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Topos Uranos

Resumo

Esta aula abre a quinta e última unidade do curso, dedicada à geometria analítica do espaço. Apresenta as quatro aulas que a compõem e o fio que as une: os vetores do plano, estudados no curso I, convertem-se em ternas de números com um produto escalar que mede comprimentos e ângulos; o determinante de ordem três da unidade precedente dá um produto novo, o vetorial, e com ele o produto misto, que mede áreas e volumes; as retas e os planos descrevem-se com equações lineares, e suas posições relativas decidem-se com o posto e o teorema de Rouché-Capelli (no mundo hispânico, teorema de Rouché-Frobenius); e tudo isso se reúne para medir distâncias e ângulos entre pontos, retas e planos. Percorre o contexto histórico dessas ideias, desde as coordenadas de Descartes e de Fermat, que no século XVII mal saíram do plano, até o cálculo vetorial de Gibbs e de Heaviside e a cristalografia; formula com precisão, por meio de dois túneis de uma rede de metrô, o problema que lhes deu origem, o de decidir se duas retas do espaço se cortam e medir quanto se afastam quando não o fazem; e assinala onde voltam a ser usadas neste curso, em outros cursos do site e na ciência e na técnica.

Objetivos de aprendizagem

  1. Descrever a sequência de aulas da unidade e explicar que instrumento cada uma fornece e quais toma da unidade sobre as matrizes e da geometria do plano do curso I.
  2. Situar em seu contexto histórico as coordenadas do espaço, o produto escalar, o produto vetorial e o cálculo vetorial, nomeando o problema que cada ideia veio resolver.
  3. Formular como um sistema linear a pergunta de se duas retas do espaço se cortam, decidi-la com o posto da matriz ampliada e calcular a menor distância entre duas retas reversas.
  4. Identificar usos da geometria analítica do espaço na física, na computação gráfica, na robótica, na geodésia, no posicionamento por satélite e na química.

Avaliação de entrada

Antes de percorrer a unidade convém medir o ponto de partida. As oito primeiras perguntas tocam, duas a duas, as quatro aulas da unidade, e a nona é um problema de modelagem, que pede para equacionar com a distância de um ponto a uma reta uma situação em contexto; as mesmas habilidades voltam a ser medidas no final, na aula de síntese. As três últimas verificam o que a unidade supõe conhecido da unidade sobre as matrizes e do curso I. Não há nota: serve para saber o que se domina e onde se deter.

Avaliação de entrada

Antes de começar a unidade, meça seu ponto de partida. É uma autoavaliação breve: não recebe nota e seu resultado fica guardado apenas no seu navegador.

  1. Pergunta 1Calcular a distância entre os pontos P=(1,−2,3)P = (1, -2, 3) e Q=(3,1,9)Q = (3, 1, 9).

  2. Pergunta 2Que ângulo formam os vetores u⃗=(1,1,0)\vec{u} = \left( 1, 1, 0 \right) e v⃗=(1,0,1)\vec{v} = \left( 1, 0, 1 \right)?

  3. Pergunta 3Calcular (1,2,0)×(0,1,3)\left( 1, 2, 0 \right) \times \left( 0, 1, 3 \right).

  4. Pergunta 4Calcular o volume do tetraedro de vértices O=(0,0,0)O = (0, 0, 0), A=(1,2,0)A = (1, 2, 0), B=(0,1,3)B = (0, 1, 3) e C=(2,0,1)C = (2, 0, 1).

  5. Pergunta 5Qual é a equação do plano que contém A=(1,0,0)A = (1, 0, 0), B=(0,2,0)B = (0, 2, 0) e C=(0,0,2)C = (0, 0, 2)?

  6. Pergunta 6Qual é a posição relativa das retas (1,0,0)+t(1,1,0)\left( 1, 0, 0 \right) + t \left( 1, 1, 0 \right) e (0,1,1)+s(1,−1,0)\left( 0, 1, 1 \right) + s \left( 1, -1, 0 \right)?

  7. Pergunta 7Calcular a distância do ponto P=(1,2,3)P = (1, 2, 3) ao plano 2x−y+2z=12x - y + 2z = 1.

  8. Pergunta 8Que ângulo forma a reta de vetor diretor (1,0,1)\left( 1, 0, 1 \right) com o plano x+y=0x + y = 0?

  9. Pergunta 9Um drone decola do ponto O=(0,0,0)O = (0, 0, 0) de um parque e sobe em linha reta na direção do vetor (2,2,1)\left( 2, 2, 1 \right), com as distâncias em metros. No ponto P=(12,6,0)P = (12, 6, 0) do chão há uma pessoa sentada. A que distância mínima dela passa o drone, em metros?

  10. Pergunta 10De unidades anterioresCalcular o determinante da matriz de linhas (1,2,0)\left( 1, 2, 0 \right), (3,1,2)\left( 3, 1, 2 \right) e (0,1,1)\left( 0, 1, 1 \right).

  11. Pergunta 11De unidades anterioresUm sistema de três equações lineares com duas incógnitas tem uma matriz dos coeficientes de posto 22 e uma matriz ampliada de posto 33. Quantas soluções tem?

  12. Pergunta 12De unidades anterioresPara que valor de kk são perpendiculares os vetores (3,−1)\left( 3, -1 \right) e (2,k)\left( 2, k \right) do plano?