PLANO DE AULA (Macro aula) 1-Dados de identificação IFC-Instituto Federal Catarinense - Campus Sombrio Município: Sombrio, SC. Disciplina: Matemática Série: 2º ano Nível: Ensino Médio Professora: Mara Cristina Baltazar Turma: A Tempo previsto: 4 h.a. 2-Tema: Matrizes e Determinantes 2.1- Subtemas: Tipos de matrizes, Operações com matrizes, determinante, propriedades dos determinantes, matriz inversa. 3- Justificativa As matrizes são muito utilizadas em desenhos cinematográficos, páginas da internet e fotos de máquina fotográfica digital, imagem de Tvs. Essas imagens podem ser criadas por softwares a partir de combinações de pixels em formas de tabelas, ou matematicamente dizendo “matrizes”. Objetivos: Identificar e representar os diferentes tipos de matrizes. Efetuar cálculos envolvendo as operações com matrizes; Resolver problemas utilizando a linguagem matricial; Relacionar Determinantes com Matrizes; Resolver Determinantes de 2º e 3º ordem; Utilizar as propriedades de determinantes; 5- Conteúdos envolvidos Efetuar cálculos com matrizes e determinantes. 6-Estratégias: Aula expositiva e dialogada com exemplos e uso de tecnologias. 6.1- Recursos: Quadro, pincel, recurso tecnológico, software winmat, material disponível em sala de aula. 6.2- Técnicas: Aula expositiva e dialogada, atividades aplicando o software Winmat e exemplos do conteúdo em sala de aula. 7-Procedimentos: Após apresentar uma situação problema, será apresentado o conteúdo com uma aula expositiva e dialogada e com exemplos. O software Winmat será utilizado nas propriedades do determinante. 7.1- Problematização: O iogurte é um alimento derivado do leite, tendo assumido várias cores nas prateleiras dos supermercados, dependendo do elemento a ele incorporado. A oferta de marcas, cores, sabores e consistência é grande. Os iogurtes fornecem proteínas, vitaminas A, D e E, cálcio e fósforo. Alguns recebem ferro e fibras e o mais importante é que dificilmente ultrapassam 5% de gordura, fator muito observado pelos usuários, principalmente os que cultuam as formas de um corpo ideal, baseando nas proporções divulgadas pela mídia, e também os que seguem prescrição médica. <http//saúde.abril.com.br/livre/speciais/especial_gordura/1209pop2.html.> Acessado em 29/09/04(adaptado) Os teores de magnésio e sódio, presentes em 100 ml de iogurte feito com leite integral ou com leite desnatado, estão representados pelas variáveis x, y, z, t na matriz; Com leite Integral x M z Com leite Desnatado y magnésio(mg ) t sódio(mg ) Sendo, M (aij ) 2 x 2 5i j 3 , se i j i 1 2.10 10 j 2 , se i j 3i 4 2 j , se i j Com base no texto e em seus conhecimentos, determine: a) A quantidade de magnésio encontrada em 100ml de leite desnatado e a quantidade de sódio encontrada em 100 ml de leite integral. b) A matriz representada pela soma do triplo da matriz M e de 2 3 da matriz oposta de M. 7.2- Historicização 7.2.1- Matrizes Arthur Cayley nasceu em 16 de agosto de 1821 em Richmond na Inglaterra. Vindo de uma família de comerciantes, seu pai desejava que continuasse os negócios da família, porém em 1835 ingressou no King´s College School onde sua aptidão para a matemática se tornou mais aparente, assim seu pai resolveu envia-lo para Cambridge. Em 1838 começou seus estudos no Trinity College em Cambridge onde se graduou em 1842. A partir de 1849 trabalhou catorze anos como advogado, desistindo da docência, pois continuar nela implicaria