Retas e planos

Equações vetoriais, paramétricas e cartesianas de retas e planos, posições relativas e distâncias.

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A geometria analítica traduz retas e planos para equações com vetores, e usa os produtos de vetores para estudar posições e distâncias.

Separa sempre duas peças: um ponto que fixa a posição e um vetor que fixa a orientação.

Retas: ponto mais direção

Uma reta fica definida por um ponto P0P_0 e um vetor direção d≠0d \neq 0. A equação vetorial é P=P0+t dP = P_0 + t\,d, com t∈Rt \in \mathbb{R}.

Quando tt varia, percorres todos os pontos da reta.

Com P0=(1,2,3)P_0 = (1, 2, 3) e d=(1,−1,2)d = (1, -1, 2), a equação paramétrica separa as coordenadas:

{x=1+ty=2−tz=3+2tt∈R.\begin{cases} x = 1 + t \\ y = 2 - t \\ z = 3 + 2t \end{cases} \qquad t \in \mathbb{R}.

Para t=0t = 0 estás em P0P_0; para t=1t = 1 chegas a (2,1,5)(2, 1, 5).

Eliminando tt obténs a equação cartesiana, que no espaço é um sistema de duas equações. Cada uma é um plano, e a reta é a sua interseção:

x−11=y−2−1=z−32.\frac{x - 1}{1} = \frac{y - 2}{-1} = \frac{z - 3}{2}.

Se alguma componente da direção for zero, não podes dividir por ela:

  • com uma componente nula, escreve a coordenada fixa correspondente, como x=1x=1;
  • com duas componentes não nulas, iguala as suas frações;
  • com só uma, as outras duas coordenadas ficam fixas e essa varia livremente.

No plano (R2\mathbb{R}^2), uma reta também se escreve na forma familiar ax+by=cax + by = c, com (a,b)≠(0,0)(a,b)\ne(0,0), onde (a,b)(a, b) é um vetor normal à reta.

Planos: ponto mais normal

Um plano fica definido por um ponto P0P_0 e um vetor normal n≠0n \neq 0 (perpendicular ao plano). Um ponto P=(x,y,z)P = (x, y, z) pertence ao plano exatamente quando (P−P0)⋅n=0(P - P_0) \cdot n = 0.

Esta condição dá a equação cartesiana ax+by+cz=dax + by + cz = d.

Exemplo: o plano que passa por (1,0,0)(1, 0, 0), (0,1,0)(0, 1, 0) e (0,0,1)(0, 0, 1). Dois vetores do plano são v1=(−1,1,0)v_1 = (-1, 1, 0) e v2=(−1,0,1)v_2 = (-1, 0, 1).

A normal é o produto vetorial n=v1×v2=(1,1,1)n = v_1 \times v_2 = (1, 1, 1), com atenção ao sinal da segunda componente. O plano é x+y+z=dx + y + z = d. Substituindo (1,0,0)(1, 0, 0), obténs d=1d = 1:

x+y+z=1.x + y + z = 1.

Os outros dois pontos confirmam a equação, e o plano também admite equação paramétrica P=P0+s u+t vP = P_0 + s\,u + t\,v com dois vetores diretores independentes, aqui por exemplo P=(1,0,0)+s(−1,1,0)+t(−1,0,1)P = (1, 0, 0) + s(-1, 1, 0) + t(-1, 0, 1).

Posições relativas

Duas retas no espaço podem ser concorrentes (intersetam-se num ponto), paralelas (direções proporcionais, sem pontos comuns), coincidentes ou enviesadas (nem se intersetam nem são paralelas; isto só acontece em R3\mathbb{R}^3). O teste segue uma ordem:

  1. compara as direções;
  2. se forem proporcionais, testa se um ponto de uma pertence à outra: sim dá coincidentes, não dá paralelas;
  3. se não forem, resolve o sistema conjunto: com solução dá concorrentes, sem solução dá enviesadas.

Para reta e plano, substitui a paramétrica da reta na equação do plano. Com a reta P=(1,2,3)+t(1,−1,2)P = (1, 2, 3) + t(1, -1, 2) e o plano x+y+z=1x + y + z = 1:

(1+t)+(2−t)+(3+2t)=1  ⟺  6+2t=1  ⟺  t=−52.(1 + t) + (2 - t) + (3 + 2t) = 1 \iff 6 + 2t = 1 \iff t = -\frac{5}{2}.

