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Abordagem clara e simples sobre o estudo das cônicas e quádricas.
Tipologia: Notas de estudo
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PRELIMINARES: VETORES, RETAS, PLANOS, CÔNICAS E QUÁDRICAS
Trabalharemos nesta seção com vários exercícios resolvidos envolvendo o estudo dos
Vetores, Retas e Planos. Deixaremos de lado os conceitos e caso sejam necessários faremos uma
breve descrição.
3
Trabalharemos nesta seção com vários exercícios resolvidos envolvendo o estudo dos
Vetores, Retas e Planos. Deixaremos de lados os conceitos e caso sejam necessários faremos uma
breve descrição.
Exercício 1: Da figura 1 abaixo, considerando os vetores u
r , v
r e w
r , temos que:
a) { u , v , w }
r r é uma base do , pois são 3 vetores LI no espaço tridimensional;
3
b) { AC , AF , AH }é uma base do , pois são 3 vetores LI no espaço tridimensional;
3
c) (^) { u , v }
r não é uma base do , pois é um conjunto com apenas 2 vetores;
3
d) (^) { u , v , AC }
r não é uma base do , pois são 3 vetores LD;
3
e) { u , v , w , AG }
r r não é uma base do , pois é um conjunto com 4 vetores.
3
Figura 1 Paralelepípedo ABCDEFGH
, temos que:
a) { u , v , w }
r r é uma base ortogonal do , pois seus vetores são perpendiculares dois a dois;
3
b)
⎭
|| || w
w
v
v
u
u r
r
r
r
é uma base ortonormal do
3
unitários.
Definição: O produto interno entre dois vetores a
r e b
r não nulos, é o número denotado por
a b
r v ⋅ e definido pela expressão:
a b || a ||.|| b ||.cos( a , b )
r v r v r v ⋅ =
Exercício 3: Considere os vetores unitários e ortogonais u
r , v
r e w
r da figura 2, então:
a) ⋅ =|| ||.|| ||.cos( , )= 1. 1 .cos( 90 )= 0
o u v u v uv
r r r r rr
b) ⋅ =|| ||.|| ||.cos( , )= 1. 1 .cos( 90 )= 0
o v w v w vw
r r r r r r
c) ⋅ =|| ||.|| ||.cos( , )= 1. 1 .cos( 90 )= 0
o w u w u wu
r r r r r r
d) ⋅ =|| ||.|| ||.cos( , )= 1. 1 .cos( 0 )= 1
o u u u u uu
r r r r r r
e) ( − )⋅ =||− ||.|| ||.cos(− , )= 1. 1 .cos( 180 )=− 1
o u u u u uu
r r r r rr
f) ( 5 )⋅ ( 2 )=|| 5 ||.|| 2 ||.cos( 5 , 2 )= 5. 2 .cos( 90 )= 0
o u v u v u v
r r r r r r
Figura 2 Paralelepípedo ABCDEFGH com medidas 5x2x
Exercício 4: Supondo que || u ||= 3
r , || v ||= 2
r e que é medida do ângulo entre os vetores u
o 30
r
e v
r , determine u v e
r r ⋅ (^) || 3 u- 2 v ||
r r .
