Resumo
Esta aula leva ao espaço a reta dada por um ponto e um vetor diretor, e descreve o plano na forma vetorial e paramétrica, por um ponto e dois vetores diretores, e na forma cartesiana, por uma equação cujos coeficientes formam um vetor normal. O produto vetorial liga as duas formas, e demonstra-se que todo plano tem uma equação cartesiana, única a menos de um fator. As posições relativas de planos e retas traduzem-se em sistemas lineares e classificam-se com o teorema de Rouché-Capelli (no mundo hispanófono, teorema de Rouché-Frobenius); o produto misto decide se duas retas se cortam ou são reversas. A aula termina com o feixe de planos e com problemas sobre rotas de aviões, a inclinação de um terreno e tetraedros.
Objetivos de aprendizagem
- Escrever uma reta do espaço na forma vetorial, paramétrica e simétrica, também quando alguma componente do vetor diretor é nula, e demonstrar que por dois pontos distintos passa uma única reta.
- Escrever um plano na forma vetorial, paramétrica e cartesiana, passar de uma forma a outra com o produto vetorial e construir o plano que passa por três pontos não colineares.
- Demonstrar que todo plano tem uma equação cartesiana, única a menos de um fator não nulo, e que toda equação linear em , e com algum coeficiente não nulo descreve um plano.
- Decidir a posição relativa de dois ou de três planos, de uma reta e um plano e de duas retas por meio dos postos de um sistema linear e do produto misto, também quando os dados dependem de um parâmetro.
- Construir com o feixe de planos o plano que contém uma reta e cumpre outra condição, e modelar com retas e planos situações da navegação aérea, da construção e do design.
A reta no espaço
Na aula do curso Álgebra e Geometria I sobre os vetores no plano e as equações paramétricas da reta, a reta do plano, conhecida como gráfico de uma equação do primeiro grau desde a aula sobre a equação da reta, foi descrita como . No espaço não há coeficiente angular, e uma equação do primeiro grau em , e descreve, como se verá, um plano. Se isto é assim, convém inverter a ordem: a descrição vetorial será a definição, e dela se deduzirão as demais formas.
Os vetores do espaço e seu produto escalar foram estudados na aula sobre os vetores no espaço e o produto escalar; o produto vetorial e o produto misto, na aula sobre o produto vetorial e o produto misto. Como no plano, significa , e dois vetores não nulos são paralelos quando um é múltiplo do outro. Nas figuras, o eixo vai para a direita, o eixo para cima e o eixo em direção ao observador.
Sejam um ponto e um vetor não nulo. A reta que passa por com vetor diretor é o conjunto dos pontos para os quais existe um número real tal que ; o número chama-se parâmetro de .
O parâmetro de cada ponto é único: se , então , e como não é nulo, . Para e , a equação vetorial, escrita por componentes, dá as equações paramétricas da reta:
Se o parâmetro é o tempo, essas equações descrevem um movimento uniforme de velocidade , como no plano. Uma mesma reta admite muitos pontos de partida e muitos vetores diretores; o teorema abaixo mostra que dois de seus pontos a determinam.
Por dois pontos distintos e passa uma única reta, a de equação . Em consequência, as equações e descrevem a mesma reta se e somente se está na primeira e é paralelo a .
Na figura, e , de modo que , e a outra reta passa por com vetor diretor .
Demonstração
Existência: o vetor não é nulo, porque , e a reta que passa por com esse vetor diretor contém , com parâmetro , e , com parâmetro .
Unicidade: seja uma reta qualquer, , que contenha e , e sejam e seus parâmetros. Na figura, e .
Pela relação de Chasles, . Os parâmetros são distintos, porque ; portanto, é paralelo a . Na figura, .
Cada ponto de está na reta : partimos de em lugar de e substituímos por sua expressão em função de . Na figura, o ponto de de parâmetro é o ponto da reta de parâmetro .
Reciprocamente, o ponto de parâmetro da reta é o de parâmetro em : as duas retas têm os mesmos pontos. Para a segunda afirmação: se as equações descrevem a mesma reta, e estão nela, e pelo terceiro passo é múltiplo de ; se está na primeira e , a primeira contém e , e é a reta que passa por eles.
Daí se segue que duas retas distintas têm no máximo um ponto comum: se compartilhassem dois, seriam a única reta que passa por eles. Três pontos são colineares quando há uma reta que os contém. Se , o ponto é colinear com eles se e somente se para algum , isto é, se e somente se é múltiplo de .
As equações simétricas
Ao isolar o parâmetro e igualar os resultados obtêm-se equações sem parâmetro, com cuidado com as componentes nulas do vetor diretor.
Seja a reta que passa por com vetor diretor . Se as três componentes de são diferentes de zero, um ponto está em se e somente se valem as igualdades abaixo. Se só é nula, a condição é e ; se e são nulas, a condição é e . Os casos em que se anulam outras componentes obtêm-se trocando os papéis das coordenadas.
Na figura, e , o vetor que vai de a .
Demonstração
Se as três componentes são diferentes de zero e , isolamos em cada equação paramétrica: os três quocientes valem .
Reciprocamente, se os três quocientes são iguais, chamamos seu valor comum; ao multiplicar cada igualdade por seu denominador recuperam-se as equações paramétricas, e está em .
Se só é nula, a segunda equação é para todo , e escreve-se à margem das outras, porque dividir por carece de sentido. Na figura, a reta está no plano .
Se e são nulas, as duas últimas equações fixam e , e para cada o parâmetro dá o ponto: a reta é a paralela ao eixo traçada por , que na figura aparece em segundo plano.
Verificação na figura: está na reta, com parâmetro , e não está, embora cumpra .
Cada igualdade das equações simétricas é uma equação do primeiro grau: a reta da figura é o conjunto das soluções de e . Quando se vir que cada equação assim descreve um plano, isso dirá que a reta é a interseção de dois planos, sua forma implícita.
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