em tomar hábitos religiosos. Embora muito hábil nessa carreira, a considerava apenas como uma forma de sustento para prosseguir com a matemática. Durante esses catorze anos publicou aproximadamente 250 trabalhos matemáticos, a maioria sobre a teoria dos invariantes algébricos. No período em que era estudante conheceu James Joseph Sylvester, também um ícone da álgebra britânica. Como ambos pesquisavam as mesmas áreas, tornaram grandes amigos. E foi nessa época então que Cayley, 1855 escreveu um artigo usando os termos Matriz (termo este que já teria sido usado por Sylvester a cinco anos antes) salientando que como pela lógica a noção de Matriz antecedesse a de Determinantes o que historicamente não era correto, pois os Determinantes já eram usados na resolução de sistemas lineares muito antes da criação das matrizes. Os chineses alguns séculos antes de Cristo já resolviam sistemas de equações lineares por processos em que está implícita a ideia de matriz. Cayley introduziu as matrizes em seu artigo simplesmente para facilitar a notação no estudo de transformações dadas por equações lineares simultâneas. Por exemplo, a observação feita por ele do efeito de duas transformações sucessivas sobre uma transformação dada, sugeriu-lhe a definição de multiplicação de matrizes (linhas por colunas), operação que como ele próprio verificou não gozava da propriedade comutativa. Nesse mesmo artigo Cayley propôs, ainda que resumidamente, a ideia de matriz inversa. Três anos depois, num outro artigo, Cayley introduziu as operações de adição de matrizes e multiplicação de matrizes por escalares, colocando inclusive suas propriedades. 7.2.2- Determinantes O estudo sobre determinantes precedeu o estudo de matrizes, feito por Cayley. A definição de determinantes é atribuída ao matemático alemão Gottfried Leibniz (16461716) e teria sido realizada em 1963.Mais tarde, em 1750, o matemático e astrônomo suíço Gabriel Cramer (1704-1752) publicou a solução de sistemas lineares através da “Regra de Cramer” Em1683, paralelamente a Leibniz, o Oriente resolvia sistemas lineares por intermédio do matemático japonês Kowa, de forma parecida com a usada hoje. No século XVIII outros matemáticos, como Bézout, Vandemonde e Laplace, deram sua contribuição para aperfeiçoar esse estudo, consolidado no século XIX por Cauchy e Jacobi. O francês Pierre Laplace (1749-1827) viveu num século em que a Europa respirava o clima revolucionário, em particular seu país de origem envolvido com a Revolução Francesa. O clima de guerra leva a Igreja e o Exército a chamar a seus homens da ciência, Laplace, por exemplo, foi um dos matemáticos indicados por Napoleão para ocupar postos administrativos. No conjunto de suas realizações, Laplace contribuiu de forma significativa para a Matemática. Seu objetivo maior, porém, foi a Astronomia. Sua obra principal é a mecânica celeste. Nesse percurso precisou solucionar alguns problemas matemáticos, que acabaram por se tornar valiosíssimos, como a teoria das probabilidades e o conceito de potencial. Esses trabalhos fizeram dele um dos principais matemáticos de seu tempo 7.3- Operacionalizações da aula Iniciar a aula fazendo um breve Historicização sobre matrizes, disponibilizar via E mail para os alunos uma apostila contendo um texto relacionado com a história de matizes e determinantes, seus conceitos e propriedades. O que é matriz? Chamamos de matriz do tipo mxn (Lê-se “m por n”) a toda tabela constituída por m x n elementos dispostos em m linhas e n colunas. Notação: As matrizes são representadas em forma de tabela de dois modos diferentes: usando-se parêntese ou colchetes. Exemplos: 1 3 1x2 1 2 2x1 1 4 0 2 6 2 4 0 4 3x3 Tipos de matriz: Matriz retangular: m n (número de linhas é diferente de números de coluna) 2 1 0 3 2 1 2x3 Matriz linha: m=1 1 3 1x2 Matriz coluna: n=1 1 2 2x1 Matriz nula: Quando todos os elementos da matriz são zeros. 