Solução:
r r r r rr ⋅ = , temos que:
( ) 1. 3 3 2
⋅ = 3 .( 2 ).cos( 30 )= 2 3 = = =
o u v
r r
2 v v v
r r r r r r = ⋅ e
9 ||u|| 12 (u ) 4 || || 27 36 16 7
( 3 u- 2 ) ( 3 u- 2 ) || 3 u|| 2 ( 3 u)( 2 ) || 2 ||
2 2
2 2
v v
v v v v r r r r
r r r r r r r r
temos que: || 3 u- 2 v ||= 7
r r
Exercício 7: Considere os vetores unitários e ortogonais u
r , v
r e w
r da figura 2 acima, então:
a) u^ v w , pois:
r r r × =
o w
r é perpendicular aos vetores u
r e v
r ;
o || ||=|| ||.|| || ( , )= 1. 1. ( 90 )= 1
o w u v senuv sen
r r r r r ;
o usando a regra da mão direita, confirmamos o resultado;
b) v w u , análogo ao anterior;
r r r × =
c) w u v , análogo aos anteriores;
r r r × =
d) v u w , pela definição;
r r r × =−
e) u v w , pois:
r r r 3 × 2 = 6
o w é perpendicular aos vetores
r 6 u
r 3 e v
r 2 ;
o || 6 ||=|| 3 ||.|| 2 || ( 3 , 2 )= 3. 2. ( 90 )= 6
o w u v sen u v sen
r r r r r ;
o usando a regra da mão direita, confirmamos o resultado;
f) 0
r r^ r u × u = , pois
o || × ||=|| ||.|| || ( , )= 1. 1. ( 0 )= 0
o u u u u senuu sen
r r r r r r ;
Proposição: Em uma base ortonormal positiva { u , v , w }
r r qualquer, se a xau yav zaw
r r r = + + e
b xbu ybv zb w
r (^) r r = + + , então produto vetorial entre os vetores a
r e b
r é o “determinante”
1 :
b b b
a a a
x y z
x y z
u v w
a b
r r r
r r × =
Exercício 8: Usando a base { u , v , w }
r r da figura 2, calcule a área do paralelogramo formado pelos
vetores AG e CE.
Solução: Como (^) AG u v w
r r r = 5 + 2 + 3 e^ CE^ u v w
r r r = − 5 − 2 + 3 , usando a proposição acima, temos:
u v w u v w u v w
u v w
r r r r r r r r r
r r r
como já havíamos calculado anteriormente, e a norma do vetor AG × CEé igual á
2 2 2
logo a área do paralelogramo será igual a A ≅ 32 , 31 u. a.
2 .
1 O determinante está entre aspas, para enfatizar que o cálculo é igual ao de um determinante qualquer, porém a primeira linha é
composta de vetores. 2 A simbologia u.a. significa unidade de área, por exemplo: m
2 (metro quadrado), cm
2 (centímetro quadrado), etc.
Definição: O produto misto entre os vetores a
r , b
r e c
r é o número , denotado por [ a , b , c ]
r rr ,
definido pela expressão:
a bc a b c
r rr r r r [ , , ]= × ⋅
Exercício 9: Considere os vetores unitários e ortogonais u
r , v
r e w
r da figura 9, então:
a) [ u , v , w ]= u × v ⋅ w = w ⋅ w = 1
rr r r r r r r
b) [ u , w , v ]= u × w ⋅ v =− v ⋅ v =− 1
r r r r r r r r
c) [ AB , AD , AE ]= AB × AD ⋅ AE = 10 w ⋅ 3 w = 30
r r
d) [ AG , CE , BH ]= AG × CE ⋅ BH =( 12 u − 30 v + 0 w )⋅(− 6 u + 2 v + 3 w )= 132
r r r r r r
Proposição: Em uma base ortonormal positiva { u , v , w }
r r , se a xau yav zaw
r r r = + + ,
b xbu ybv zb w
r (^) r r = + + e c xcu ycv zcw
r (^) r r
é o
determinante:
c c c
b b b
a a a
x y z
x y z
x y z
[ a , b , c ]=
r r
Exercício 10: Usando a base { u , v , w }
r r da figura 9, calcule o volume do paralelepípedo gerado
pelos vetores AG , CE e BH.
Solução: Como AG u v w
r r r = 5 + 2 + 3 , CE^ u v w
r r r = − 5 − 2 + (^3) , BH u v w
r r r = − 6 + 2 + (^3) e o volume é o
módulo do produto misto, pela proposição acima, temos:
[ ] 132
como já havíamos calculado anteriormente, logo o volume é V =| 132 |= 132 u. v.
3
3 A simbologia u.v. significa unidade de volume, por exemplo: m
3 (metro cúbico), l (litro), cm
3 (centímetro cúbico), etc.
cada ponto P do plano corresponde um único par de parâmetros.
Exercício 12: Determinar as equações paramétricas e a equação normal do plano ϕ que contém
o ponto S =( 1 , 1 , 1 )e é perpendicular ao vetor w =( 2 , 1 , 3 )
r .
