Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria Unidade I – ESTUDO DAS CÔNICAS
1) Equação da circunferência
De maneira geral, denominamos de uma curva a toda equação em x e y cujas soluções ( x,y) são as coordenadas dos pontos da curva.
No caso de um circunferência de centro C ( xC , yC ) e raio r dados, temos: y
r • P
P (x,y) ∈ curva ⇔ d (CP) = r C •
x Assim, usando a fórmula de distância entre dois pontos, obtemos:
d =
(x
−
x
c)
2+
(y
−
y
c)
2 r =(x
−
x
c)
2+
(y
−
y
c)
2r² = ( x – xc ) ² + ( y – yc ) ² que é denominada equação reduzida da circunferência.
Exemplos:
1) Determine a equação reduzida da circunferência de centro C ( 3, -1) e raio r = 2. Solução :
( x – 3 ) ² + (y – (-1))² = 2², ou seja, ( x – 3 )² + ( y +1)² = 4
2) Verifique se os pontos A (2, -1) e B (3,0) pertencem a circunferência de equação (x-2)²+(y-3)²=16.
3) Identifique o centro e o raio da circunferência de equação ( x+3)² + (y-1)² = 9
4) Determine a equação da circunferência de centro ( 0,0) e raio 5.
Já conhecemos a equação reduzida da circunferência, que é r² = ( x – xc ) ² + ( y – yc ) ².
Desenvolvendo esta equação, temos:
r² = ( x – xc ) ² + ( y – yc ) ²
r² = x² - 2xxc + xc ² + y² - 2yyc +yc²
Reorganizando, teremos:
x² - 2xxc + xc ² + y² - 2yyc +yc² - r² = 0
Pondo
-2xc = a , –2yc = b e xc ² + yc² - r² = c, teremos:
Observamos que: -2 xc = a ⇒ 2 a xc − = -2 yc = b ⇒ 2 b yc = − xc² + yc² - r² = c ⇒ r x y c 2 c 2 c + − = Exemplos:
1) Determine a equação geral da circunferência de centro C(2,3) e raio 1.
2) Determine o centro e o raio da circunferência de equação x² + y²- 8x + 12y + 3 = 0.
2) O gráfico da circunferência
Dada a equação (x-1)² + (y-2)² = c, podemos observar os seguintes casos:
a) Se c > 0, então a equação representa uma circunferência de centro (1,2) e raio r =
c
. b) Se c = 0, então a equação representa o ponto (1,2)c) Se c < 0, então ela representa o conjunto vazio. Faça o gráfico para visualizar melhor.
Exercícios:
1) Determine a equação da circunferência ( reduzida e geral) em cada caso: a) C ( 3,3) e r = 6
b) C(-1,-3) e r = 2
2) Sendo dado o ponto P(1,1) pertencente a circunferência e o centro C(3,3), determine a equação reduzida e geral da circunferência.
3) Determine o centro e o raio da circunferência em cada caso: a) x² + y² - 4x – 8y + 19 = 0 b) 2x² + 2y² + 4x – 8y – 8 = 0 c) 2x² - y² = 9 d) 4x² + 4y² + 8x – 4y – 3 = 0 Respostas: 1) a) (x-3)² + (y-3)² = 36 e x² + y² - 6x – 6y –18 = 0
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b) (x+1)² + (y+3)² = 4 e x² + y² + 2x + 6y + 6 = 0 2) (x-3)² + (y-3)² = 8 e x² + y² - 6x – 6y + 10 = 0
3) a) C (2,4) r = 1 b) C(-1,2) e r = 3 c) não é circunferência d) C(-1, ½ ) r=
2
3) A circunferência definida por três pontos
1) Determine a equação da circunferência de centro C(2,0) e que passa pelo ponto P(4,1). Solução:
Para obtermos o raio, basta usar a fórmula da distância:
r = 2 2 ) 0 1 ( ) 2 4 ( − + − r P r = 5 C •
A equação da circunferência fica então definida como ( x – 2) ² + y² = 5.
2) Vamos agora determinar a equação da circunferência que passa pelos pontos M(2,0) e N(4,-2) e tem centro na reta s: y = 2x.
Solução:
Como o centro equidista de todos os pontos na circunferência, temos que N s
d(CM) = d(CN) M 2 c 2 c 2 c 2 c
)
(0
y
)
(4
x
)
(
2
y
)
x
(2
−
+
−
=
−
+
−
−
• Ficamos com 4xc – 4 yc = 16 ou xc – yc = 4. CComo C(xc ,yc ) pertence a s: y = 2x, temos que yc = 2xc .
Substituindo esta equação na equação acima, vem: xc = -4 e yc = - 8.
Assim, o centro é C = ( -4, -8) e podemos obter o raio: r = (2+4)2+(0+8)2 =10
A equação da circunferência é ( x + 4 )² + ( y + 8 ) ² = 100
3) Determine a equação da circunferência que passa pelos pontos M(3, -1) , N(0,8) e P (0,0) . Situação:
N
C •
M P
Exercícios:
1) Encontre a equação da circunferência sabendo que os pontos A(4,-2) e B(2,0) pertencem a circunferência e cujo centro é o ponto médio de AB.
2) Determine a equação de um circunferência de raio igual a 3, tangente aos eixos coordenados e contida no 2º quadrante.
3) Determine a equação da circunferência que passa pelos pontos A(-1,0) e B(1,0) e tem raio igual a
10
.4) Determine a equação da circunferência que passa pelos pontos A(7,10), B(-9,2) e D(9,-4)
Respostas: 1) (x-3)² +(y+1)² = 2 2) (x+3)² + (y-3)² = 9
3) x² + (y +3)² = 10 ou x² + ( y-3)² = 10 4) (x-1)²+(y-2)²=100
4) Posições relativas:
I ) Posição relativa entre ponto e circunferência:
Dado um ponto P qualquer e um circunferência, podemos ter três casos:
γ P • P • •P • C • C • C γ γ P ∈γ P ∈ interior de γ P ∈ exterior de γ Exemplos:
Verifique qual é a posição do ponto P dado em relação à circunferência de equação dada: a) P (5,-1) e x² + y² - 6x – 2y + 8 = 0
b) P ( 1, -2) e x² + y² - 2x + 4y – 3 = 0 c) P (1, -3) e x² + y² -2x + 4y – 3 = 0
Conclusão:
- Se d(CP) > r o ponto é exterior à circunferência - Se d (CP) = r o ponto pertence à circunferência - Se d(CP) < r o ponto é interior à circunferência.
Ainda com relação a posição entre ponto e circunferência, podemos observar algumas inequações e gráficos .
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Considere a equação da circunferência de centro (2,3) e raio
2
. a) Se ( x-2)² + (y-3)² < 2, teremos pontos dentro da circunferência.b) Se ( x-2)² + (y-3)² ≤ 2, teremos pontos dentro e sobre a circunferência.
c) Se ( x-2)² + (y-3)² = 2, teremos pontos sobre a circunferência.
d) Se ( x-2)² + (y-3)² > 2, teremos pontos fora da circunferência.
Exercícios:
1) Determine a posição de P em relação a γ nos casos: a) P (4,4) e γ : (x-3)² + (y-2)² - 4 = 0
b) P (3,1) e γ : x² + y² -4x – 2y + 4 = 0 c) P (5,3) e γ: x² + y² - 8x = 0
2) Determine k para que o ponto P(3,k) pertença ao interior da circunferência de equação x² + y² - 4x = 0.
3) Determine k para que a equação x² + y² - 2x + 4y + k = 0 represente uma circunferência. 4) Idem para x² + y² - 4x – 3y + m = 0.