Há exatamente uma solução: a reta fura o plano no ponto (−3/2, 9/2, −2)(-3/2,\, 9/2,\, -2).

Se a substituição desse 0=00 = 0, a reta estaria contida no plano. Se desse 6=16 = 1, seria paralela a ele. O mesmo método resolve interseções de dois planos (em geral uma reta) e de três planos (que é simplesmente um sistema 3×33 \times 3).

Em diagrama, a decisão é sempre a mesma:

Distâncias

A distância de um ponto P0P_0 a um plano ax+by+cz=dax + by + cz = d é

dist⁡=∣ax0+by0+cz0−d∣a2+b2+c2.\operatorname{dist} = \frac{|a x_0 + b y_0 + c z_0 - d|}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}}.

A ideia: projeta o vetor de um ponto qualquer do plano até P0P_0 sobre a direção normal. Para o ponto (1,2,3)(1, 2, 3) e o plano x+y+z=1x + y + z = 1:

dist⁡=∣1+2+3−1∣3=53=533.\operatorname{dist} = \frac{|1 + 2 + 3 - 1|}{\sqrt{3}} = \frac{5}{\sqrt{3}} = \frac{5\sqrt{3}}{3}.

A distância entre dois planos paralelos reduz-se a este caso (escolhe um ponto de um e mede até ao outro). As outras duas fórmulas seguem a mesma ideia de área e volume:

  • ponto a reta: dist⁡=∥(P0−Q)×d∥/∥d∥\operatorname{dist} = \|(P_0 - Q) \times d\| / \|d\|, onde QQ é um ponto da reta e dd a sua direção (área do paralelogramo a dividir pela base);
  • retas enviesadas: módulo do produto misto de (direção 1, direção 2, vetor que une um ponto de cada) a dividir por ∥d1×d2∥\|d_1 \times d_2\| (volume do paralelepípedo a dividir pela área da base dá a altura, que é precisamente a distância).

Exemplo numérico com a fórmula ponto a reta: distância de P0=(2,3,4)P_0 = (2, 3, 4) à reta Q+tdQ + td com Q=(0,0,1)Q = (0, 0, 1) e d=(1,0,0)d = (1, 0, 0). Primeiro P0−Q=(2,3,3)P_0 - Q = (2, 3, 3); depois (2,3,3)×(1,0,0)=(0,3,−3)(2, 3, 3) \times (1, 0, 0) = (0, 3, -3), de norma 18=32\sqrt{18} = 3\sqrt{2}; como ∥d∥=1\|d\| = 1, a distância é 323\sqrt{2}.

Ângulos entre objetos

O ângulo entre vetores orientados não nulos varia de 00 a π\pi e usa cos⁡θ=(u⋅v)/(∥u∥∥v∥)\cos\theta=(u\cdot v)/(\|u\|\|v\|). Para o menor ângulo entre duas retas, usamos o módulo:

cos⁡θ=∣d1⋅d2∣∥d1∥∥d2∥,0≤θ≤π2.\cos\theta=\frac{|d_1\cdot d_2|}{\|d_1\|\|d_2\|}, \qquad 0\leq\theta\leq\frac\pi2.

Entre dois planos, a mesma fórmula usa as normais. Entre uma reta de direção dd e um plano de normal nn,

sin⁡α=∣d⋅n∣∥d∥∥n∥,0≤α≤π2.\sin\alpha=\frac{|d\cdot n|}{\|d\|\|n\|}, \qquad 0\leq\alpha\leq\frac\pi2.

É seno porque o ângulo com o plano é complementar do ângulo com a normal. A direção da reta é paralela ao plano quando d⋅n=0d\cdot n=0, incluindo o caso em que a reta está contida nele, e perpendicular quando dd é paralelo a nn. Por exemplo, d=(1,0,1)d=(1,0,1) e n=(0,0,1)n=(0,0,1) dão sin⁡α=1/2\sin\alpha=1/\sqrt2, logo α=45∘\alpha=45^\circ.

Ponto mais próximo e reflexão

No plano n⋅X=cn\cdot X=c, o ponto mais próximo de PP é

H=P−n⋅P−cn⋅nn.H=P-\frac{n\cdot P-c}{n\cdot n}n.