Solução: Vamos primeiro, achar a equação geral do plano, considerando como vetor normal do
plano o vetor n = w =( 2 , 1 , 3 )
r r ϕ , portanto um ponto^ P^ =^ (^ x , y , z ) para pertencer ao plano^ ϕ^ , tem que
satisfazer à equação n ϕ⋅ SP = 0
r , logo:
( 2 , 1 , 3 )⋅ ( x − 1 , y − 1 , z − 1 )= 0
2 ( x − 1 )+ 1 ( y − 1 )+ 3 ( z − 1 )= 0
figura 17, concluímos que:
Figura 17 Planos paralelos
¾ Os vetores n α
r e n β
r são paralelos, logo 0
r r^ r n α (^) × n β= ;
¾ A interseção entre os dois planos é vazia;
o ;
¾ Os vetores u ,
r v
r
, podem, três a três, ser
representados em um plano, logo são LD;
¾ O vetor AB é perpendicular aos vetores n α
r e n β
r ;
¾ Os vetores AB , u e
r v
r
¾ O volume do paralelepípedo formado pelos vetores AB , u
r e v
r é positivo;
Exercício 13: Determinar a equação normal do plano φ que contenha o ponto A e seja paralelo ao
plano β.
Para determinar a equação deste plano, você terá que achar um ponto e vetor normal do
plano ϕ , ou dois vetores diretores do plano.
Como fazer isso?
¾ Esboce dois planos paralelos;
¾ Represente o ponto C e o vetor normal n β
r
r r = ;
“Porque posso escolher esse vetor?”
¾ Temos, portanto, que o plano ϕ é definido por A =( 3 , 0 , 1 )e n ϕ (^) = n β=(− 1 , 1 , 1 )
r r ;
¾ Como AP r
r ⊥ , o produto interno AP ⋅ r = 0
r ;
Definição: Qualquer vetor não nulo, que dá a direção de uma reta r , é chamado de vetor diretor
da reta r.
Observação: No sistema de coordenadas, seja P = ( x , y , z )um
A z^ A e^ B (^ x B zB
ponto qualquer da reta r , definida
pelos pontos, distintos, do espaço A = ( xA , y , ) = B , y , ), considere os vetores
u = AB =( xB − xA , yB − yA , zB − zA )=( xu , yu , zu )
r
Portanto, da equação vetorial, temos:
AP u
r
r u
u u u
AP
Escrevendo cada coordenada como uma equação e isolando as variáveis x , y e z ,
temos o seguinte sistema de equações, chamado de sistemas de equações paramétricas da
τ
τ
τ
A u
A u
A u
z z
y y
x x
z
y
x
r :
Se nenhuma das coordenadas do vetor diretor u = AB
r , for nula, podemos isolar o parâmetro τ de
cada uma das equações acima, obtendo
u
A
x
x − x
u
A
y
y − y
u
A
z
z − z
seguinte igualdade
u
A
u
A
u
A
y
z z
y
y y
x
τ = que é é chamado sistema de equações da reta r
na forma simétrica, ou simplesmente equações simétricas da reta r
O que resulta no sistema equivalente , escolhendo 2
z
z
y
x
sistema equivalente, obtemos as equações paramétricas da reta e destas,
obtemos as equações simétricas
τ
τ
τ
z
y
x
r
x y z r =
escolhendo, por exemplo,
o y = 0 , reduzindo o sistema para , tendo como solução 0
z
z
x
x x = 1 e z =− 2 , ou
seja, um primeiro ponto da reta é A =( 1 , 0 ,− 2 ) ;
o z = 0 , reduzindo o sistema para , tendo como solução e 0
y
y
x
x x =− 3 y = 2 ,
ou seja, um segundo ponto da reta é B^ =(−^3 ,^2 ,^0 ).
Logo um vetor diretor é o vetor u = AB =(− 4 , 2 , 2 )
r e, portanto, as equações paramétricas da
reta são e, destas equações, obtemos as equações simétricas
⎪ ⎩
τ
τ
τ
z
y
x
r
x − y z r.