0 0 0 0 2 x 2 02 = Matriz Quadrada: Uma matriz quadrada do tipo mxm é dita de ordem m : Assim : m=n (número de linhas é igual ao número de coluna) 3 2 7 0 2x2 Matriz Triangular Matriz Diagonal Quando todos os elementos acima e abaixo da diagonal principal são nulos. 4 0 0 0 2 0 0 0 3 Matriz Identidade É uma matriz quadrada onde todos os elementos da diagonal principal são todos 1, e os elementos fora da diagonal principal são todos 0. Importante a matriz identidade é elemento neutro do produto de matrizes. Matriz Nula É uma matriz de qualquer tamanho onde todos os elementos são ZERO. Matriz Oposta É quando se obtém trocando os sinais dos elementos de A. Identificamos por –A Exemplo: 3 2 A= 7 0 3 2 - A= 7 0 Matriz Transposta Matriz transposta de A: At Linhas de uma = coluna da outra Matriz Simétrica Quando uma matriz quadrada A é igual à sua transposta At (A=At), dizemos que A é uma matriz simétrica. Exempo: 1 2 3 A 2 0 4 que é igual 3 4 6 1 2 3 At 2 0 4 3 4 6 Igualdades de Matriz Representação genérica: Uma matriz A do tipo 3x3 é representada genericamente por: a11 a12 a13 a a a 23 21 22 a31 a32 a33 3x3 Podemos também representar por A= ( a ij ) 3x 3 em que i e j indicam, respectivamente, a posição da linha e da coluna aij . Exemplo: 2 4 2 8 0 2 6 1 3 a11 2 a12 8 a13 0 a21 4 a22 2 a23 6 a31 2 a32 1 a33 3 Assim: a13 a11 a12 a a 23 21 a 22 a31 a32 a33 a m1 a m 2 a m3 a1n a 2 n a3n a mn Operações com Matrizes Adição A soma de duas matrizes A e B de mesma ordem é a matriz, também de mesma ordem, obtida com a adição dos elementos de mesma posição das matrizes A e B. Sendo as matrizes A (aij ) m x n e B (bij ) m x n , a soma de A e B é a matriz A+B = (aij bij ) m x n Exemplo: Dadas a matrizes: 1 0 3 A 4 7 2 2 3 1 B 5 0 2 Assim temos; Propriedades da Adição: Considerando matrizes de mesma ordem, são validas as seguintes propriedades: P1 Comutativa: A + B = B+A Exemplo: Dadas as Matrizes: 1 2 3 5 A e B 7 8 8 4 É valido que: A + 1 2 A 8 4 B = 3 5 B 7 8 4 7 15 4 B = = + A 3 5 B 7 8 1 2 A 8 4 4 7 15 4 P2 Associativa A + (B + C) = (A + B) + C Dadas as matrizes: 4 1 C 5 3 3 5 B 7 8 1 2 A 8 4 É válido que: A + (B + C) = ( A + B) + C 1 2 3 5 4 1 1 2 3 5 4 1 A + = 7 8 5 3 8 4 7 8 5 3 8 4 1 2 7 4 8 4 + 12 11 = 4 7 4 1 15 4 + 5 3 8 6 20 7 = 8 6 20 7 P3 Elemento simétrico A matriz oposta da matriz A de ordem m x n é a matriz –A de ordem m x n, cujos elementos de mesma posição são simétricos. A + (- A) = 0 seja a matriz: 1 2 A 8 4 É válido que: A + 1 2 8 4 (-A) = 0 1 2 0 0 8 4 0 0 P4 Elemento neutro A+0=A 1 3 A é válida que: 5 2 1 3 0 0 1 3 5 2 0 0 5 2 Subtração de matrizes A diferença entre duas matrizes A e B, de mesma ordem, é a matriz obtida pela adição da matriz A com a oposta da matriz B, ou seja: A–B= A+(-B) 1 0 3 2 3 1 A B 5 0 2 4 7 2 Multiplicação de um número real por uma matriz O produto de um número real K por uma matriz A é obtido pela multiplicação de cada elemento da matriz A por esse número real K. Exemplos: Propriedades P1= P2= P3= P4=1. A = A Multiplicação de matrizes Para a multiplicação entre matrizes precisamos de uma técnica mais elaborada do que as que vimos até agora. Primeiro observamos que só definimos o produto de AB de duas matrizes quando o número de colunas de A for igual ao número de linhas de B; além disso, notamos que o produto de AB possui o número de linhas de A e o número de colunas de B: Condição: Como proceder: Cada elemento da nova matriz C é calculado multiplicando-se ordenadamente os elementos da linha i da matriz A pelos elementos correspondentes da coluna j da matriz B e, a seguir, somando-se os produtos obtidos . Exemplos Dada a matriz: 3 2 A 5 0 1 4 3 x 2 3 1 e B 6 2 2 x 2 Vamos determinar AB. Como A é uma matriz 3 x 2 e B é uma matriz 2 x 2, o número de colunas de A é ig:ual ao número de linhas de B; assim, está definido o produto AB, que será uma matriz 3 x 2, isto é: c11 c12 3 2 3.3 2.6 3.1 2.2 21 7 3 1 AB c 21 c 22 5 0. 5.3 0.6 5.1 0.2 15 5 6 2 c31 c32 1 4 1.3 4.6 1.1 4.2 27 9 Propriedades da multiplicação P1 Associativa (A . B) . C = A . (B . C) Exemplo: 0 2 A 6 3 1 3 1 3 B C 2 5 2 1 (A . B) . C = 4 10 1 3 24 22 AB .C 0 3 2 1 6 3 A . (B . C) 0 2 7 6 24 22 A . BC 6 3 6 3 12 11 P2 Distributiva (A + B) . C = A . C + B . C C . (A + B) = C . A + c B Exemplo: 0 2 A 6 3 1 3 B 2 5 P3 Elemento Neutro A m x n . In = A Exemplo: 0 2 A 6 3 1 0 B 0 1 Temos que A.B = A P4 (K . A m x n) . B m x p = A . (K . B) = K . (A . B), com K Exemplo: 0 2 A 6 3 P5 1 3 B 2 5 (A m x n . B n x p) t = B t . At Exemplo: Reais. 0 2 A 6 3 1 3 B 2 5 Observação importante A propriedade comutativa não é válida para a multiplicação de matrizes. Em geral A.B B.A Exemplo: 0 2 A 6 3 1 3 B 2 5 Porém em alguns casos: A . B = B . A elas comutam. Exemplo: 1 0 2 0 A B 1 1 1 2 Determinantes Determinante de uma matriz é um número real que associamos a essa matriz segundo algumas regras. Inicialmente vamos ver de 1º ordem, 2ª ordem . Notação: sendo a matriz 1 3 1 3 A= , o seu determinante é indicado como det A = . 7 8 7 8 Determinante de uma matriz quadrada de 1ª ordem A= a11 det A= a11 Exemplos: a) A = (6) det A = 6 ou b) B = (-9) det B = -9 ou A= 61x1 é det A = 6 A= 91x1 é det A = -9 Determinante de uma matriz quadrada de 2ª ordem a11 a12 O determinante da matriz A = , é o número real obtido através do produto a21 a22 2 x 2 dos elementos da diagonal principal menos o produto dos elementos da diagonal secundária: Det A = a11 a12 a21 a22 a11. a22 a12 . a21 Exemplos: 1 2 Determinante da matriz B = é 4 9 det B 1 2 4 9 det B = 1.9 – 2.4 det B = 9 – 8 , det B = 1 Determinante de matrizes quadradas de ordem n, n≥2, Esse cálculo do determinante pode ser feito empregado um processo denominado regra de Sarrus. a11 a12 A = a 21 a 22 a31 a32 a13 a23 a33 3 x 3 1º Passo: Escrevemos a matriz e repetimos a 1º coluna e a 2º coluna à direita da 3º coluna: a11 a12 a13 a11 a21 a22 a23 a21 a22 a31 a33 a31 a32 a12 a32 2º Passo: Efetuamos a adição algébrica dos produtos dos elementos indicados pelas setas conforme o esquema: a11 a12 a13 a11 a21 a22 a23 a21 a22 a31 a33 a31 a32 a12 a32 Det A = a11. a22. a33 a12 . a23. a31 a13. a21. a32 a13. a22. a31 a11. a23. a32 a12. a21. a33 Exemplos: Calcule o determinante das matrizes: a) 1 2 3 2 A= 4 5 1 0 4 1 2 31 2 Det A = Det = 1.5.4+2.2.1+(-3).4.0 - (-3).5.1-1.2.0-2.4.4 Det = 20+4-0+15-0-32 Det= 24-17=7 4 5 2 4 5 1 0 4 1 0 b) 1 2 0 B= 2 5 0 1 2 3 1 2 01 2 