Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo - IFSP Campus de Caraguatatuba Licenciatura em Matemática 10 Semestre de 2013 Cálculo Numérico – CN Prof. Lineu Mialaret Aula 3: Vetores Cálculo Numérico Aula 3 - 1/32 ©Prof. Lineu Mialaret Introdução (1) Várias grandezas físicas, tais como por exemplo comprimento, área, volume, tempo, massa e temperatura são completamente descritas uma vez que a magnitude (intensidade) é fornecida. Tais grandezas são chamadas de escalares e são modeladas por números reais. Outras grandezas físicas não são completamente caracterizadas até que uma magnitude, uma direção e um sentido sejam especificados. Exemplos são deslocamento,velocidade e força. Tais grandezas são chamadas de vetoriais e são modeladas por vetores. Cálculo Numérico Aula 3 - 2/32 ©Prof. Lineu Mialaret Introdução (2) Sejam os valores financeiros de transações de cartões de crédito de vários clientes dados pela lista abaixo, como segue, 78, 63, 73, 62, 88, 73, 81, 97 Usando-se apenas um símbolo, x, e índices subscritos, pode-se denotar os valores dessa lista, como segue, x 1, x 2, x 3, x 4, x 5, x 6, x 7 , x 8 Uma lista de valores como essa, x = (x1, x2, x3, ... , x8) É denominada de vetor. Cálculo Numérico Aula 3 - 3/32 ©Prof. Lineu Mialaret Vetor (1) Definição: Um vetor x de ordem (p x 1) é um conjunto de números reais (que podem ser chamados de escalares), os quais podem ser representados como: x1 x2 x x3 ou x x1, x 2 , x3 ,..., x p x p Vetor linha Vetor coluna Notação: a usual em publicações científicas, ou seja, letras minúsculas em negrito (ou não) ou em itálico. X, Y, x, y, a, b. X, Y, x, y, a, b. Cálculo Numérico Aula 3 - 4/32 ©Prof. Lineu Mialaret Vetor (2) Os escalares xi são conhecidos como componentes ou elementos do vetor. Na representação anterior, o vetor coluna consiste de p linhas e 1 coluna (p também é a dimensão do vetor), e o vetor linha consiste de 1 linha e p colunas. Exemplo 1: O vetor x apresentado a seguir é um vetor coluna de dimensão 5. 1 2 x 3 4 5 Cálculo Numérico Aula 3 - 5/32 ©Prof. Lineu Mialaret Vetor (3) Em algumas notações, um vetor pode ou não ter um apostrofe simples agregado ao seu nome para representar que ele é um vetor transposto (e vice-versa). Exemplo 2: Seja o vetor x abaixo, o qual é um vetor linha de dimensão p. x [ x1 x2 x3 x p ] O vetor x no formato transposto x ou xT é representado como segue, x1 x2 x x3 ... x p Cálculo Numérico Aula 3 - 6/32 x1 x2 x T x3 ... x p ©Prof. Lineu Mialaret Vetor (4) Vetores podem ser representados graficamente no ℝ2. Exemplo 3: Sejam x e y os vetores apresentados a seguir e sua representação em ℝ2. Cálculo Numérico Aula 3 - 7/32 ©Prof. Lineu Mialaret Vetor (5) Álgebra Vetorial: Cálculo Numérico Aula 3 - 8/32 ©Prof. Lineu Mialaret Soma de Vetor (1) Exemplo 4: Soma de Vetores. 4.1) Sejam os vetores a = (2,4,-5) e b = (1,-6,9). Então a + b = ((2+1),(4-6),(-5+9)) = (3,-2,4). 