O segmento PHPH é perpendicular ao plano e HH verifica a sua equação. Para P=(1,2,3)P=(1,2,3) e x+y+z=1x+y+z=1, obtemos

H=(1,2,3)−53(1,1,1)=(−2/3,1/3,4/3),H=(1,2,3)-\frac53(1,1,1)=(-2/3,1/3,4/3),

cujas coordenadas somam 1, como a equação do plano exige. O ponto refletido em relação ao plano é P′=2H−P=(−7/3,−4/3,−1/3)P'=2H-P=(-7/3,-4/3,-1/3). O plano passa pelo ponto médio de P,P′P,P'.

Na reta Q+tdQ+td, o pé da perpendicular é

H=Q+(P−Q)⋅dd⋅dd.H=Q+\frac{(P-Q)\cdot d}{d\cdot d}d.

Esta fórmula também funciona em R2\mathbb R^2, onde não precisamos de produto vetorial. A distância é ∥P−H∥\|P-H\|. Todas as fórmulas de distância desta página são a norma de um erro P−HP-H com HH calculado por projeção; as fórmulas por área e volume são atalhos para esse mesmo comprimento.

Duas retas no espaço

Para r=P+td1r=P+td_1 e s=Q+ud2s=Q+ud_2 com direções independentes, o produto misto

(Q−P)⋅(d1×d2)(Q-P)\cdot(d_1\times d_2)

decide a coplanaridade. Se for zero, as retas são coplanares e, como não são paralelas, são concorrentes. Se for não nulo, são enviesadas, e a distância é

dist⁡(r,s)=∣(Q−P)⋅(d1×d2)∣∥d1×d2∥.\operatorname{dist}(r,s)= \frac{|(Q-P)\cdot(d_1\times d_2)|}{\|d_1\times d_2\|}.

Na reta r=(t,0,0)r=(t,0,0) e na reta s=(0,u,2)s=(0,u,2), as direções são e1,e2e_1,e_2, a normal comum é e3e_3 e o produto misto vale 2, logo a distância é 2. Em geral, os parâmetros dos pontos mais próximos resolvem (P+td1−(Q+ud2))⋅d1=0(P+td_1-(Q+ud_2))\cdot d_1=0 e (P+td1−(Q+ud2))⋅d2=0(P+td_1-(Q+ud_2))\cdot d_2=0: o segmento mais curto é perpendicular às duas direções. O exercício de pontos mais próximos na página de prática resolve esse sistema 2×22\times2 num caso não trivial. Se as direções fossem paralelas, o denominador seria zero e teríamos de usar a distância de um ponto de uma reta à outra.

Construir e intersetar planos

Um plano que contém r=P+tdr=P+td e um ponto QQ fora da reta tem normal d×(Q−P)d\times(Q-P). Se QQ estiver na reta, o produto é zero: há vários planos possíveis.

Dois planos com normais independentes intersetam-se numa reta de direção n1×n2n_1\times n_2. Encontra um ponto da reta resolvendo as duas equações com uma incógnita escolhida como parâmetro. Por exemplo,

x+y+z=1,x−y=0⟹(x,y,z)=(t,t,1−2t).x+y+z=1,\qquad x-y=0 \quad\Longrightarrow\quad (x,y,z)=(t,t,1-2t).

A direção (1,1,−2)(1,1,-2) é perpendicular às duas normais (1,1,1)(1,1,1) e (1,−1,0)(1,-1,0). Se as normais forem proporcionais, os planos são coincidentes ou paralelos distintos; compara também os termos independentes.

O que costuma correr mal

  • Confundir vetor direção com vetor normal: a reta usa a direção ao longo dela, o plano usa a normal perpendicular. Trocar um pelo outro dá o objeto perpendicular ao pretendido.
  • Dividir por uma componente nula da direção ao escrever a equação cartesiana da reta.
  • Classificar duas retas como paralelas só porque “não se intersetam”: no espaço podem ser enviesadas. Segue a ordem do teste (direções primeiro).
  • Esquecer o módulo ou a normalização nas fórmulas de distância, ou aplicar a fórmula do plano com a equação ainda não na forma ax+by+cz=dax + by + cz = d.