5) Faça o gráfico que represente as relações abaixo:
a) x² + y² < 1 b) x² + y² > 4 c) 1 ≤ x² + y² ≤ 4
6) Represente graficamente as soluções do sistema:
<
+
≤
+
2
y
x
4
y
x
2 2 Respostas:1) a) exterior b) pertence à circunferência c) interior 2) − 3<k< 3
3) k < 5 4) m < 25/4
II ) Posição relativa entre reta e circunferência:
Uma reta t e uma circunferência γ do plano cartesiano podem apresentar as seguintes posições relativas:
Secante Tangente Exterior
P P t t d Q d d • C t C • • C d < r e t ∩∩∩∩ γγγγ = { P, Q} d = r e t ∩∩∩∩ γγγγ = { P} d > r e t ∩∩∩∩ γγγγ = ∅∅∅∅
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Dada a equação de t, ax + by + c = 0, o centro e o raio de γ, C ( xc, yc ) e r, podemos estabelecer a
posição relativa calculando a distância d entre o centro e a reta:
b
a
c
by
ax
d
2 2 c c+
+
+
=
Comparando d com r, temos:
d < r ⇔⇔⇔ t e ⇔ γγγγ são secantes d = r ⇔⇔⇔ t e ⇔ γγγγ são tangentes d > r ⇔⇔⇔ t e ⇔ γγγγ são exteriores
Exemplos:
1) Considere a reta t: x + y – 4 = 0 e a circunferência γ: x² + y² = 16 e verifique a posição relativa entre t e γ.
Solução: 1º modo: centro e raio de γ: C ( 0, 0) e r = 4
Distância entre C e t:
2
2
2
4
1
1
)
4
(
0
0
d
2 2+
=
=
−
+
+
=
Como
2
2
<
4
, temos d < r e concluímos que t e γ são secantes. 2º modo: vamos resolver o sistema das equações de t e γ :S =
=
+
=
−
+
16
y
x
0
4
y
x
2 2Teremos duas soluções: x = 0 ou 4.
Para x = 0 teremos y = 4 enquanto que para x = 4 termos y = 0. Logo, os pontos de intersecção são (4,0) e (0,4).
Ou seja, há dois pontos de intersecção, logo a reta e a circunferência são secantes.
III ) Posição relativa entre duas circunferências:
Duas circunferências γ1 e γ2 do plano cartesiano podem apresentar as seguintes posições relativas:
c) SECANTES d) UMA NO INTERIOR DA OUTRA
e) TANGENTES INTERIORMENTE f) CONCÊNTRICAS
Exemplo:
1) Verifique a posição relativa das circunferências: γ1 = ( x – 1 )² + ( y – 2 ) ² = 5
γ2 = ( x – 3 )² + ( y – 3 )² = 10
Exercícios
1) Determine a posição relativa entre a reta x + y – 3 = 0 e a circunferência x² + y² -2x –2y –3 = 0. 2) Idem para x + y = -3 e x² + y² - 4x –2y –13 = 0.
3) Idem para x = y + 1 e x² + y² - 2x + 2y – 3 = 0
4) Determine o valor de m para que o ponto P (-1,3) pertença a circunferência x²+y²-2x+3y + m = 0. 5) Quais os pontos de intersecção entre a reta x+y+15=0 e a circunferência x² + y² - 4x -10y - 35=0.
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6) Calcule o comprimento da corda que a reta x + y - 3 = 0 determina na circunferência de equação (x+2)² + (y-1)² = 10.
7) Quais são os valores de k para que a reta t, de equação 4x + 3y + k = 0 e a circunferência de equação x² + y² - 12x + 6y + 9 = 0 sejam secantes?
8) Verifique a posição entre as circunferências: a) α: ( x-1)² + y² = 1 β: ( x-1)² + (y-4)² = 1 b) α: ( x-1)² + y² = 1 β: ( x-2)² + y² = 4 c) α: ( x-2)² + (y-2)² = 4 β: x² + y² = 25 d) α: ( x-4)² + y² = 4 β: ( x-2)² + y² = 1
9) As circunferências de equações x² + y² + 2x – 4y = 0 e x² + y² - x – y = 0 cortam-se nos pontos A e B. Obtenha a equação da reta AB.
Respostas: 1) secantes 2) tangentes 3) secantes 4) m = -21 5) ∅ 6)
2
2
7) k > -45 e k < 158) a) exteriores b) tangentes internamente
c) interiores não concêntricas d) secantes 9) x – y = 0
ELIPSE
Algumas aplicações das cônicas são:
• As órbitas dos planetas têm a forma de elipse;
• A hipérbole é utilizada no estudo descritivo da expansão de gases em motores a explosão;
• A parábola é a curva que descreve a trajetória de um projétil, desprezando a resistência do ar. Aparece ainda na construção de espelhos parabólicos, utilizados em faróis de automóveis, e de antenas parabólicas.
Neste capítulo, vamos estudar a elipse.
Uma maneira prática de desenhar a elipse é a seguinte: espetamos um alfinete em cada foco e amarramos neles as pontas de um pedaço de linha com comprimento 2a . Deslizando a ponta do lápis pela linha, de modo a mantê-la sempre bem esticada, faremos o desenho de uma elipse.
1) Definição:
A elipse é o lugar geométrico dos pontos de um plano os quais a soma das distâncias a dois pontos fixos desse plano, F1 e F2 é uma constante 2a (maior que a distância
F
1F
2 ).P •
F1• • F2
Ao conjunto de todos os pontos P do plano tais que: d(P,F1 ) + d(P,F2 ) = 2a
ou
|PF1 | + | PF2 | = 2 a
dá-se o nome de ELIPSE.
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria 2) Elementos da elipse: B2 • a a b A1 F1• c c • F2 A2 a a b B1
• F1 e F2 são ditos FOCOS;
• d( F1 , F2 ) = distância focal;
• C = centro
• A1 , A2 , B1 e B2 = vértices
• | A1 A2 | = 2 a ( eixo maior)
• | B1 B2 | = 2 b ( eixo menor)
• a = semi eixo maior
• b = semi eixo menor
Em toda a elipse vale a relação: a² = b² + c²
Excentricidade: e =
a
c
( 0 < e < 1 )
3) Equação da Elipse de centro na origem do sistema:
1º CASO: o eixo maior está sobre o eixo dos x.
B2 P ( x,y)
A1 F1(-c,0) F2(c,0) A2
b B1 a
Usando a definição, temos: d(P,F1 ) + d(P,F2 ) = 2a ou, em coordenadas:
2a
y
c)
(x
y
c)
(x
+
2+
2+
−
2+
2=
Isolando um dos radicais, temos: 2 2 2 2
y
c)
(x
2a
y
c)
(x
+
+
=
+
−
+
e elevando ao quadrado, temos:
x² + 2cx + c² + y² = 4a² - 4a
x
2+
y
2−
2cx
+
c
2+
x
2−
2cx
+
c
2+
y
2 Isolando o radical e tornando a elevar ao quadrado ficamos com:4a
x
2+
y
2−
2cx
+
c
2=
4a
2−
4cx
a
x
2+
y
2−
2cx
+
c
2=
a
2−
cx
Elevando novamente ao quadrado:
a² [ x² - 2cx + c² + y² ] = a
4– 2a²cx + c²x²
a²x² - 2a²cx + a² c² + a²y² = a
4– 2 a²cx + c²x²
(a² - c²)x² + a² y² = a² ( a² - c²)
Dividindo por a² ( a² - c²) fica
1
c
a
y
a
x
2 2 2 2 2=
−
+
Como já sabemos que a² = b² + c², podemos escrever a² - c² = b² Logo, substituindo esta relação teremos:
1
b
y
a
x
2 2 2 2=
+
que é a equação reduzida da elipse.2º CASO: o eixo maior está sobre o eixo dos y. b A2 (0,c) a •F2 B1 0 B2 •F1 (0,-c) A1
Com um procedimento análogo ao 1º caso, obteremos a equação reduzida
1
a
y
b
x
2 2 2 2=
+
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Observação:
Tendo em vista que a² = b² + c², segue que a² > b² e daí a > b
Então, sempre o maior dos elementos na equação reduzida representa o número a², onde “a” é a
medida do semi-eixo maior.
Exemplos: 1) Dadas as elipses 3 a) b) 2 -2 2 -3 3 -3 -2
as equações em cada caso são:
a)
1
2
y
3
x
2 2 2 2=
+
ou1
4
y
9
x
2 2=
+
b)1
3
y
2
x
2 2 2 2=
+
ou1
9
y
4
x
2 2=
+
2) Determine a equação da elipse de centro na origem e eixo maior horizontal sendo 10 cm e a distância focal 6 cm.