4.2) Sejam os vetores a = (2,4,-5) e b = (0,0,0). Então a + b = ((2+0),(4+0),(-5+0)) = (2,4,-5). Cálculo Numérico Aula 3 - 9/32 ©Prof. Lineu Mialaret Soma de Vetor (2) Exemplo 5: Soma de Vetores - Geometria y y1+y2 y1 x1 p1 y1 y2 0 x1 x2 p1 p2 p2 p1 x2 p 2 y2 x1+x2 x x1 x2 x1 x2 p1 p 2 y1 y 2 y1 y 2 Cálculo Numérico Aula 3 - 10/32 ©Prof. Lineu Mialaret Propriedades da Soma Na adição de vetores há algumas propriedades. Comutatividade u + v = v + u Associatividade (u + v) + w = u + (v + w) Vetor Identidade para adição, o Vetor 0 u, u + 0 = u Inversa aditiva para a adição u, há um vetor inverso tal que u + (-u) = 0 Cálculo Numérico Aula 3 - 11/32 ©Prof. Lineu Mialaret Multiplicação Escalar de Vetor (1) Exemplo 6: Multiplicação por Escalar. 6.1) Seja o vetor p = (2,4,-5) e escalar = 7. Então p = (7(2),7(4),7(-5)) = (14,28,-35) 6.2) Seja o vetor p = (2,4,-5). Então -p = (-1)(2,4,-5) = (-2,-4,5) Cálculo Numérico Aula 3 - 12/32 ©Prof. Lineu Mialaret Multiplicação Escalar de Vetor (2) Exemplo 7: Multiplicação por Escalar – Geometria. y a<0 ay 0 < a < 1 y 0 a>1 x p y x ax x x ax ap a y ay Cálculo Numérico Aula 3 - 13/32 ©Prof. Lineu Mialaret Propriedades da Multiplicação Na multiplicação de vetores há algumas propriedades. Associatividade ( u) = ( )u, para , escalares Distributividade ( + )u = u + u, para , escalares Identidade escalar u, u = u, para =1 Cálculo Numérico Aula 3 - 14/32 ©Prof. Lineu Mialaret Combinação Linear de Vetores Sejam u1, u2, u3, ..., um vetores de ℝn e os escalares r1, r2, r3, ..., rm de ℝ. Pode-se multiplicar os vetores pelos escalares e realizar a soma deles para se constituir o vetor v = r1u1 + r2u2 + r3u3 + ... + rmum O vetor v é denominando de combinação linear dos vetores u1, u2, u3, ..., um. Exemplo 8: Em ℝ2 o vetor v = (10,16) é uma combinação linear dos vetores u1 = (1,2) e u2 = (3,4), pois v = 4u1 + 2u2 Cálculo Numérico Aula 3 - 15/32 ©Prof. Lineu Mialaret Produto Interno (1) O produto interno (ou produto ponto ou produto escalar) de dois vetores a e b é o escalar denotado por ab , para dois vetores de mesma dimensionalidade e definido por n a b ai bi a1b1 a2b2 anbn i 1 Usualmente se escreve esse resultado como o produto de um vetor (linha) a e um vetor (coluna) b b1 b ab a1a2 an 2 bn a1b1 a2b2 an bn n a b i 1 Cálculo Numérico i i Aula 3 - 16/32 ©Prof. Lineu Mialaret Produto Interno (2) O produto interno v.u é obtido com a multiplicação dos componentes correspondentes e com a soma dos produtos resultantes. Diz-se que os vetores v e u são ortogonais ou perpendiculares, se seu produto interno for nulo (se v.u = 0). Ou seja, n v u viui v1u1 v2u2 vnun 0 i 1 Cálculo Numérico Aula 3 - 17/32 ©Prof. Lineu Mialaret Produto Interno (3) Exemplo 9: Sejam os seguintes vetores a = (1,-2,3), b = (4,5,-1) e c = (2,7,4). Calcular a.b e a.c. a.b = (1)(4) + (-2)(5) + (3)(-1) = 4 - 10 - 3 = -9. a.c = (1)(2) + (-2)(7) + (3)(4) = 2 - 14 - 12 = 0. Cálculo Numérico Aula 3 - 18/32 ©Prof. Lineu Mialaret Produto Interno (4) Exercício 1: Sejam os seguintes vetores a = (1,2,3,4) e b = (6, ,-8,2). Encontrar o valor do escalar vetores a e b sejam ortogonais. Cálculo Numérico Aula 3 - 19/32 tal que os ©Prof. Lineu Mialaret Propriedades do Produto Interno No produto interno de vetores há algumas propriedades. Sejam u e v vetores em ℝn e um escalar em ℝ. (u + v).w = u.w + v.w; ( u).v = (u.v); u.v = v.u; e u.u = 0 se e somente se, u = 0. Cálculo Numérico Aula 3 - 20/32 ©Prof. Lineu Mialaret Norma de um Vetor (1) A norma ou comprimento