26 2.2 Produto Vetorial Para definirmos o produto vetorial entre dois vetores é indispensável distinguirmos o que são bases positivas e bases negativas. Para isso, consideremos uma r r r r v 3 base do espaço {v1 , v 2 , v 3 } e um observador. Este observador deve estar com os pés em um plano que contém r r r v B 2 representantes de v1 e v 2 (os dois O primeiros vetores da base), de modo que r r v 1 v 3 (o terceiro vetor da base), esteja dirigido A para os seus olhos. Neste plano, sejam → → r r OA = v1 e OB = v 2 . Consideremos agora, a rotação de menor ângulo em torno de O, que torna o r vetor v1 ( o primeiro vetor da base) r com mesmo sentido do vetor v 2 ( o segundo vetor da base). Se esta r rotação for no sentido contrário ao dos v3 ponteiros de um relógio, dizemos que a base é positiva. Caso contrário, r dizemos que a base é negativa. v2 B r r r Assim, a base {v1 , v 2 , v 3 } , ilustrada O r ao lado, é positiva. v1 A r r r r r r Observemos que as bases {v 2 , v1 , v 3 } e {v 3 , v 2 , v1} são negativas. r v3 r v3 r v2 r v1 r v2 r v1 27 Chamamos atenção especial do leitor para o fato de que nem sempre o observador está no mesmo semi-espaço que nós. Consequentemente, o sentido da rotação que ele verá é contrário ao que nós vemos. Para ilustrar este fato, desenhe em uma folha de papel dois vetores LI com a mesma origem e considere uma rotação que torna um deles com mesmo sentido do outro. A folha de papel pode ser considerada com um plano, assim, a folha de papel divide o espaço em dois semi-espaços. Observemos então que, em um desses semi-espaços vemos esta rotação com um sentido. Se mudarmos de semi-espaço vemos esta rotação com um sentido contrário ao anterior. r v2 A observação anterior é útil na identificação de bases positivas e negativas, quando o observador não está no mesmo semi-espaço que nós. Por exemplo, r r r ao analizarmos a base {v 2 , v1 ,− v 3 } vemos a rotação no sentido horário, porém o observador, por estar no semi-espaço distinto do qual nos encontramos, vê esta rotação no sentido anti-horário e portanto esta base é positiva. r v1 r − v3 Exemplos r r r Consideremos o sistema {O, i , j, k} representado a seguir, temos que: r r r r r r r r r 1. As bases { i , j, k} , { j, k, i } e {k , i , j} são positivas. r r r r r r r r r 2. As bases { j, i , k} , { i , k, j} e {k , j, i } são negativas. r k r i r j O 28 r r Definição: Sejam u e v vetores não colineares. O produto vetorial de r r r r u por v , indicado u × v , é um vetor, tal que: r r r r r r 1. | u × v | = | u | | v | sen(u, v) ; r r 2. A direção de u × v é ortogonal a um plano que contém representantes r r dos vetores u e v ; r r r r 3. A base {u, v, u × v} é positiva. r r r r r Se u e v são colineares então u × v = o . Exemplo 2 r r Sejam u e v vetores com representantes r r r r | u |= 2, | v |= 3 e (u, v) = 30º. Temos: 1 r r r r | u × v | = | u || v | sen 30º = 2 ⋅ 3 ⋅ = 3 2 e no plano α, onde r r u×v r v α 1 r r r r | v × u | = | v || u | sen 30º = 3 ⋅ 2 ⋅ ⋅ = 3 2 r u 30 º r r v×u r r r r r r r Assim, | u × v | = | v × u | , mas u × v e v × u são vetores opostos, como ilustra a figura. Exemplo 3 r r r Dada a base ortonormal positiva { i , j, k} , temos : r r r r r r r 1. i × i = j × j = k × k = o r r r r r r r r r 2. i × j = k , j × k = i e k × i = j r r r r r r r r r 3. j × i = −k , k × j = − i e i × k = − j 29 Interpretação geométrica do produto vetorial Consideremos o paralelogramo ABCD, abaixo. C D Sabemos que a área paralelogramo é: S = base × altura, h → θ A desse ou seja S = | AB | ⋅ h . Do triângulo AMD, temos: B M S → h =| AD | ⋅ sen θ . → → → → Daí segue que, S = | AB | ⋅ | AD | sen θ =| AB × AD | . Observamos também que a área T do triângulo ABD é: → → | AB× AD | T= 2 Exemplo 4: Consideremos o paralelogramo ao lado, onde A(1,1,0), B(0,1,2) e C(4,1,0) , temos: → → | AB | =| (− 1,0,2 ) |= 5 e | AD | =| (4,0,−2 ) |= 2 5 → → cos(AB, AD) = → → AB ⋅ AD → → | AB | ⋅ | AD | → → sen(AB, AD) = 1 − C D =− 8 4 =− 10 5 16 9 3 = = . 25 25 5 Segue daí que a área S do paralelogramo ABCD é: 3 S = 5 ⋅ 2 5 ⋅ = 6 u.a. 5 A B 30 Propriedades do produto vetorial 1. 2. 3. r r r r u × v = - (v × u). r r r r r r ( t v) × u = v × (t u) = t (v × u). r r r r r r r u × (v + w) = u × v + u × w. r r r Nas propriedades acima, u, v e w são vetores quaisquer e t um número real. As propriedades 1 e 2 decorrem diretamente da definição de produto vetorial, e a prova da propriedade 3 será feita no parágrafo seguinte. Expressão cartesiana do produto vetorial r r r Fixada uma base ortonormal positiva { i , j, k} e dados os vetores r r u = ( x 1 , y1 , z1 ) e v = (x 2 , y 2 , z 2 ), temos: r r r r r r r r u × v = (x 1 i + y1 j + z1 k ) × (x 2 i + y 2 j + z 2 k ) = r r r r r r = ( x 1 x 2 ) i × i + (x 1 y 2 ) i × j + (x 1z 2 ) i × k + r r r r r r + ( y1 x 2 ) j × i + ( y1 y 2 ) j × j + ( y1 z 2 ) j × k + r r r r r r + ( z 1 x 2 ) k × i + ( z1 y 2 ) k × j + ( z 1z 2 ) k × k . Podemos então escrever: r r r r r u × v = (y1z 2 − z1 y 2 ) i + (z1 x 2 − x 1z 2 ) j + (x 1 y 2 − y1 x 2 ) k. A expressão acima pode ser dada sob a forma de um determinante “simbólico”: r r r i j k r r u × v = x 1 y1 z 1 x2 y2 z2 31 Exemplo 5 r r r Dados os vetores u = (1,2,3), v = (3,1,2) e w = (2,4,6), temos : r r r i j k r r r r r 1) u × v = 1 2 3 = (4 − 3) i − (2 − 9) j + (1 − 6) k, 3 1 2 r r Daí, u × v = (1,7,−5). r r i j r r 2) u × w = 1 2 2 4 r k r r r 3 = (12 − 12) i + (6 − 6) j + (4 − 4) k . 6 r r r Daí, u × w = (0,0,0) = o. Exemplo 6 Consideremos, na figura a seguir, os paralelogramos ABCD e ABC’C. C D A C’ B Se S e S’ são as áreas dos paralelogramos ABCD respectivamente. Temos: → → → S =| AB× AD | e e ABC’C, → S′ =| AB× AC | Como → → → → → → → → → → → r → → | AB× AC | = | AB × (AB + BC) | =| AB× AB + AB × BC | =| o + AB× AD | = | AB× AD | , → → → → podemos concluir que: S = | AB× AD | = | AB× AC | = S′ . 32 Considerando T a área do triângulo ABC temos: → → → → → → | AB × AC | | AB × BC | | AC × BC | T= = = 2 2 2 Exemplo 7: Considerando S a área o retângulo ao lado, onde → A(1,0,2 ), C(− 2,3,3) e AB ° = (− 1,0,0 ) temos: D S =| AB × AC | e AC = (− 3,3,1) . A → → → → → → C B → Como AB ⊥ BC , temos que AB = proj → AC = (− 3,0,0 ) . AB ° Daí S =| (− 3,3,1) × (− 3,0,0) | =| ( 0,−3, 9 ) | = 9 + 81 = 3 10. 2.3 Produto Misto r r r Definição: Sejam u, v e w vetores quaisquer. O produto misto dos r r r r r r vetores u, v e w , indicado por [u, v, w ] , é o número real r r r r r r [u, v, w ] = (u × v) ⋅ w . Exemplo 1: r r r Dados os vetores u = (1,0,2), v = (−1,1,3) e w = (0,3,−2) , temos: r r r [u, v, w] = [(1,0,2) × (−1,1,3)] ⋅ (0,3,−2) = (−2,−5,1) ⋅ (0,3,−2) = −17 r r r [ v, u, w] = [(−1,1,3) × (1,0,2)] ⋅ (0,3,−2) = (2,5,−1) ⋅ (0,3,−2) = 17 . 