Exercícios

Um ponto de interseção

Interseta r=(1,2,3)+t(1,−1,2)r=(1,2,3)+t(1,-1,2) com x+y+z=1x+y+z=1 e justifica a unicidade.

Pista

Substitui as três coordenadas.

Solução

t=−5/2t=-5/2 e o ponto é (−3/2,9/2,−2)(-3/2,9/2,-2). A soma das coordenadas é 1. O produto escalar da direção com a normal é 2, não nulo, por isso há uma única interseção.

Confere a tua resposta:

  • Obtém e verifica o ponto.
  • Justifica a unicidade.

Erros frequentes

Substitui as três coordenadas paramétricas. Calcula o ponto com o mesmo valor de tt em todas elas.

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Refletir um ponto

Reflete P=(1,2,3)P=(1,2,3) em x+y+z=1x+y+z=1. Indica o pé da perpendicular.

Pista

Retira a componente normal.

Solução

O pé é H=(−2/3,1/3,4/3)H=(-2/3,1/3,4/3). O refletido é P∗=2H−P=(−7/3,−4/3,−1/3)P^\ast=2H-P=(-7/3,-4/3,-1/3). O ponto médio pertence ao plano e o segmento de reflexão é paralelo à normal (1,1,1)(1,1,1).

Confere a tua resposta:

  • Obtém H e o refletido.
  • Confirma o ponto médio e a perpendicularidade.

Erros frequentes

O pé HH está no plano. O refletido é 2H−P2H-P, não HH nem P−HP-H.

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Distância e pontos mais próximos entre retas

Estuda as retas r=(1,0,1)+t(1,1,0)r=(1,0,1)+t(1,1,0) e s=(0,2,0)+u(0,1,1)s=(0,2,0)+u(0,1,1). Decide a posição relativa, calcula a distância e encontra os pontos de cada reta que realizam essa distância.

Pista

Calcula o produto misto para a posição relativa. O segmento mais curto é perpendicular às duas direções.

Mais uma pista

O vetor entre os pontos é (−1−t,2+u−t,−1+u)(-1-t,2+u-t,-1+u). Impõe produto escalar zero com (1,1,0)(1,1,0) e (0,1,1)(0,1,1).

Solução

As direções são independentes e o produto vetorial é (1,−1,1)(1,-1,1). Com Q−P=(−1,2,−1)Q-P=(-1,2,-1), o produto misto é −4≠0-4\ne0: as retas são enviesadas. A distância é 4/34/\sqrt3.

Os pontos mais próximos satisfazem

1+u−2t=0,1+2u−t=0.1+u-2t=0,\qquad 1+2u-t=0.

Da primeira, u=2t−1u=2t-1; substituindo na segunda, 3t−1=03t-1=0. Logo t=1/3t=1/3 e u=−1/3u=-1/3. Os pontos são (4/3,1/3,1)(4/3,1/3,1) e (0,5/3,−1/3)(0,5/3,-1/3). O vetor entre eles é (−4/3,4/3,−4/3)(-4/3,4/3,-4/3), perpendicular às duas direções e de norma 4/34/\sqrt3.

Confere a tua resposta:

  • Distingue direções independentes de interseção efetiva.
  • Calcula a distância e verifica os dois pontos pela perpendicularidade.

Erros frequentes

Usar diretamente os pontos que aparecem nas equações dá 6\sqrt6, uma distância maior. Esses pontos fixam as retas, mas não têm de ser o par mais próximo.

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Uma reta dentro do plano

Estuda r=(1,0,0)+t(0,1,1)r=(1,0,0)+t(0,1,1) em relação ao plano x=1x=1.

Pista

Substitui as três coordenadas no plano.

Solução

Substituindo, x=1x=1 para todo tt: há infinitos pontos comuns. A direção (0,1,1)(0,1,1) é perpendicular à normal (1,0,0)(1,0,0), o que prova apenas que a direção é paralela ao plano. Como o ponto (1,0,0)(1,0,0) pertence ao plano, a reta está contida nele. Se a coordenada fixa fosse x=2x=2, teríamos uma reta paralela sem pontos comuns: a substituição daria 2=12=1.

Confere a tua resposta:

  • Substitui a paramétrica no plano.
  • Distingue contida de paralela.

Erros frequentes

Direção perpendicular à normal não basta para dizer que a reta é paralela disjunta: testa também um ponto da reta no plano.

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