de um vetor x de ℝn, denotado por x é definida como sendo a raiz quadrada de x.x. Ou seja, se x = (x1,x2,...,xn) então x xx xx n xi 2 i 1 x é a raiz quadrada da soma dos quadrados dos componentes de x. x 0 e x 0 se e somente se, x = 0. Um vetor x é chamado de vetor unitário se x 1 Ou seja, se x.x = 1. Cálculo Numérico Aula 3 - 21/32 ©Prof. Lineu Mialaret Norma de um Vetor (2) Dado qualquer vetor não nulo y, 1 y yˆ y y y É o único vetor unitário de mesma direção e sentido de y; e O processo de se encontrar o vetor yˆ a partir do vetor y é denominado de normalização de y. Cálculo Numérico Aula 3 - 22/32 ©Prof. Lineu Mialaret Norma de um Vetor (3) Exemplo 10: Seja o vetor u = (1,-2,-4,5,3). Obter u. 2 Pode-se calcular primeiramente u ; e Tomando-se o quadrado de cada componente e somando, como se segue, u (1) 2 (2) 2 (4) 2 (5) 2 (3) 2 1 4 16 25 9 55 2 u Cálculo Numérico 55 Aula 3 - 23/32 ©Prof. Lineu Mialaret Norma de um Vetor (4) Exemplo 11: Seja o vetor v = (1,-3,4,2) e w = (1/2,- 1/6,5/6,1/6). Obter v , w e vˆ . Para se obter v e w calcula-se como se segue, v 2 (1) 2 (3) 2 (4) 2 (2) 2 1 9 16 4 v 30 w ( 1 ) 2 ( 1 ) 2 ( 5 ) 2 ( 1 ) 2 9 1 5 1 u 1 1 2 6 6 6 36 36 36 36 2 Normalizando o vetor v, como se segue, tem-se vˆ v ( 1 ,3 , 4 , 2 ) 30 30 30 30 v Que é o único vetor unitário com a mesma direção e sentido do vetor v. Cálculo Numérico Aula 3 - 24/32 ©Prof. Lineu Mialaret Norma de um Vetor (5) Propriedades da norma: Dados quaisquer vetores u e v de ℝn, então segue que, u.v u v uv u v Cálculo Numérico Desigualdade de Schwarz Desigualdade de Minkowski Aula 3 - 25/32 ©Prof. Lineu Mialaret Distância, Ângulos e Projeções (1) A distância entre os vetores u = (x1,x2,...,xn) e v = (y1,y2, ... ,yn) de ℝn é definida por dist (u,v) d(u, v) u v n 2 ( x y ) i i i 1 Exemplo 12: Sejam os vetores u = (1,-2,3) e v = (2,4,5). Calcular a distância d(u,v). Cálculo Numérico Aula 3 - 26/32 ©Prof. Lineu Mialaret Distância, Ângulos e Projeções (2) y y2 (y2-y1) y1 0 -u v u (x2-x1) x1 x2 x x2 x1 x2 x1 v u y2 y1 y2 y1 dist(u, v) v - u ( x2 x1 ) 2 ( y2 y1 ) 2 Cálculo Numérico Aula 3 - 27/32 ©Prof. Lineu Mialaret Distância, Ângulos e Projeções (3) O ângulo entre dois vetores não nulos u e v de ℝn é definido por cos u .v u v u .v 1 Este ângulo está bem definido, pois 1 u v Se u.v = 0, então = 90º (ou /2). Cálculo Numérico Aula 3 - 28/32 ©Prof. Lineu Mialaret Distância, Ângulos e Projeções (4) A projeção de um vetor u sobre um vetor não nulo v é definida por proj(u,v) u.v v Cálculo Numérico 2 u.v v v u* v.v Aula 3 - 29/32 ©Prof. Lineu Mialaret Distância, Ângulos e Projeções (5) Exercício 2: Sejam os vetores u = (1,-2,3) e v = (2,4,5). Calcular a distância dist(u,v). dist (p1 , p 2 ) p 2 p1 ( x2 x1 ) 2 ( y2 y1 ) 2 Cálculo Numérico Aula 3 - 30/32 ©Prof. Lineu Mialaret Distância, Ângulos e Projeções (6) Exercício 3: Sejam os vetores u = (1,-2,3) e v = (2,4,5). Calcular o ângulo entre os dois vetores. cos Cálculo Numérico Aula 3 - 31/32 u .v u v ©Prof. Lineu Mialaret Distância, Ângulos e Projeções (7) Exercício 4: Sejam os vetores u = (1,-2,3) e v = (2,4,5). Calcular a projeção proj(u,v). proj(u,v) u.v v Cálculo Numérico Aula 3 - 32/32 2 v u.v v u* v.v ©Prof. Lineu Mialaret