Solução:
Se o eixo maior = 10, temos que 2a = 10 logo, a = 5. E se a distância focal = 6, temos que 2c = 6, logo, c = 3 Assim, a equação fica:
1
b
y
a
x
2 2 2 2=
+
com a= 5, c = 3 e b = ???? Como achar b?Da relação a² = b² + c² temos que b = 4 Logo, a equação da elipse fica
1
16
y
25
x
ou
1
4
y
5
x
2 2 2 2 2 2=
+
=
+
3) Determine o eixo maior, o eixo menor, a distância focal, os focos, a excentricidade e o gráfico da elipse de equação x² + 4y ² = 16.
4) Idem para a equação 9x² + 25 y² = 225.
5) Idem para a equação 4x² + y² = 16
6) Idem para a equação x² + y² - 9 = 0
7) Uma elipse de centro na origem tem um foco no ponto ( 3,0) e a medida do eixo maior é 8. Determine sua equação.
A excentricidade
A excentricidade de uma elipse de eixo maior 2a e distância 2c é o número tal que e =
a
c
.
Imaginemos uma seqüência de elipses, todas com mesmo eixo maior, porém com distância focais cada vez menores: a a a • c1 • • c2 • • c3 • F1 F2 F1 F2 F1 F2 e1 =
a
c
1 e2 =a
c
2 e3 =a
c
3Conforme os focos vão se aproximando, a excentricidade da elipse vai diminuindo ( e1 > e2 > e3 ). Veja
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Como curiosidade, saiba que tanto a trajetória da Terra em torno do Sol, como a da Lua em torno da Terra, são elipses, porém muito próximas de circunferências, pois têm excentricidade próximas de zero: a primeira tem excentricidade e = 0,016, enquanto a segunda tem excentricidade e = 0,054.
4) Equação da Elipse com centro fora da origem do sistema:
1º CASO: o eixo maior é paralelo ao eixo dos x.
Considere a elipse de centro C ( xc , yc ) e seja P (x, y) um ponto qualquer da mesma.
• P (x,y) F1 F2
yc A1 • • A2
C
xc
A equação de uma elipse de centro C (0,0) e eixo maior sobre o eixo dos x dada por 1
b y a x 2 2 2 2 = + passa agora, quando o eixo maior for paralelo ao eixo dos x e o centro for C( xc , yc ), para equação
1
b
)
y
-(y
a
)
x
-(x
2 2 c 2 2 c+
=
2º CASO: o eixo maior é paralelos ao eixo dos y. A2 •F2 yc C •F1 A1 xc
De forma análoga, temos:
1
a
)
y
-(y
b
)
x
-(x
2 2 c 2 2 c+
=
Exemplo:
1) Determine a equação da elipse de centro C(2,-1) e tangente aos eixos coordenados, sendo os eixos de simetria paralelos aos eixos x e y.
2) Determine o centro, os focos, o eixo maior e o eixo menor da elipse 4x² + 9y² - 16x – 18y – 11 = 0. Exercícios:
1) Dê a equação e a excentricidade da elipse nos casos seguintes: a) O eixo menor mede 8 e os focos são F1 (-6,0) e F2 (6,0).
b) Um foco é F1 (0,4), o centro dela é C(0,0), ela passa em P(2,0).
c) O eixo maior mede 14 e os focos são F1 (0,-5) e F2 (0,5).
2) Determine o centro, os focos, o eixo maior e o eixo menor da elipse em cada caso: a) 25x² + 16y² + 50x + 64y – 311 = 0
b) 4x² + 9y² - 24x + 18y + 9 = 0 c) 16x² + y² + 64x – 4y + 52 = 0 d) 4x² + 9y² - 8x – 36y + 4 = 0
3) Determine a equação da elipse em cada caso: a) eixo maior = 10, focos (-4,0) e (4,0)
b) centro ( 0,0), um foco em F1 =( ¾ , 0) e um vértice em A1 = (1,0)
c) eixo menor = 4, Centro (0,0) e um foco em F1 = (0,− 5).
d) Centro C(2,4), um foco F(5,4) e excentricidade ¾. e) Eixo maior mede 10 e focos em F1 (2,-1) e F2 = (2,5).
4) Determine o centro, os vértices A1 e A2 , os focos F1 e F2 , e a excentricidade das elipses dadas:
a)
1
9
3)
(y
16
2)
(x
2 2=
+
+
−
b)1
100
y
36
x
2 2=
+
c) 9x² + 25y² - 25 = 0 d) 9x² + 5y² = 45 Respostas: 1) a) 1 16 y 52 x2 + 2 = , e ≅ 0,83 b)1
20
y
4
x
2+
2=
, e ≅ 0,89 c)1
49
y
24
x
2 2=
+
, e ≅ 0,712) a) C(-1,-2) , F1 (-1,1) e F2 (-1,-5), eixo maior = 10, eixo menor = 8
b) C(3,-1), F1 (
3
+
5
,
−
1
) e F2 (3
−
5
,
−
1
), eixo maior = 6, eixo menor = 4c) C(-2,2), F1 (
−
2
,
2
+
15
) e F2 (−
2
,
2
−
15
), eixo maior = 8, eixo menor = 2d) C(1,2), F1 (
1
−
5
,
2
) e F2 (1
+
5
,
2
), eixo maior = 6, eixo menor = 43) a) 9x² + 25y² = 225 b) 7x² + 16y² = 7 c) 9x² + 4y² - 36 = 0 d) 7x² + 16y² - 28x – 128y + 172 = 0 e) 25x² + 16y² - 100x – 64y – 236 = 0 4) a) C(2,-3), A1 (-2,-3), A2 (6, -3), F( 2±
7
, -3), e =4
7
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria b) C(0,0), A(0, ± 10), F ( 0, ±8) , e = 5 4 c) C(0,0), A (± 3 5 , 0 ) , F (± 3 4 , 0) , e = 5 4 d) C(0,0), A ( 0, ± 3) , F ( 0, ± 2) , e = 3 2
HIPÉRBOLE 1) Definição:
Hipérbole é o lugar geométrico dos pontos de um plano cuja diferença das distâncias, em valor absoluto, a dois pontos fixos desse plano é constante.
Consideremos no plano dois pontos distintos F1 e F2 tal que a distância d (F1, F2 ) = 2c.
Ao conjunto de todos os pontos P do plano tais que:
| d (P, F1) - d (P, F2) | = 2 a ou | PF1| - | PF2 | = 2a
dá-se o nome de hipérbole.
• P
• •
F1 F2
Na verdade, | d (P, F1) - d (P, F2) | = 2 a significa que d (P, F1) - d (P, F2) = ±±±± 2 a
Quando P estiver no ramo da direita, a diferença é + 2a e, em caso contrário, será – 2a . P3 • P1 F1 A1 A2 F2 C P4 • P2 2 a 2c
A hipérbole é uma curva simétrica em relação a estas duas retas, como também em relação ao ponto C. Se P1 é um ponto da hipérbole, existem os pontos P2 , P3 e P4 tais que: P2 é o simétrico de P1 em
relação à reta horizontal, P3 é o simétrico de P1 em relação à reta vertical, P4 é o simétrico de P1 em
relação à origem.
Ainda pela simetria, conclui-se que d (A1 , F1) = d (A2 , F2)
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
e da própria definição vem d (A1 , A2) = 2a 2) Elementos: B1 c b F1 A1 a A2 F2 B2 2 a 2c Focos: F1 e F2
Distância focal: 2 c entre os focos Centro: ponto médio do segmento F1F2
Vértices: A1 e A2
Eixo real ou transverso: é o segmento A1A2 de comprimento 2a
Eixo imaginário ou conjugado: é o segmento B1B2 de comprimento 2b
O valor de b é definido através da relação:
c² = a² + b²
onde a, b e c são as medidas dos lados do triângulo retângulo no desenho.
Excentricidade: e =
a
c
com c > a e e > 1 .