¾ Pode-se também determinar um ponto e um vetor diretor da reta.
o Para encontrar um ponto, fazemos como acima. Vamos utilizar, então, o ponto
o Para determinar um vetor diretor, basta calcular u n α n β
r r r = × , logo
i j k
i j k
u n n
r r r
r r r
r r r = × = =− 2 + +
α β^111_._
Portanto as equações paramétricas da reta são e destas, obtemos as
equações simétricas
τ
τ
τ
z
y
x
r
x − y z r.
Observação: Apesar das equações paramétricas e simétricas da reta r , encontradas no exercício
acima, serem diferentes, elas representam a mesma reta r , o que as diferencia é a escolha de um
ponto inicial e de um “novo” vetor diretor, múltiplo do vetor diretor obtido anteriormente.
Observando as duas retas r e s paralelas distintas, na figura
10, concluímos que:
¾ Os vetores diretores r
r e s
r são paralelos, logo são LD;
¾ O ponto S ∉ r e R ∉ s ;
¾ O vetor SR não é paralelo aos vetores diretores;
¾ Não existe interseção entre as retas;
¾ O ângulo ( r , s )entre as retas é 0
o ;
¾ A área do paralelogramo formado pelos vetores r
r e SR é positiva;
¾ A distância d ( r , s )entre as retas é positiva.
Observando as duas retas r e s concorrentes, na figura 11,
concluímos que:
¾ Os vetores diretores r e
r s
r não são paralelos, logo
são LI;
¾ A interseção entre as retas é o ponto I;
¾ O ângulo ( r , s )entre as retas está entre 0
o e 180
o ;
¾ Os vetores r ,
r s
r e SR , podem ser representados em um plano, logo são LD;
¾ O volume do paralelepípedo formado pelos vetores r
r , s
r e SR é 0 ;
¾ A distância d ( r , s )entre as retas é 0.
Figura 11 Retas concorrentes.
Figura 12 Retas reversas.
Figura 10 Retas paralelas.
Observando as duas retas r e s reversas, ou seja, as retas
estão em planos paralelos distintos, como na figura 12,
concluímos que:
¾ Os vetores diretores r e
r s
r não são paralelos, logo
são LI;
¾ Não existe interseção entre as retas;
¾ O ângulo ( r , s )entre as retas está entre 0
o e 180
o ;
¾ Os vetores r ,
r s
r e SR , não podem ser representados em um plano, logo são LI;
¾ O volume do paralelepípedo formado pelos vetores r
r , s
r e SR é positivo;
¾ A distância d ( r , s )entre as retas é positiva.
o Determinar dois vetores diretores do plano. Para tanto, acharemos outros dois
pontos, como por exemplo, os pontos C 1 (^) =( 0 , 0 , 2 ) e , achando os
vetores
CC 1 (^) =( 0 , 1 ,− 1 )e^ CC 1 (^) =(− 2 , 1 ,− 3 ), logo:
2
2
2
1
1
1
μ
μ
μ
μ
μ
μ
β
z
y
x
2
1
μ
μ
μ μ
β
z
y
x
ou
⎪ ⎩
2
2
2
1
1
1
μ
μ
μ
μ
μ
μ
β
z
y
x
Sabemos da geometria elementar que circunferência é o conjunto de todos os pontos
eqüidistantes de um ponto fixo C = (^) ( a b , )denominado centro da circunferência.
Considerando o centro da circunferência como sendo o ponto ), r sendo o raio e
um ponto da circunferência, temos:
C = ( a b ,
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
(^2 2 2 2 )
Portanto, uma circunferência de centro C = (^) ( a b , ) e raio r tem equação
( ) ( )
(^2 2 )
2 2 x + y = 4
Circunferência
de centro C=(0,0) e raio 2.
2 2 x − 1 + y − 2 = 1
Circunferência de centro C=(1,2) e raio 1.
Desenvolvendo a equação reduzida (^) ( ) ( )
(^2 2 )
. Esta equação é chamada equação geral da circunferência.
