Produtos escalar, vetorial e misto
Os três produtos em R2 e R3, ângulos, áreas, volumes e ortogonalidade.
Os vetores e são independentes, mas isso não diz qual é o ângulo entre eles. O produto escalar permite medi-lo.
Em , o produto vetorial dá uma normal e a área definida por dois vetores. O produto misto acrescenta um terceiro vetor para calcular um volume.
Produto escalar: ângulos e comprimentos
O produto escalar (ou interno usual) de por é
A norma de é , o comprimento do vetor.
Com , .
Para dois vetores não nulos, a ligação à geometria está na fórmula , onde é o ângulo entre os vetores.
Com e : , , , logo e .
O sinal do produto escalar diz-te o tipo de ângulo: positivo significa ângulo menor que , zero é reto e negativo significa ângulo maior que . Isto inclui os casos de vetores alinhados, com ângulo ou .
Dois vetores com produto escalar nulo dizem-se ortogonais. O vetor zero é ortogonal a todos, mas não define uma direção nem um ângulo.
Para vetores não nulos, ortogonalidade significa perpendicularidade.
As propriedades essenciais são a comutatividade, , a distributividade e . Um erro clássico é tentar “dividir” por um vetor ou distribuir uma norma: não é em geral (é a desigualdade triangular: ).
Produto vetorial: só em R3
Nesta cadeira, o produto vetorial é a operação de que devolve um vetor perpendicular aos dois fatores. Para e ,
Uma mnemónica é o determinante simbólico com os versores na primeira linha:
expandido pela primeira linha. Com e obténs : o produto dos dois primeiros versores canónicos é o terceiro, e as permutações cíclicas funcionam da mesma forma.
Quando os fatores são não nulos, é o ângulo entre eles. Se um for zero, o produto vetorial e a área são zero.
O vetor é ortogonal a e a (confirma com o produto escalar: dá sempre zero), e o seu módulo mede a área do paralelogramo definido por e :
Por exemplo, e dão , com módulo 6: o retângulo de lados 2 e 3. O sentido segue a regra da mão direita: com o indicador ao longo de e o dedo médio ao longo de , o polegar aponta para .
Como é um vetor livre, o produto vetorial pode ser desenhado a partir de qualquer ponto. As suas propriedades pedem atenção, porque são quase, mas não exatamente, as habituais:
- anticomutatividade: ;
- distributividade e ;
- não é associativo: difere em geral de .
Se com e não nulos, os vetores são paralelos (um é múltiplo escalar do outro). É um teste de paralelismo muito prático.
Se a dúvida é que área o produto vetorial mede e onde entra a orientação, vê este vídeo e relaciona o produto vetorial com a área do paralelogramo e a orientação dada pela regra da mão direita:
Produto misto: volumes e coplanaridade
O produto misto de três vetores de é o número , que coincide com o determinante da matriz que tem os três vetores como linhas (ou colunas):
O seu módulo é o volume do paralelepípedo definido pelos três vetores. Os versores canónicos dão determinante 1, logo o cubo unitário tem volume 1, como esperado.
A consequência mais usada: exatamente quando os três vetores são coplanares (linearmente dependentes). Testa , , :
- primeiro ;
- depois .
São coplanares: de facto, . Permutações cíclicas dos três vetores mantêm o valor do produto misto; trocar dois deles troca o sinal, tal como no determinante.
Projeção ortogonal
O produto escalar também serve para decompor um vetor na direção de outro. A projeção ortogonal de sobre é o vetor na direção de dado por
Procura-se tal que fique perpendicular a : , logo . É daqui que sai a fórmula.
A diferença é ortogonal a : subtrair a projeção remove exatamente a componente ao longo de .
Exemplo em : projeta sobre . Como e ,
e o complemento é . Confirma a ortogonalidade: . Repetir esta decomposição vetor a vetor (tirar a cada um as componentes nas direções já tratadas) é o processo de Gram-Schmidt, que transforma qualquer base numa base ortogonal.
Comprimento, vetor e componente
A projeção é um vetor. A componente escalar orientada na direção de é . O comprimento da projeção é , sempre não negativo.
Com e , temos . A componente orientada é , a projeção é e o seu comprimento é . O sinal negativo indica o sentido contrário ao de , não um comprimento negativo.