3) Equação da hipérbole com centro C ( 0,0) na origem do sistema:
1º CASO: eixo real sobre o eixo dos x: | d (P, F1) - d (P, F2) | = 2 a 2a | 0) (y c) (x 0) (y c) -(x | 2+ − 2 − − 2+ − 2 =
Com o mesmo procedimento da equação da elipse, chegamos a equação:
1
b
y
a
x
2 2 2 2=
−
que é a equação reduzida da hipérbole de centro na origem e eixo real sobre o eixo dos x.1
b
x
a
y
2 2 2 2=
−
que é a equação reduzida da hipérbole de centro na origem e eixo real sobre o eixo dos y.Exemplos:
1) A hipérbole da figura a seguir tem equação reduzida ...
2 -3 3 -2
1
2
y
3
x
2 2 2 2=
−
ou1
4
y
9
x
2−
2=
2) No exemplo anterior, determine os vértices A1 e A2 e os focos F1 e F2 .
Basta fazermos y = 0, encontrando na equação
1
ou x
3.
9
x
2±
=
=
Logo, A1 (3,0) e A2 (-3,0) .Para encontrarmos os focos, precisamos encontrar a distância focal, ou seja, o valor de c. Como c² = a² + b², temos c² = 9 + 4 = 13
Assim, c =
±
13
Logo, F1 (
13
, 0) e F2 (-13
, 0).4) Equação da hipérbole com centro C ( xc , yc ) fora da origem do sistema:
1º CASO: eixo real sobre o eixo dos x:
1
b
)
y
-(y
a
)
x
-(x
2 2 c 2 2 c−
=
2º CASO: eixo real sobre o eixo dos y:
1
b
)
x
-(x
a
)
y
-(y
2 2 c 2 2 c−
=
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria 5) Hipérbole Equilátera:
Os semi eixos real e imaginário são iguais: Logo, a = b
Exemplos:
Em cada caso ( 1 até 5) , determine: - a equação reduzida;
- a medida dos semi-eixos; - um esboço do gráfico; - os vértices; - os focos; - a excentricidade. 1) 9x² - 7y² - 63 = 0 Solução: 9x² - 7y² - 63 = 0 ou
1
9
y
7
x
ou
63
63
63
7y
63
9x
2 2 2 2=
−
=
−
a² = 7 logo, a =7
b² = 9 logo, b = 3 Gráfico: Vértices: A1 (-7
,0) e A2 (7
, 0)Focos: precisamos do valor de c: c² = a² + b²
c = 4
Logo, os focos são F1 (-4,0) e F2 (4, 0)
Excentricidade: e = c/a = 4 /
7
2) x² - 4y² + 16 = 0
4) 16x² - 25y² - 1600 = 0
5) x² - y² = 1 Exercícios:
6) Determine a equação de uma hipérbole de Focos (-5, 0) e (5,0) e a medida do eixo real é igual a 6.
7) Sendo dados os vértices A1 ( 5,5) e A2 (5, -1), e a excentricidade e = 2, determine a, b e c,
grafique a hipérbole e determine sua equação.
8) Ídem ao exercícios 7, sendo dados os focos F1 (3,4) e F2 (3, -2), e a excentricidade e = 2.
9) Sendo F1 ( -1,-5) e F2 (5, -5), determine a equação da hipérbole equilátera. Faça também um
esboço do gráfico.
10)Determine a equação da hipérbole de vértices A1 ( 1,-2) e A2 (5, -2), sabendo que F(6,-2) é um de
seus focos.
11)Determine o centro, um esboço do gráfico, os vértices, os focos e a excentricidade das hipérboles de equação: a) 9x² - 4y² - 18x – 16y – 43 = 0 b) 9x² - 4y² - 54x + 8y +113 = 0 c) 4x² - y² - 32x + 4y + 24 = 0 d) x² - 4y² + 6x + 24y – 31 = 0 Respostas: 6)
1
16
y
9
x
2 2=
−
7) a=3, b= 33
e c = 6,1
27
5)
-(x
9
2)
-(y
2−
2=
8) 4x² - 12y² - 24x + 24y + 51 = 0 9) 2x² - 2y² - 8x – 20y – 51 = 0 10)5x² - 4y² - 30x - 16y + 9 = 0 11)a)C(1,-2) , A1 (-1,-2), A2 (3, -2) , F ( 1±
13
, -2) , e =13
2
b) C(3,1) , A1 (3,-2), A2 (3, 4) , F (3, 1±
13
) , e =13
3
c) C(4,2) , A1 (1,2), A2 (7, 2) , F (4
±
3
5
, 2) , e =5
d) C(-3,3) , A1 (-5,3), A2 (-1,3) , F (−
3
±
5
, 3) , e =2
5
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria PARÁBOLA:
Consideremos em um plano uma reta d e um ponto F não pertencente a d.
Parábola é o lugar geométrico dos pontos do plano que são eqüidistantes de F e d.
F• F• = _ _ = • P • = _ _ = V d A P’ Elementos:
F = ponto fixo ( FOCO) d = diretriz ( reta)
eixo: é a reta que passa pelo foco e é perpendicular à diretriz Vértice: é o ponto V de interseção da parábola com o seu eixo. Por definição, temos que
d(PF) = d(PP’)
1) Equação da Parábola de Vértice na origem do sistema: 1º CASO: O eixo da parábola é o eixo dos y:
• F • P 2 p 2 p x d P’
Da definição de parábola, temos que: d(PF) = d(PP’) Como, F ( 0, 2 p ) e P’( x, -2 p ) temos: | (x 0, y -2 p )| = | (x - x, y + 2 p )|
ou 2 2 2 2
)
2
p
(y
x)
(x
)
2
p
(y
0)
(x
−
+
−
=
−
+
+
Elevando ambos os membros ao quadrado, obteremos: (x 0)² + ( y -2p )² = ( x – x ) ² + ( y + 2p )² . ou x² + y² - py + 4 2 p = y² + py + 4 2 p ou, simplesmente: x² = 2 py
Esta equação é chamada equação reduzida da parábola e constitui a forma padrão da equação da parábola de vértice na origem tendo para eixo o eixo dos y.
Da análise desta equação conclui-se que, tendo em vista ser 2py sempre positivo (pois é igual a x²>0), os sinais de p e de y são sempre iguais. Consequentemente, se p > 0 a parábola tem concavidade voltada para cima e , se p < 0 a parábola tem concavidade voltada para baixo.
Este número real p ≠ 0 é conhecido como parâmetro da parábola.
2º CASO: O eixo da parábola é o eixo dos x:
y P’ • • P(x,y) A V • F( 2 p, 0) x 2 p 2 p d
Sendo P(x,y) um ponto qualquer da parábola de foco F(
2
p,0), obteremos de forma análoga ao 1º caso a
equação reduzida:
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Conforme o sinal de p termos: se p > 0, a parábola tem concavidade voltada para a direita e , se p < 0 a parábola tem concavidade voltada para a esquerda.
Exemplos:
1) Determine o foco e a equação da diretriz das parábolas x² = 8y e y² = -2x. Construir o gráfico:
Solução: a) x² = 8y
A equação é da forma x² = 2py, logo:
2p = 8 p = 4 2 p = 2 Portanto, foco : F ( 0, 2) Diretriz = y = -2 y F •2 x 0 4 diretriz -2 b) y² = -2x
A equação é da forma y² = 2px, logo: 2p = -2 p = -1 2 p = -2 1 Portanto, foco: F = (-2 1 , 0) d: x = ½ diretriz: x = 2 1 • 2 F • -2 -2
3) Determine a equação de cada uma das parábolas, sabendo que: a) vértice ( 0,0) e foco ( 1,0) ;
b) vértice ( 0,0) e diretriz y = 3;
c) vértice (0,0), passa pelo ponto P (-2,5) e concavidade voltada para cima. d) Vértice ( 0,0) e foco ( 0, -3) ;
3) Translação de eixos:
Consideremos no plano cartesiano xOy um ponto O’(h,k) arbitrário.