2 2 2 2 2
Exercício 1: Determine o centro e o raio da circunferência
2 2
Solução:
Da equação geral , vamos encontrar a equação reduzida
2 2
( ) ( )
(^2 2 )
Vamos utilizar um processo conhecido como completamento de quadrados. Para isso,
lembramos que ( )
2 2 2 x − 2 ax + a = x − a e ( )
2 2 2
Com base na equação separamos os termos que envolvam as
2 2
ara cima e observando a trajetória percorrida pela água. Essa trajetória
Podemos visualizar concretamente uma parábola, dirigindo um jato d’água de uma
mangueira obliquamente p
é parte de uma parábola.
parábola. O
segmento
c
Observe que d (^) ( F V , (^) ) = d V D ( , (^) )= c e assim o
todos os pontos do plano tal que
Se um satélite emite um conjunto de ondas
eletromagnéticas, estas poderão ser captadas pela sua antena
parabólica, uma vez que o feixe de raios atingirá a sua antena que
tem formato parabólico e ocorrerá a reflexão desses raios
exatamente para um único lugar, denominado o foco da parábola,
onde estará um aparelho receptor que converterá as ondas
eletromagnéticas em um sinal que a sua TV poderá transformar em
ondas, que por sua vez, significarão filmes, telejornais e outros
programas que você assiste normalmente com maior qualidade.
Curiosidades
Nosso objetivo é determinar uma equação que represente uma parábola. Desta forma, a
P = (^) ( x y , ) d (^) ( P F , (^) ) = d (^) ( P r , ).
Como ilustração, vamos determinar a equação da parábola que tem como diretriz a reta
s que pertencem à parábola são tais que (^) ) , onde
Assim :
r : x 4 F = ( 6, 2)
Os ponto P = (^) ( x y , ) d (^) ( P F , (^) ) = d (^) ( P Q ,
Q = (^) ( −4, y )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
(
( ) ( )
) ( ) ( )
2 2 2 2
2
2 2 2
− = − )
Sabemos que o vértice da parábola é o ponto médio do segmento
2 2 2 2 2
2
( ) (
2
F (^) ( 6, ).
V FA , onde
F = (^) ( 6, (^2) ) e A = (^) ( −4, 2 (^) )e assim ( )
( ) ( ) ( )
2
Observe agora que na equação (^) )
2
( ) (
2
(^2) { (^) { 20
v v
y x (^) {
2
1
y c x
⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ −^ ⎟ =^ ⎜ − ⎜ ⎟ ⎜ ⎠
⎟ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝
Reciprocamente, a p artir da equação da parábola, y (^) ) ( x )
2 ( −^2 =^20 −^1 r
ao vértice
, podemos chega
ada a equação (^) ). Obtemos
( ) (
2 D y − 2 = 20 x − 1 V = (^) ( 1, 2)e c = 5.
Faremos alguns exercícios para que possamos assimilar e trabalhar melhor a equação
Se a concavidade é voltada para
cima, então a equação reduzida
da parábola é:
( ) ( )
2
v v
Se a concavidade é voltada para
baixo, então a equação reduzida
da parábola é:
( ) ( )
2
reduzida de uma parábola.
Exercício 1: Se uma parábola possui equação
2
o foco e a equação da reta diretriz.
Soluçã
a
Desta forma a equação pode ser escrita na forma:
)
do vértice, d
o:
{ { (^ ) 2
2 2 2
2 2
a a =
2
( ) ( ) ( ) (
2 2 2
Portanto, da equação da parábola (^) )
( ) (
2 x − 2 = 12 y + 1 obtemos V = ( 2, − 1 ) e
Como na equação (^) ) o termo envolvendo a variável x está elevado ao
quadrado, então pelos casos vistos anteriormente, a reta diretriz é paralela ao eixo
Utilizando o
( ) (
2
vértice V = (^) ( 2, − (^1) ) e o valor c = 3 = d V ( , F ), encontraremos o foco e a reta
gráfico no
lano cartesiano. Observe:
diretriz da parábola esboçando um
p
Logo, V^ =^ ( 2,^ −^1 ), F^ =^ ( 2, 2)e a reta diretriz é r : y = − 4.
o, pelos casos já mostrados anteriormente, a nossa parábola possui a seguinte
q
Log
equação: (^) ( ) ( ) ( ) ( )
(^2 2 )
( )
2
Portanto a equação da parábola é (^) ( )
2