33 Interpretação geométrica do produto misto Seja o paralelepípedo de arestas AB, AD e AE. Sabemos que o volume V desse paralelepípedo é: E h V = área da base × altura . Considerando paralelepípedo, ABCD e conhecimentos θ a altura h desse em relação à base aplicando nossos do cálculo vetorial → D A C B → podemos escrever: V =| AB × AD | h . Por outro lado, essa altura pode ser calculada como o módulo da projeção → → → do vetor AE na direção do vetor AB × AD , pois a direção deste vetor é ortogonal ao plano ABC. Assim podemos escrever: h = | proj → → → ( AB ×AD) → → → → → AE | = | AE ⋅ (AB × AD)° | =| | AE | cos θ | = | AE | | cos θ | , → → → onde θ é o ângulo entre os vetores AE e AB × AD . → → → → → → → → → Daí, V =| AB × AD | | AE | | cos θ | = | (AB × AD ) ⋅ AE | = | [AB, AD, AE] | , ou seja, → → → V =| [AB, AD, AE] | Consideremos agora o tetraedro de arestas AB, AD e AE. Seja VT o volume desse tetraedro, assim, 1 VT = área da base × altura . 3 Considerando a base ABD desse tetraedro, observemos que a altura relativa a essa base coincide com a altura do paralelepípedo anterior. E h θ D A B 34 Daí podemos escrever: → → 1 1 → → 1 → → 1 → → → VT = | (AB × AD) | | AE | | cos θ | = | (AB × AD ) ⋅ AE | = | [AB, AD, AE] | 3 2 6 6 Exemplo 2: Consideremos o paralelepípedo de arestas OA, OB e OC, onde → → → OA = (1,0,2) , OB = (1,1,3) e OC = (2,1,0) . O volume V deste paralelepípedo pode ser calculado como: → → → → → → V =| [OA, OB, OC] | = | (OA× OB) ⋅ OC | = | (−2,−1,−1) ⋅ (2,1,0) | = 5 u. v. E a altura do mesmo em relação à base OABD será: h = | proj → 6 6 6 5 6 |= OC | = | (2,1,0) ⋅ − ,− ,− u. c. . 3 6 6 6 OA ×OB → → Observação: Consideremos uma base vr × vr r r r 1 2 {v1 , v 2 , v 3 } do espaço. Pela definição do r r r r produto vetorial a base {v1 , v 2 , v1 × v 2 } r é positiva. Assim, se v 3 estiver no r r r mesmo semi-espaço que v1 × v 2 , em v3 θ relação a um plano que contiver r r representantes de v1 e v 2 , a base r r r r {v1 , v 2 , v 3 } será também positiva, já que v2 B o observador não muda de posição. Caso r r r O r contrário a base {v1 , v 2 , v 3 } será v1 A negativa. r r r Podemos verificar se v 3 está, ou não, no mesmo semi-espaço que v1 × v 2 , r r em relação a um plano que contiver representantes de v1 e v 2 , através do 35 r ângulo entre estes vetores. Ou seja, se este ângulo for agudo, então v 3 está r r no mesmo semi-espaço que v1 × v 2 , caso contrário, não. Por outro lado, para determinarmos se o ângulo entre dois vetores é agudo ou obtuso, basta calcularmos o produto escalar entre eles. Assim, r r r ( v1 × v 2 ) ⋅ v 3 > 0 , temos que o ângulo entre estes vetores é agudo, logo a r r r base {v1 , v 2 , v 3 } será positiva, caso contrário, a base será negativa. r r r Podemos então concluir que uma base {v1 , v 2 , v 3 } é positiva se o produto r r r r r r misto [ v1 , v 2 , v 3 ] > 0 e será negativa se [ v1 , v 2 , v 3 ] < 0 . Propriedades do produto misto r r r r r r 1. [u, v, w ] = 0 ⇔ u, v e w são coplanares. r r r r r r r r r 2. [u, v, w ] = [ v, w , u ] = [ w , u, v, ] . r r r r r r 3. [u, v, w ] = − [ v, u, w ] . r r r r r r 4. (u × v) ⋅ w = u ⋅ ( v × w ) r r r r r r r r r r 5. [u 1 + u 2 , v, w ] = [u 1 , v, w ] + [u 2 , v, w ] . r r r r r r r r r r r r 6. t [u, v, w] = [t u, v, w] = [u, t v, w] = [u, v, t w] . r r r Nas propriedades acima, u, v e w são vetores quaisquer, e t é um número real. Faremos a seguir suas provas: r r r 1. “⇒” Se [u, v, w ] = 0 , então o volume do paralelepípedo cujas arestas são r r r representantes de u, v e w , é zero. Assim, esse paralelepípedo é r r r degenerado, e portanto, u, v e w são coplanares. “⇐” É imediata. r r r r r r r r r 2. Temos que | [u, v, w ] | =| [ v, w , u ] | =| [ w , u, v, ] | , como volume de um r r r mesmo paralelepípedo. Se u, v e w são L D, então r r r r r r r r r | [u, v, w ] | =| [ v, w , u ] | =| [ w , u, v, ] |= 0 36 r r r r r r r r r r r r Se u, v e w são L I, então as bases {u, v, w}, {v, w , u} e {w , u, v} pertencem a mesma classe. Logo, r r r r r r r r r [u, v, w ] = [ v, w , u ] = [ w , u, v, ] Nas provas das propriedades seguintes, usaremos as propriedades dos produtos escalar e vetorial já vistas. r r r r r r r r r r r r r r r 3. [u, v, w ] = (u × v) ⋅ w = −( v × u ) ⋅ w = −[( v × u ) ⋅ w ] = − [ v, u, w ] r r r r r r r r r 2. (u × v) ⋅ w = ( v × w ) ⋅ u = u ⋅ ( v × w ) Usaremos agora as propriedades acima para demonstrar a distributividade do produto vetorial em relação à adição de vetores, ou seja: r r r r r r r u × (v + w ) = u × v + u × w . r r r r r r r r Mostraremos que : u × ( v + w ) − (u × v) − (u × w ) = o . r r r r r r r r Considerando a = u × ( v + w ) − (u × v) − (u × w ) , temos: r r r r r r r r r r a ⋅ a = a ⋅ {u × ( v + w ) − (u × v) − (u × w )} r r r r r r r r r r = a ⋅ [u × ( v + w )] − a ⋅ (u × v) − a ⋅ (u × w ) r r r r r r r r r r = (a × u ) ⋅ ( v + w ) − (a × u ) ⋅ v − (a × u ) ⋅ w r r r r r r r r r = (a × u ) ⋅ ( v + w ) − (a × u ) ⋅ ( v + w ) = o. r r Portanto a = o . r r r r r r r r r r r r r 5. [u 1 + u 2 , v, w ] = {(u 1 + u 2 ) × v} ⋅ w = {u 1 × v + u 2 × v} ⋅ w = r r r r r r r r r r r r = ( u 1 × v ) ⋅ w + ( u 2 × v ) ⋅ w = [ u 1 , v, w ] + ( u 2 , v, w ] r r r r r r r r r r r r 6. [t u, v, w] = (t u × v) ⋅ w = (u × t v) ⋅ w = [u, t v, w]. Analogamente podemos obter as outras igualdades. 37 Expressão cartesiana do produto misto r r r Fixada uma base ortornomal positiva { i , j , k} e dados os vetores r r r u = (x 1 , y1 , z1 ), v = (x 2 , y 2 , z 2 ) e w = (x 3 , y 3 , z 3 ) , temos: r r r r r r [u, v, w] = (u × v) ⋅ w = (y1z 2 − z1 y 2 , z1 x 2 − x 1 z 2 , x 1 y 2 − y1 x 2 ) ⋅ (x 3 , y 3 , z 3 ) = ( y1z 2 − z1 y 2 ) x 3 + (z1 x 2 − x 1z 2 ) y 3 + (x 1 y 2 − y1 x 2 ) z 3 Assim, podemos escrever: r r r [u , v, w] = (y1z 2 - z1 y 2 ) x 3 + (z1 x 2 - x 1z 2 ) y 3 + (x 1 y 2 - y1 x 2 ) z 3 . A expressão acima pode ser dada sob a forma do determinante: x1 r r r [u, v, w] = x 2 x3 y1 y2 y3 z1 z2 . z3 Exemplo 3: Do tetraedro de arestas OA, OB, e OC, sabemos que : → → → C OA = (x,3,4), OB = (0,4,2) e OC = (1,3,2) . Calcule o valor de x, para que o volume desse tetraedro seja igual a 2 u. v. Sabemos que o volume VT do tetraedro é dado por: 1 → → → VT = | [OA, OB, OC] | 6 Assim, x 3 4 1 1 VT = | 0 4 2 | = | 2x - 10 | . 6 6 1 3 2 Como VT = 2 u.v, temos: Logo, x = 11 ou x = −1 . 1 | 2x - 10 | = 2 . 6 B O A