Usando um novo sistema x’O’y’ tal que os eixos O’x’ e O’y’ tenham a mesma unidade de medida, a mesma direção e o mesmo sentido dos eixos Ox e Oy. Assim, podemos obter este novo sistema pela translação de eixos. y y’
• P y’ x’ O’ y x’ k x h x
Podemos observar que x = x’+ h e y = y’+ k Logo, teremos: x’= x – h e y’= y – k Estas são as fórmulas de translação.
A principal finalidade da transformação de coordenadas é modificar a forma de equações. Por exemplo, seja a parábola de equação
x’² = 4y’ no novo sistema.
Se tivermos h = 3 e k = 2, isto é, O’( 3,2) e sabendo que x’= x – h e y’ = y – k, temos x’= x – 3 e y’= y – 2
Logo, a equação da parábola em relação ao sistema xOy é: (x-3)² = 4 (y-2) ou x² - 6x + 9 = 4y – 8 ou x² - 6x – 4y + 17 = 0 Gráfico:
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria 4) Equação da Parábola de Vértice fora da origem do sistema:
1º CASO: O eixo da parábola é o eixo dos y:
y y’ • P y’ y O’ = V x’ k x’ x h x
Seja P(x,y) um ponto qualquer desta parábola.
Sabe-se que a equação da parábola referida ao sistema x’O’y’ é: x’² = 2py’
mas
x’= x – h e y’= y – k, logo:
( x – h )² = 2 p ( y – k )
que é a forma padrão da equação de uma parábola de vértice V(h,k) e eixo paralelo ao eixo dos y.
2º CASO: O eixo da parábola é o eixo dos x:
De modo análogo ao caso anterior, teremos:
( y – k )² = 2 p ( x – h )
Observamos que se V(h,k) = (0,0) voltamos a ter o caso inicial de vértice na origem. Exemplos:
1) Determine a equação da parábola de vértice V(3,-1) sabendo que y-1=0 é a equação de sua diretriz.
Solução:
Vejamos o gráfico para facilitar
y 1 y = 1 diretriz 2 p 3 x -1 V
A equação da parábola é da forma : ( x-h)² = 2p(y-k) Mas
h=3 k= - 1 e p/2 = -2 , p = -4 substituindo na equação , vem: (x-3)² = 2 . (-4) ( y+1)
ou
x² - 6x + 9 = -8y – 8 ou melhor:
x² - 6x + 8y + 17 = 0
2) Determine a equação da parábola de vértice V(4,1) e equação de diretriz x + 4 = 0
3) Determine a equação da parábola de foco em F(1,2), sendo x=5 a equação da diretriz:
4) Determine o vértice, o foco, a equação da reta diretriz e o gráfico de cada uma das parábolas: a) x² + 4x + 8y + 12 = 0
b) y² - 12x – 12 = 0 c) y² + 2y – 16x – 31 = 0 d) x² - 2x – 20y – 39 = 0
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria 5) Equação da parábola na forma explícita:
Sabemos que a equação de uma parábola de vértice V(h,k) e eixo paralelo ao eixo dos y tem a forma padrão :
(x-h)² = 2p(y-k)
Por exemplo, para V(2,-1) e p = 1/8, teríamos: (x-2)² = ¼ (y+1)
Como o objetivo é escrever a forma explícita, vamos explicitar y na equação: x² - 4x + 4 = ¼ y + ¼
ou
4x² - 16x + 16 = y + 1 de onde vem:
y = 4x² - 16x + 15
que é a forma explícita mais conhecida por nós, ou seja, está na forma: y = ax² + bx + c.
Reciprocamente, dada uma equação na forma explícita, podemos sempre conduzi-la à forma padrão. Assim, se a equação é : y= 4x² - 16x + 15 temos: 4x² - 16x = y – 15 4 ( x² - 4x ) = y – 15 Completando quadrados: 4 ( x² - 4x + 4 ) = y – 15 + 16 4(x-2)² = y + 1 ( x – 2 )² = ¼ (y+1) Logo, o vértice é V ( 2, -1) e 2p = ¼ portanto p = 1/8 .
OBS.: Se a parábola tem eixo paralelo ao eixo dos x, sua equação na forma explícita é x = ay² + by + c, correspondente a forma padrão ( y – k )² = 2p(x - h) Exemplos:
1) Determine a equação da parábola que passa pelos pontos ( 0,1), (1,0) e (3,0) conforme a figura:
1
Exercícios:
1) Em cada caso estabeleça a equação de cada uma das parábolas sabendo que: a) vértice V(0,0) e diretriz d: y = -2
b) vértice V(0,0) e foco F(0,-3) c) foco F(0,-1) e diretriz d: y – 1 = 0 d) vértice V(-2,3) e foco F(-2,1)
e) vértice V(0,0), eixo y = 0 e passa por (4,5). f) Foco F(6,4) e diretriz y = -2
g) Eixo de simetria paralelo ao eixo dos y e a parábola, passa pelos pontos A(0,0), B(1,1) e C (3,1).
2) Em cada caso, determine o vértice, o foco, uma equação para a diretriz e uma equação para o eixo da parábola de equação dada. Esboce o gráfico:
a) x² = -12 y b) y² = -3x c) y² + 4y + 16x – 44 = 0 d) 6y = x² - 8x + 14 e) y² - 16x + 12y + 49 = 0 Respostas: 1) a) x² = 8y b) x² = - 12y c) x² = - 4y d) x² + 4x + 8y – 20 = 0 e) 5x² - 16y = 0 f) (x-6)² = 12 (y-1) g) y =
x
3
4
x
3
1
2+
−
2) a) V(0,0), F(0,-3) , y = 3 e x =0 b) V(0,0), F(- ¾ , 0), x = ¾ e y =0 c) V(3,-2), F(-1,-2), x=7 e y =-2 d) V(4, -1/3 ), F(4, 7/6), 6y + 11 = 0 e x-4=0 e) V( 16 13 ,-6), F( 16 77 ,-6), x = 16 51 − e y = -6Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Aplique seus conhecimentos e descubra as equações das cônicas e retas das embalagens representadas em seu corte transversal longitudinal:
Unidade II - ESPAÇOS VETORIAIS
Relembrando vetores e suas operações ( Geometria Analítica): Sejam
u
r
= (x1 , y1 , z1) e
v
r
= (x2 , y2 , z2) vetores no R³ e α número real, então:
a)
u
r
=v
r
se x1 = x2 , y1 = y2 e z1 = z2 ; b)u
r
+v
r
= (x1 + x2 , y1 + y2 , z1 + z2 ); c) αu
r
= (αx1 , αy1 , αz1); d)u
r
•v
r
= x1 . x2 + y1 . y2 + z1 . z2 ; e) |u
r
| =u
r
.
u
r
=x
12+
y
12+
z
12 f) proj vu
r
=|
v
|
v
u
r
r
r
•
1. Propriedades de vetores:1) (
u
r
+v
r
) +w
r
=u
r
+ (v
r
+w
r
) (Propr. Associativa da Adição) 2)u
r
+v
r
=v
r
+u
r
( Propr. Comutativa da Adição) 3)u
r
+ 0 = 0 +u
r
=u
r
( elemento neutro da Adição) 4)u
r
+ (-u
r
) = 0 ( elemento oposto da Adição)5) (αβ)
u
r
= α (βu
r
) ( Propr. Associativa da Multiplicação) 6) (α+β)u
r
= αu
r
+ βu
r
( Propr. Distributiva da Mult.)7) α (
u
r
+v
r
) = αu
r
+ αv
r
( Propr. Distributiva da Mult.) 8) 1 .u
r
=u
r
( Elemento neutro da Mult. )2. Definição:
Seja um conjunto V, não vazio, sobre o qual estão definidas as operações adição e multiplicação por escalar, isto é:
→ ∀
u
r
,v
r
∈ V, temosu
r
+v
r
∈ V→ ∀α∈ R, ∀
u
r
∈ V, temos αu
r
∈ VO conjunto V com essas duas operações é chamado ESPAÇO VETORIAL REAL se forem verificados os seguintes axiomas:
A1 (
u
r
+v
r
) +w
r
=u
r
+ (v
r
+w
r
) ∀u
r
,v
r
,w
r
∈ V A2u
r
+v
r
=v
r
+u
r
∀u
r
,v
r
∈ V A3 ∃ 0 ∈ V, ∀u
r
∈ V ,u
r
+ 0 = 0 +u
r
=u
r
A4 ∀u
r
∈ V , ∃ (-u
r
) ∈ V ,u
r
+ (-u
r
) = 0 M1 (αβ)u
r
= α (βu
r
) ∀α, β∈ R e ∀u
r
∈ V M2 (α+β)u
r
= αu
r
+ βu
r
∀α, β∈ R e ∀u
r
∈ V M3 α (u
r
+v
r
) = αu
r
+ αv
r
∀α∈ R e ∀u
r
,v
r
∈ VElaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
M4 1 .
u
r
=
u
r
∀u
r
∈ VObs.: Os elementos do Espaço Vetorial V serão chamados vetores, independentes de sua natureza.