Um vetor unitário paralelo a é ; o seu oposto também é unitário e paralelo. Se o enunciado fixa o sentido, escolhe o sinal correspondente.
Contas com produtos sem coordenadas
Podes usar as propriedades dos produtos para resolver problemas dados apenas por normas e ângulos. Se , e o ângulo é , então
Logo , não . Em ,
A área do triângulo definido por estes vetores é metade da área do paralelogramo: . Com três vetores, o volume do tetraedro é .
Outras identidades úteis são
A primeira é a desigualdade de Cauchy-Schwarz. A segunda permite calcular uma área sem conhecer as coordenadas: no exemplo, , cuja raiz é .
Encontrar uma normal
Se são independentes em , é uma normal não nula ao plano que geram. Com e ,
A equação do plano pela origem é . Confirma os dois produtos escalares com a normal: ambos dão zero. Se o produto vetorial desse zero, os vetores seriam dependentes e não definiriam um plano único.
Quadro comparativo
| Produto | Onde vive | Resultado | Mede | Zero significa |
|---|---|---|---|---|
| escalar | ângulo, comprimento | ortogonalidade | ||
| vetor | área do paralelogramo | dependência linear | ||
| escalar | volume do paralelepípedo | vetores coplanares |
O que costuma correr mal
- Usar a fórmula tridimensional do produto vetorial diretamente em : ou trabalhas com o escalar, ou mergulhas os vetores em com terceira coordenada zero.
- Trocar a ordem do produto vetorial sem trocar o sinal, ou assumir associatividade.
- Errar sinais nas componentes do meio do produto vetorial (a segunda componente é , com a ordem “trocada” em relação ao que o padrão sugere).
- Esquecer o módulo ao calcular áreas e volumes: o produto vetorial é um vetor e o misto tem sinal; áreas e volumes usam o valor absoluto.
Exercícios
Todas as normais unitárias
Determina todos os vetores unitários perpendiculares a e . Explica por que a lista está completa.
Pista
O produto vetorial dá uma direção perpendicular aos dois vetores. Uma direção não fixa o sentido.
Solução
Calculamos . O produto escalar com é e com é . A norma é . Portanto, as duas soluções são
Para confirmar que não faltam outras, um vetor perpendicular aos dois satisfaz e . Logo é . A norma unitária exige , isto é, .
Confere a tua resposta:
- Obtém uma normal não nula e verifica os dois produtos escalares.
- Normaliza e justifica as duas soluções possíveis.
Normas e ângulo
Calcula normas e ângulo para e .
Pista
Calcula primeiro o produto escalar.
Solução
As duas normas são 3. O produto escalar é zero, logo os vetores não nulos são ortogonais e o ângulo é . Normas iguais não bastam para concluir o ângulo.
Confere a tua resposta:
- Calcula normas e produto escalar.
- Justifica o ângulo.
Erros frequentes
As normas serem iguais não determina o ângulo. Calcula o produto escalar e confirma que os dois vetores são não nulos.
Um sexto do volume
Um tetraedro tem arestas a partir do mesmo vértice , , . Calcula o volume.
Pista
Calcula o produto misto.
Mais uma pista
u×v=(-1,-1,1); divide o módulo do misto por 6.
Solução
O produto misto é . O paralelepípedo tem volume 3; o tetraedro tem volume .
Erros frequentes
Usa o módulo do produto misto e divide por 6. A norma do produto vetorial dá uma área, não o volume do tetraedro.
Vetor, componente e comprimento
Projeta sobre . Indica a componente escalar orientada e o comprimento da projeção.
Pista
O produto escalar é -2.
Solução
A projeção é . A componente orientada é e o comprimento é . O erro é perpendicular a .
Confere a tua resposta:
- Obtém a projeção e verifica o erro.
- Distingue o escalar orientado do comprimento.
Erros frequentes
A componente escalar orientada pode ser negativa; o comprimento da projeção é sempre não negativo.
Contas sem coordenadas
Se , e o ângulo é , calcula , e a área do triângulo definido por e .
Pista
Usa .
Mais uma pista
.
Solução
. Então , logo . A área do paralelogramo é ; a do triângulo é metade, .
Confere a tua resposta:
- Calcula o produto escalar pelo ângulo.
- Obtém a soma e a área sem coordenadas.
Erros frequentes
não é . Expande o quadrado da norma com o produto escalar.
