, 0) (30, 0) (30, 10)

VÉRTICE

VALOR DO GASTO G = 960 – 2X – Y 960 – 2.0 – 20 = 940 ← máximo 960 – 2.0 – 40 = 920 960 – 2.20 – 0 = 920 960 – 2.30 – 0 = 900 960 – 2.30 – 10 = 890 ← mínimo Tabela 2 - Valor da função objetivo nos vértices correspondentes.

Fonte: Ferreira (2014).

Dessa forma, concluímos que a solução ótima (melhor solução) para o nosso problema dos transportes é (x , y) = (30, 10). Logo, 30 – x = 0 e 40 – y = 30. Em outras palavras, o gasto mínimo será obtido enviando 30 unidades de mercadoria de D1 a A, 10 de D1 a B, 30 de D2 a B e nenhuma de D2 a A.

AULA 3 - SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES

CONCLUSÃO Nesta aula, você viu os conceitos fundamentais para a descrição da teoria envolvendo os sistemas lineares. Você verificou nas entrelinhas a resolução dos sistemas lineares com relação ao número de soluções e pela Regra de Cramer. É importante ressaltar que os sistemas lineares são amplamente utilizados não só na Engenharia, mas também na Economia, Biologia, entre outras áreas. Na Aula 4, você conhecerá a estrutura de espaço vetorial, suas principais propriedades e os resultados relacionados.