Exemplo:
1) O conjunto V = R² = { (x, y) / x, y ∈ R } é um espaço vetorial com as operações de adição e multiplicação por número real definidas por:
(x1 , y1 ) + (x2 , y2 ) = (x1 +x2 , y1 + y2 ) α (x, y ) = ( αx, αy ) Demonstração: Sejam
u
r
= (x1 , y1 ) ,v
r
= (x2 , y2 ) ew
r
= ( x3 , y3 ) A1 ) (u
r
+v
r
) +w
r
= [( x1 , y1 ) + (x2 , y2 ) ] + (x3 , y3 ) = [( x1 + x2 , y1 + y2 ) ] + (x3 , y3 ) = ( x1 + x2 + x3 , y1 + y2 + y3 ) = [ x1 + (x2 + x3 ), y1 + (y2 + y3 )] = ( x1 , y1 ) + [ (x2 + x3 , y2 + y3 )] =u
r
+ (v
r
+w
r
) A2 )u
r
+v
r
= ( x1 , y1 ) + (x2 , y2 ) = ( x1 + x2 , y1 + y2 ) = ( x2 + x1 , y2 + y1 ) = (x2 , y2 ) + (x1 , y1) =v
r
+u
r
A3) ∃ 0 = (0,0) →u
r
+ 0 = ( x1 , y1 ) + (0,0) = ( x1 , y1 ) =u
r
A4) ∀u
r
∈ V , ∃ (-u
r
) ∈ V →u
r
+ (-u
r
) = ( x1 , y1 ) + ( -x1 , -y1 ) = ( x1 - x1 , y1 - y1 ) = (0,0) = 0 M1) (αβ)u
r
= (αβ) ( x1 , y1 ) = (αβx1 , αβy1 ) = (α (βx1 ), α (βy1)) = α ( βx1 , βy1 ) = α[β ( x1 ,y1)] = α (βu
r
) M2) (α+β)u
r
= (α+β) ( x1 , y1 ) = ((α+β) x1 , (α+β) y1 ) = (α x1 + βx1 , αy1 + βy1 ) = ( αx1 , αy1 ) + (βx1 , βy1 ) = α (x1 , y1 ) + β (x1 , y1 ) = αu
r
+ βu
r
M3 ) α (u
r
+v
r
) = α (( x1 , y1 ) + (x2 , y2 )) = α ( x1 + x2 , y1 + y2 ) =( α x1 + αx2 , αy1 + αy2 ) = (α x1 , α y1 ) + ( α x2 , α y2 )) = αu
r
+ αv
r
M4 ) 1 .u
r
= 1 .( x1 , y1 ) = ( x1 , y1 ) =u
r
Outros exemplos de Espaços Vetoriais: 2) R³
3) Rn
5) Pn = { a0 + a1x + a2x2 + ...+ anxn } dos polinômios de grau n
6) O conjunto V = { (x, x²) / x ∈ R } com as operações de adição e multiplicação por número real definidas por: (x1 , x12 ) ⊕ (x2 , x22 ) = (x1 +x2 , x1 ² + x2 ² )
α * (x, x² ) = ( αx, αx² ) Exercícios:
1) Verifique se o conjunto R² = {(a, b) / a,b ∈ R} com as operações ( a,b) + ( c,d) = (a+c, b+d) e k ( a,b) = (ka, b) é um espaço vetorial, mostrando os axiomas.
2) Verifique se o conjunto M 2x2 =
d
c
b
a
e as operações usuais de soma e multiplicação por escalar é um Espaço Vetorial .
3) Verifique se o conjunto V = { (x, x²) / x ∈ R } com as operações de adição e multiplicação por número real definidas por: (x1 , x12 ) ⊕ (x2 , x22 ) = (x1 +x2 , x1 ² + x2 ² )
α * (x, x² ) = ( αx, αx² ) é um espaço vetorial.
3. Subespaços Vetoriais
Seja V um Espaço Vetorial e S um subconjunto não vazio de V. O subconjunto S é um Subespaço Vetorial de V se S é um Espaço Vetorial em relação à adição e à multiplicação por escalar definidas em V.
Teorema:
Um subconjunto S, não vazio de um espaço vetorial de V é um subespaço de V se estiverem satisfeitas as condições:
i) para qualquer
u
r
,v
r
∈ S, tem-se queu
r
+v
r
∈ S ; ii) para qualquer α ∈ R,u
r
∈ S tem-se que αu
r
∈ S .Obs.: todo espaço vetorial V admite pelo menos dois subespaços: o conjunto {0}, chamado subespaço zero ou nulo, e o próprio espaço vetorial V. Estes dois são os subespaços triviais. Os demais subespaços são denominados próprios.
Exemplos:
1) Sejam V = R² e S = {(x,y) ∈ R² / y = 2x} ou S = {(x, 2x) / x∈ R}, isto é, S é o conjunto de vetores do plano que tem a segunda componente igual ao dobro da primeira. Mostre que S é subespaço de V.
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Solução:
Verificando as condições i e ii acima: Sejam
u
r
= ( x1 , 2x1 ) ev
r
= (x2 , 2x2 ). Então i)u
r
+v
r
= ( x1 , 2x1 ) + (x2 , 2x2 ) = ( x1 + x2 , 2x1 + 2x2 ) = ( x1 + x2 , 2(x1 + x2 )) ∈ S . ii) αu
r
= α ( x1 , 2x1 ) = (α x1 , 2(αx1 )) ∈ S Logo, S é subespaço de V. 2) Sejam V = M2x2 =
∈
R
d
c,
b,
a,
,
d
c
b
a
e S =
∈
R
b
a,
,
0
0
b
a
. Verifique se S é subespaço de V. Solução: Para qualquer
=
0
0
b
a
u
r
1 1 ∈ S e
=
0
0
b
a
v
r
2 2 ∈ S e α ∈ R, tem-se que: i)u
r
+v
r
∈ S pois: ii) αu
r
∈ S pois:3) Verifique se S é subespaço de V em cada caso: a) V = R4 e S = {( x, y, z, 0 ), x, y, z ∈ R } b) V = R² e S = {(x, y) / x > 0} c) V = R² e S = { ( x, |x| ) , x ∈ R } d) V = R² e S = {(x,y) ∈ R² / y = -2x} e) V = R² e S = {(x,y) ∈ R² / y = 4-2x } f) V = R² e S = {(x,y) ∈ R² / x + 3y = 0 }
4. Combinação Linear: Sejam os vetores
v
r
1 ,v
r
2 , ... ,
v
r
n do espaço vetorial V e os escalares a1, a2 ,..., an .
Quaisquer vetores
v
r
∈ V da forma :v
r
= a1v
r
1 + a2v
r
2 + ... + anv
r
né uma combinação linear dos vetores
v
r
1 ,v
r
2 , ... ,v
r
n . Exemplos: 1) Considere os vetores no R³ :v
r
1 = (1, -3, 2) ev
r
2 = ( 2, 4, -1).a) Escreva
v
r
= ( -4, -18, 7) como combinação linear dev
r
1 ev
r
2 . Sol.:v
r
= a1v
r
1 + a2v
r
2 + ... + anv
r
n ( -4, -18, 7) = a1 (1, -3, 2) + a2 (2, 4, -1)
=
−
−
=
+
−
−
=
+
7
a
2a
18
4a
3a
4
2a
a
2 1 2 1 2 1Resolvendo o sistema, temos: a1 = 2 e a2 = -3.