Det B= 2 5 0 2 3 1 2 31 2 Det=(1.5.3)+(2.0.1)+(0.2.2)-0.3.1)-1.0.2)-(2.2.3) Det B = 15+0+0-0-0-12 Det B= 3 c) 3 1 5 C= 2 0 2 1 4 3 Det C = 3 1 5 3 1 2 0 2 2 0 1 4 3 1 4 Det C = 0+2+40-0+24+6 Det C = 72 d) 3 5 1 2 D= 0 4 0 0 2 Det D = -24+0+0+0+0+0 Det D = -24 3 5 det D= 0 4 1 3 5 2 0 4 0 0 2 0 0 Propriedades de Determinantes: SEQUÊNCIA PARA UTILIZAÇÃO DO SOFTWARE WINMAT Propriedades e Teoremas dos Determinantes – Software Winmat Propriedade I: 1. Abrindo o software Winmat escolha a opção matriz a seguir nova, aparecendo uma pequena janela intitulada nova matriz real nela podemos escolher a ordem da matriz e na Opção nome nomear a matriz. 2. Na opção Tamanho escreva ( ), na opção nome escolha A e com a opção criar crie a matriz. Surgirá na janela de visualização uma matriz , para editar seus valores basta selecionar sua célula, inserir um novo valor e pressionar enter. 3. Na matriz criada edite seus valores, para gerar a matriz [ ]. Como fazer: Selecione e escreva 2, a seguir pressione enter. Repita este passo para inserir o número 3 selecionando o elemento . Note que os valores da matriz estão com cinco casas decimais, para deixar os valores com duas casas decimais selecione a opção editar na caixa de diálogo da matriz criada e escolha a opção formato a seguir insira o número dois na opção números decimais finalizando com ok. 4. Para calcular o determinante dessa matriz selecione a opção calc da janela principal, a seguir escolha a opção uma matriz e posteriormente A. Aparecerá uma caixa de diálogo com diversas descrições, dentre elas determinante, aparecendo neste item o cálculo do determinante da matriz criada. Qual é o valor do determinante desta matriz? Outros exemplos (para cada nova matriz criada escolha um nome diferente): a) [ ] b) [ √ √ √ ] c) [ ]. Qual o determinante desta matriz? Compare esta matriz com a matriz criada anteriormente existe alguma característica em comum? Se não possui, o que as diferencia? Conclusão: Por meio destes exemplos, observamos que se todos os elementos de uma linha ou coluna de uma matriz quadrada forem nulos, o seu determinante é zero, assim temos a 1ª propriedade dos determinantes. 5. Feche as duas últimas janelas criadas. Propriedade II: 6. Crie uma nova matriz de ordem 7. Insira a matriz [ 8. Crie uma nova matriz, na opção tamanho escreva ( crie a matriz. 9. Insira a matriz [ 10. Insira a matriz [ , renomeando por A. ], calcule o determinante desta matriz. ) e com a opção criar e ], calcule seu determinante. ]. Qual seu determinante? 11. Insira a matriz [ ], calcule o determinante desta matriz. 12. Insira a matriz [ ], Calcule o determinante 13. Insira a matriz [ ], Calcule o determinante Compare seus resultados, o que elas têm em comum? Conclusão: I) II) Se a matriz A tiver duas linhas ou duas colunas formadas por elementos respectivamente iguais, então o det A= 0, Os elementos de duas linhas serem proporcionais, ou duas colunas com elementos proporcionais o det A= 0. Propriedade III: 14. Com a opção matriz e a seguir nova, crie as seguintes matrizes: a) [ ], calcule seu determinante e o determinante de sua transposta, compare os resultados. b) [ ]. Qual seu determinante e o determinante de sua transposta? c) [ ]. Qual o determinante e o de sua transposta? Conclusão: Sendo a matriz transposta de A, então . Propriedade IV 15. Crie as matrizes: a) [ ], multiplique uma linha ou uma coluna por um 3 e calcule seu determinante. b) [ ], multiplique uma linha ou uma coluna por um 2 e calcule seu determinante. c) [ ] multiplique uma linha ou uma coluna por um 7 e calcule seu determinante. Conclusão: Multiplicando-se os elementos de uma fila de A por um número k, o determinante da nova matriz é tal que: . Propriedade V: 16. Crie as matrizes abaixo calcule seus respectivos determinantes e a seguir crie uma nova matriz para cada matriz dada trocando de lugar duas filas paralelas de cada matriz: a) [ b) [ ] ] c) [ ] Conclusão: Se B é a matriz que se obtém de A, quando trocadas entre si as posições de duas filas paralelas, tem-se: . Portanto sendo A uma matriz de ordem n, as principais propriedades dos determinantes são as seguintes: P1= Se os elementos de uma fila de A forem todos iguais a zero, então det A=0 2 1 det A= 0 0 0 Exemplo: A P2= Se a matriz A tiver duas filas paralelas formadas por elementos respectivamente iguais, então det A=0 2 1 3 2 1 Exemplo: A 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 det= 2.2.2+1.2.2+3.2.2-3.2.2.-2.2.2-1.2.2=0 P3= Sendo At a matriz transposta de A, então det At=det A 2 1 det A= 8-6=2 6 4 Exemplo: A= 2 6 4 det A = 8-6= 2 At = 1 P4 = Multiplicando-se os elementos de uma fila de A por um número K, o determinante da nova matriz é tal que: det B = K .det A. 2 1 det A= 8-7=1 7 4 Exemplo: A= Multiplicando k pela primeira fila onde k=3 6 3 det B = 6.4-3.7= 24-21=3 7 4 Nova matriz B= Assim fazendo 3.det A= 3 P5= Se B é a matriz que se obtém de A, quando trocadas entre si as posições de duas filas paralelas, tem-se: det B= -det A 2 1 6 4 Exemplo: matriz A= det A =8-6=2 6 4 = det 6-8= -2 2 1 matriz B= Matriz Inversa Considerando A uma matriz quadrada de ordem n. Dizemos que A-1 é inversa de A se, e somente se, A . A-1 = I n e A-1 . A = I n A.A-1=A-1.A= In Condição de uma matriz ser invertível: Uma mátria só admite inversa se o seu determinante for diferente de zero. Onde : { Exemplo Determine caso exista a inversa da matriz dada. 3 1 A 5 2 Resolução: Se existir a matriz inversa da matriz A é do tipo: a b X c d tal que A . X = I2, ou seja 3 1 a b 1 0 3a c 3b d 1 0 A . X I2 . c d 0 1 5a 2c 5b 2d 0 1 5 2 Da igualdade de matrizes, temos os sistemas: 3a c 1.(2) 6a 2c 2 5a 2c 0 5a 2c 0 a 2 a 2 3a c 1 3.2 c 1 c 5 3b d 0.(2) 6 2d 0 5 b 2 d 1 5b 2d 1 b 1 b 1 3b d 0 3.(1) d 0 d 3 7.4- Conclusões da aula (atividades e sugestão de atividade). Questionar os alunos em relação ao conteúdo, verificando se os objetivos da aula foram alcançados buscando a comprovação através da resolução dos exercícios. 8-Avaliação 8.1- Instrumentos de avaliação Verificação da aprendizagem será realizada através trabalho em dupla. 9- Referências: Dante, Luis Roberto. Matemática, Volume único. 1ª edição, SP: Editora ática,2011. Paiva, Manoel. Componente curricular: Matemática. 1ª edição, SP: Ed.Moderna,2005. Barreto Filho, Benigno et al. Matemática aula por aula. 1ª edição, SP:Ed. FTD,2003. Paiva, Manoel. Matemática Paiva.1ª edição, SP: Ed. Moderna,2009. Acessadoemabrilde2014/LucasSpillerebarchinskihttps://www.youtube.com/watch?v=0xr8Lkt5 Anglo: ensino médio: livro texto. Vários autores - São Paulo: Ed Anglo, 2002 WINMAT, Disponível em <http://ler.vc/ditsp4>, pagina do site da Philips Exeter Academy. Acessado em (10 setembro de 2014). SOUZA, Joamir. Novo Olhar Matemática, 2ª edição, SP: Editora FTD 2013. SILVA, Claudio Xavier et al. Matemática aula por aula, 2ª edição, SP: Ed FTD, 2005.