Logo,
v
r
= 2v
r
1 – 3v
r
2 .
b) Mostre que o vetor
v
r
= ( 4, 3, -6) não é combinação linear dev
r
1 ev
r
2 . Sol.:v
r
= a1v
r
1 + a2v
r
2 + ... + anv
r
n ( 4, 3, -6) = a1 (1, -3, 2) + a2 (2, 4, -1)
=
−
=
+
−
=
+
-6
a
2a
3
4a
3a
4
2a
a
2 1 2 1 2 1Resolvendo o sistema, não conseguimos encontrar uma solução que valha para as três equações. Logo, não tem solução, ou seja, não é possível escrever
v
r
como combinação linear dev
r
1 ev
r
2 .
c) determine k para que o vetor
v
r
= ( -1, k, -7) seja combinação linear dev
r
1 ev
r
2 .v
r
= a1v
r
1 + a2v
r
2 + ... + anv
r
n ( -1, k, -7) = a1 (1, -3, 2) + a2 (2, 4, -1)Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
=
−
=
+
−
−
=
+
-7
a
2a
4a
3a
1
2a
a
2 1 2 1 2 1k
Resolvendo o sistema, encontramos a1 = -3, a2 = 1, e portanto k = 13.
2) No Espaço Vetorial P2 dos polinômios de grau ≤ 2 , verifique se o polinômio
v
r
= 7x² +11x – 26 é uma combinação linear dos polinômiosv
r
1 = 5x² - 3x + 2 ev
r
2 =-2x² +5x–8. Sol.: De fato,v
r
= a1v
r
1 + a2v
r
2 + ... + anv
r
n 7x² +11x – 26 = a1 (5x² -3x +2) + a2 ( -2x² +5x–8 )
=
−
=
+
−
=
−
-26
a
8
2a
11
a
5
3a
7
2a
5a
2 1 2 1 2 1Resolvendo o sistema, encontramos a1 = 3 e a2 =4, portanto
v
r
= 3v
r
1 + 4v
r
2
3) Mostre que o vetor
v
r
= ( 3, 4 ) ∈ R² pode ser escrito de infinitas maneiras como combinação linear dev
r
1 = ( 1,0) ,v
r
2 = ( 0,1) ev
r
3 = ( 2,-1) . 5. Subespaços GeradosSeja V um espaço vetorial. Consideremos um subconjunto A = {
v
r
1,v
r
2 , ...,
v
r
n } ⊂ V, A ≠ 0.
O conjunto S de todos os vetores de V que são combinação linear dos vetores de A é um subespaço vetorial de V. De fato, se
u
r
= a1v
r
1 + a2v
r
2 + ... + anv
r
n ev
r
= b1v
r
1 + b2v
r
2 + ... + bnv
r
n são doisvetores quaisquer de S, pode-se escrever
u
r
+v
r
= ( a1 + b1 )v
r
1 + (a2 + b2 )v
r
2 + ... + (an+ bn)v
r
n αu
r
= (αa1 )v
r
1 + (αa2)v
r
2 + ... +(α an)v
r
nTendo em vista que
u
r
+v
r
∈ S e que αu
r
∈ S, por serem combinações dev
r
1,v
r
2 , ...,
v
r
n
, conclui-se que S é um subespaço vetorial de V.
Simbolicamente, o subespaço S é S = {
v
r
∈ V /v
r
= a1v
r
1 + a2v
r
2 + ... + anv
r
n , a1 , a2 , ..., an ∈ R } Observações:1) O subespaço S diz-se GERADO pelos vetores
v
r
1,v
r
2 , ...,
v
r
n ou gerado pelo conjunto
A, e se representa por: S = [
v
r
1,v
r
2 , ...,v
r
n ] ou S = G(A) Os vetoresv
r
1,v
r
2 , ...,v
r
n são chamados geradores do subespaço S, enquanto A é o
conjunto gerador de S.
2) Para o caso particular A = ∅, defini-se [ ∅ ] = {0} 3) A ⊂ G(A) ou seja, {
v
r
1,v
r
2 , ...,v
r
n } ⊂ [v
r
1,v
r
2 , ...,v
r
n ].4) Todo conjunto A ⊂ V gera um subespaço vetorial de V, podendo ocorrer G(A) = V. Nesse caso, A é o conjunto gerador de V.
Exemplos:
1) Os vetores
i
=
(1,0)
r
e
j
=
(0,1)
r
geram o espaço vetorial R², pois qualquer vetor (x,y)
∈ R² é combinação linear de
i
r
ej
r
. Demonstração: (x,y) = xi
r
+ yj
r
= x ( 1,0) + y ( 0,1) = ( x,0) + ( 0, y) = ( x, y). Então: [i
r
,j
r
] = R² . 2) Os vetoresi
=
(1,0,0)
r
ej
=
(0,1,0)
r
do R³ geram o subespaço S={ (x,y,0) ∈ R³ / x,y ∈ R}. Demonstração: (x,y,0) = x
i
r
+ yj
r
= x ( 1,0, 0) + y ( 0,1,0) = ( x,0,0 ) + ( 0, y, 0 ) = ( x, y, 0) Assim, [i
r
,j
r
] = S é um subespaço próprio do R³ e representa geometricamente o plano xOy . z
k
r
j
r
yi
r
xElaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Exercícios:
1) Mostre que o conjunto A = { (3,1), (5,2) } gera o R².
2) Seja V = R³. Determine o subespaço gerado pelo vetor
v
r
1 = ( 1, 2, 3).3) Considere os vetores
u
r
= ( 1,2 ,-1) ev
r
= ( 6, 4, 2 ) em R³. Mostre que w = ( 9, 2, 7 ) é combinação linear deu
r
ev
r
e que s = ( 4, -1, 8) não é combinação linear deu
r
ev
r
.4) Verifique se
v
r
1 = ( 1, 1, 2 ),v
r
2 = ( 1, 0, 1) e
v
r
3 = (2, 1, 3) geram o espaço vetorial R³.
5) Idem para
v
r
1 = ( 2, -1, 3 ),v
r
2 = ( 4, 1, 2) ev
r
3 = (8, -1, 8). 6) Idem parav
r
1 = ( 2, 2, 2 ),v
r
2 = ( 0, 0, 3) ev
r
3 = (0, 1, 1).7) Determine se os seguintes polinômios geram P2 : p1 = 1 – x + 2x²
p2 = 3 + x
p3 = 5 – x + 4x²
p4 = -2 – 2x + 2x²
8) Seja M2x2 o espaço vetorial das matrizes de ordem 2. Encontre quatro matrizes que
geram M2x2 .
9) Sejam
v
r
1 = ( 2, 1, 0, 3 ),v
r
2 = ( 3, -1, 5, 2) e
v
r
3 = (-1, 0, 2, 1). Quais dos seguintes
vetores podem ser gerados por [
v
r
1 ,v
r
2 ,v
r
3 ]. a) ( 2, 3, -7, 3) b) ( 0, 0, 0, 0 ) c) ( 1, 1, 1, 1) d) ( -4, 6, -13, 4)6. Dependência e Independência Linear
Definição:
Sejam V um espaço vetorial e A = {
v
r
1 ,v
r
2 , ...,v
r
n } ⊂ V. Consideremos a equação a1v
r
1 + a2v
r
2 + ... + anv
r
n = 0Sabemos que essa equação admite pelo menos uma solução: a1 = 0 , a2 = 0, ..., an = 0,
chamada solução trivial.
O conjunto A diz-se linearmente independente ( LI ) ou os vetores
v
r
1 ,v
r
2 , ...,
v
r
n são LI
caso a equação admita apenas a solução trivial.
Se existirem soluções ai ≠ 0, diz- se que o conjunto A é linearmente dependente ( LD) ou
que os vetores
v
r
1 ,v
r
2 , ...,
v
r
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Exemplos:
1) Verifique se são LI ou LD os conjuntos abaixo: a) no espaço V = R³ e os vetores
v
r
1 = ( 2, -1, 3 ),v
r
2 = ( -1, 0, -2) ev
r
3 = (2, -3, 1). b) no espaço V = R4 e os vetoresv
r
1 = ( 2, 2, 3, 4 ),v
r
2 = ( 0, 5, -3, 1) ev
r
3 = (0, 0, 4, -2). c) no espaço V = R³ e os vetores e1 = ( 1, 0, 0 ), e2 = ( 0, 1, 0 ) e e3 = (0, 0, 1). d) no espaço V = M2x2 e o conjunto A =
−
−
1
3
4
3
,
0
3
3
2
,
1
3
2
1
. Teorema: Um conjunto A = {v
r
1 ,v
r
2 , ...,v
r
n } é LD se e somente se pelo menos um desses vetores é
combinação linear dos outros.
Obs.:
1) O teorema também pode ser enunciado como: “Um conjunto A = {
v
r
1 ,v
r
2 , ...,
v
r
n } é LI
se e somente se nenhum desses vetores for combinação linear dos outros. ” 2) Dois vetores
v
r
1 ev
r
2 são LD se e somente se um vetor é múltiplo escalar do outro.
Ex.:
v
r
1 = ( 1, -2, 3) ev
r
v
r
1 = ( 1, -2, 3) ev
r
2 = ( 2, 1, 5) são LI. Interpretação geométrica:v
r
2v
r
1v
r
2v
r
1 {v
r
1 ,v
r
2 } são LD . {v
r
1 ,v
r
2 } são LI.Obs.: quando tivermos espaço vetorial V = R³ devemos usar a idéia de coplanaridade vista em Geometria Analítica ou Álgebra Analítica e Linear I .
Para tanto, cabe lembrar que três vetores estão no mesmo plano ( são coplanares) se o produto misto entre eles for igual a zero. Se isto ocorrer, os vetores são LD.
7. Base de um Espaço Vetorial
Um conjunto B = { v1, v2, ..., vn } ⊂ V é uma base do espaço vetorial V se:
- B é LI; - B gera V. Ex.:
1) Seja B = { (1,1) , ( -1, 0)}. Verifique se B é base do R². Solução:
B é LI, pois a1 ( 1,1) + a2 ( -1,0) = (0,0) somente se a1 = 0 e a2 = 0.
B gera R² pois ( x, y) = a1 ( 1,1) + a2 ( -1,0) . Teremos a1 = y e a2 = y – x.
Logo, ( x, y ) = y ( 1,1) + (y-x) ( -1,0) e portanto, B gera R². Logo, B é base do R².
2) O conjunto B = { ( 1,0) , ( 0,1)} é uma base do R² pois B é LI e gera R². B é conhecida como BASE CANÔNICA DO R².
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria 3) O conjunto B =
1
0
0
0
,
0
1
0
0
,
0
0
1
0
,
0
0
0
1
é dita base canônica de M2x2.
4) O conjunto B = { 1, x, x², x³, ..., xn } é uma base do espaço vetorial dos polinômios Pn .
5) O conjunto B = { ( 1,2) , ( 2, 4)} não é uma base do R² pois B é LD.
6) O conjunto B = { ( 1,0) , ( 0, 1), ( 3,4) } não é uma base do R² pois B é LD. 7) O conjunto B = { ( 2, -1)} não é uma base do R² pois B é LI mas não gera R².
8) O conjunto B = { ( 1,2, 1) , (-1, -3, 0)} não é uma base do R³ pois B é LI mas não gera R³.
Teorema:
Se B = { v1, v2, ..., vn } for uma base de um espaço vetorial V, então todo conjunto com mais
de n vetores será linearmente dependente. Corolário:
Duas bases quaisquer de um espaço vetorial tem o mesmo número de vetores.
Ex.:
1) A base canônica do R³ tem três vetores. Logo, qualquer outra base do R³ também terá três vetores.
2) A base canônica das matrizes M 3x3 tem nove vetores. Logo, toda base de M 3x3 terá 9
vetores.
8. Dimensão
Seja V um espaço vetorial. Se V possui uma base com n vetores, então V tem dimensão n e escrevemos dim V = n Ex.: 1) dim R² = 2 2) dim R³ = 3 3) dim M2x2 = 4 4) dim Mmxn = m x n 5) dim Pn = n+1 6) dim {0} = 0 Obs.:
1) Se dim S = 0, então S = {0} é a origem.
2) Se dim S = 1, então S é uma reta que passa pela origem. 3) Se dim S = 2, então S é um plano que passa pela origem.
Ex.: B = { (2,1),(-1,3)} é uma base do R² pois dim B = 2 e os vetores são LI.
Exercícios:
1) Explique porque os seguintes conjuntos de vetores não são base dos espaços indicados: a) u= ( 1, 2) v = ( 0,3) e w = ( 2, 7 ) em R² b) u = ( -1, 3, 2) v = ( 6, 1, 1,) em R³ c) p1 = 1 + x + x² p2 = x – 1 em P2 d) A =
3
2
1
1
B =
4
2
0
6
C =
7
1
0
3
D =
2
4
1
5
E =
9
2
1
7
em M 2x22) Quais dos seguintes conjuntos de vetores são base de R²? a) ( 2,1 ) e ( 3, 0)
b) ( 4,1 ) e ( 1, 3) c) ( 0,0 ) e ( 1, 3) d) ( 3,9 ) e (-4, -12)
3) Mostre que o conjunto de vetores dados é uma base de M2x2 :
6
3
6
3
,
0
1
-1
0
,
4
12
-8
0
,
2
1
-0
1
Elaborado pela Professora Mirian Bernadete Bertoldi Oberziner – Disciplina Álgebra Linear e Geometria
Exercícios – Espaços Vetoriais
1) Expresse os seguintes vetores como combinações lineares de u = ( 2 , 1 , 4 ), v =(1, -1, 3) e w = (3, 2, 5):
a) ( -9, -7, -15) b) ( 6, 11, 6 ) c) ( 0, 0, 0)
2) Expresse os seguintes polinômios como combinações lineares de p1 = 2 + x + 4 x² ,
p2 = 1 – x + 3x² e p3 = 3 + 2x + 5x² :
a) –9 – 7x – 15x² b) 0 c) 7 + 8x + 9x²
3) Verifique se são LI ou LD os seguintes conjuntos: a)
−
−
−
−
12
9
6
3
,
3
4
2
1
⊂ M 2x2 b) { ( 2, -1), ( 1, 3) } ⊂ R². c) { ( -1, -1, 0, 3) , ( 2, -1, 0, 0) , ( 1, 0, 0, 0) } ⊂ R4. d) { 1 + 2x – x², 2 – x + 3x² , 3 – 4x + 7x² } ⊂ P2 .
4) Determine o valor de k para que o conjunto { ( 1, 0, -1), ( 1, 1, 0) , ( k, 1, -1) } seja LI.
5) Suponha que v1 , v2 e v3 são vetores em R³ com pontos iniciais na origem. Em cada caso,
determine se os três vetores estão num mesmo plano, ou seja, se isto ocorrer, eles são LD. Faça o desenho no plano cartesiano.
a) v1 = ( 2, -2, 0), v2 = ( 6, 1, 4 ) e v3 = ( 2, 0, -4)
b) v1 = ( -6, 7, 2), v2 = ( 3, 2, 4 ) e v3 = ( 4, -1, 2)
6) Para quais valores reais de “k” os vetores v1 = ( k, - ½ , - ½ ) , v2 = ( -½ , k, -½ ) e
v3 = (-½ , -½ , k) formam um conjunto linearmente dependente em R³ ?
Respostas: 1) a) –2u + v – 2w b) 4u – 5v + w c) 0u + 0v + 0w 2) a) –2p1 + p2 – 2p3 b) 0p1 + 0p2 + 0p3 c ) 0p1 - 2 p2 + 3p3 3) a) LD b) LI c) LI d) LD 4) k ≠ 2 5) a) não b) sim 6) k = – ½ e k = 1