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GEOMETRIA ANALÍTICA cap 05

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49
CÁLCULO VETORIAL E GEOMETRIA ANALÍTICA
CAPÍTULO 5
RETA
Definição: Seja (r) uma reta que contém um ponto A e tem a direção de um vetor
v , com 0v ≠ . Para que um ponto X do ℜ3
pertença à reta (r) deve ocorrer que os
vetores AX e v sejam paralelos. Assim, existe um escalar ℜ∈t tal que: vtAX = ⇒
⇒=− vtAX vtAX ++++==== . Esta expressão é chamada de equação vetorial da reta.
Observe que, para escrevermos a equação vetorial de uma reta vtAX:)r( += ,
sempre necessitamos conhecer um ponto A de (r) e um vetor v paralelo a ela. O
vetor v é chamado de vetor diretor da reta (r) e ℜ∈t é chamado de parâmetro.
Por um axioma importante da geometria plana, dois pontos distintos, A e B,
determinam uma reta. Logo, podemos escrever a equação vetorial da reta quando se
conhece dois pontos pertencentes a ela, da seguinte forma: podemos considerar o
vetor diretor da reta (r) como sendo o vetor BAouAB , pois ambos são paralelos a
reta (r), assim como podemos escolher qualquer um dos pontos A ou B e escrever
que ABtAX:)r( ⋅+= ou BAtAX:)r( ⋅+= ou ABtBX:)r( ⋅+= ou ainda
BAtBX:)r( ⋅+= .
A
(r)
y
x
z
AX
v
X
A
(r)
AB B
A
(r)
AB B
50
Por exemplo: considere a reta (r) determinada pelos pontos A(1,3,0) e B(-1,2,1).
Então podemos escrever que ABtAX:)r( ⋅+= , ℜ∈∀ t ⇒ )11,2(t)0,3,1(X:)r( −−⋅+=
que é a equação vetorial da reta (r). Assim, para cada valor real do parâmetro t
substituído na equação vetorial da reta vamos obter seus infinitos pontos, ou seja:
para 0t1 = ⇒ )11,2(0)0,3,1(X1 −−⋅+= ⇒ )r()0,3,1(X1 ∈= ;
para 1t2 = ⇒ )11,2(1)0,3,1(X2 −−⋅+= ⇒ )r()1,4,1(X2 ∈−= ;
para 4t3 −= ⇒ )11,2()4()0,3,1(X3 −−⋅−+= ⇒ )r()4,7,9(X3 ∈−= ;
Assim por diante.
5.1 Equações da Reta
Equações Paramétricas da Reta
Sejam )z,y,x(Ae)z,y,x(X ooo onde, A é o ponto conhecido da reta e X
representa qualquer ponto da reta, para algum valor de ℜ∈t . Seja )z,y,x(v 111= o
vetor diretor da reta (r). Assim, sua equação vetorial é vtAX:)r( += . Substituindo as
coordenadas de cada elemento da reta teremos:
⇒⋅+= t)z,y,x()z,y,x()z,y,x( 111ooo





++++====
++++====
++++====
tzzz
tyyy
txxx
:)r(
1o
1o
1o
, ℜ∈∀ t . Esta forma de
escrever é chamada de equações paramétricas da reta (r).
Equações Simétricas da Reta
Das equações paramétricas





+=
+=
+=
tzzz
tyyy
txxx
:)r(
1o
1o
1o
, podemos escrever:









−
=
−
=
−
=
1
o
1
o
1
o
z
zz
t
y
yy
t
x
xx
t
.
Então:
1
o
1
o
1
o
z
zz
y
yy
x
xx
:)r(
−
=
−
=
−
para 0ze0y,0x 111 ≠≠≠ . Esta forma de
escrever a equação da reta é chamada de equações simétricas.
5.2 Condição de alinhamento de três pontos
Sejam )z,y,x(Pe)z,y,x(P),z,y,x(P 333322221111 três pontos colineares, ou seja,
alinhados. Logo, eles pertencem à mesma reta (r). Seja (r) a reta determinada pelos
51
pontos P1 e P2. Então 211 PPtPX:)r( += . Na forma simétrica
12
1
12
1
12
1
zz
zz
yy
yy
xx
xx
:)r(
−
−
=
−
−
=
−
−
. Como P3 pertence à reta (r), ele satisfaz a equação de
(r), ou seja:
12
13
12
13
12
13
zz
zz
yy
yy
xx
xx
−
−
=
−
−
=
−
−
. Esta relação é chamada de condição de
alinhamento de três pontos, desde que 0xx 12 ≠− , 0yy 12 ≠− e 0zz 12 ≠− .
Exemplo (1): Dadas as retas na forma simétrica, destacar o ponto e o vetor diretor
de cada uma.
a)
2
5z
1y
3
2x
:)r(
+
=−=
−
−
b)
2
z3
1y
3
2x2
:)s(
−
−
=−−=
−
c) 4ye5z2
2
3
1
x
:)m( −=−=
−
Solução: Lembre que, uma reta está na forma simétrica quando sua equação é
escrita como
1
o
1
o
1
o
z
zz
y
yy
x
xx
:)r(
−
=
−
=
−
para 0ze0y,0x 111 ≠≠≠ , ou seja,
quando os coeficientes das variáveis x, y e z são todos iguais a 1. Neste caso, as
coordenadas )z,y,x( ooo −−− , que aparecem no numerador destas proporções são as
coordenadas do ponto A da reta e as coordenadas )z,y,x( 111 são as coordenadas do
vetor diretor.
a)



−=
−
⇒
+
=
−
=
−
−
)2,1,3(v
)5,1,2(A
2
5z
1
1y
3
2x
:)r(
b) A reta (s) não está adequadamente escrita na forma simétrica. Fazendo:
1
2
1
z
1
3
1
1
1
1
1
y
2
3
2
2
2
x2
:)s(
−
−
−
−
−=
−
−
−
−
−
=
−
. Agora, na forma simétrica, vem:











−=
−
⇒
−
=
−
+
=
−
2,1,
2
3
v
)3,1,1(A
2
3z
1
1y
2
3
1x
:)s(
c) Neste caso em que temos um termo 4y −= , escrevendo a equação na forma
paramétrica, vem: 4ye5z2
2
3
1
x
:)m( −=−=
−
52
⇒













=






−
⇒







+=
+−=
+=
⇒









+=⇒=−
+−=⇒−=
+=⇒=
−
2
1
,0,2v
2
5
,4,
3
1
A
t
2
1
2
5
z
t04y
t2
3
1
x
:)m(
2
1
2
5
zt5z2
t04y4y
t2
3
1
xt
2
3
1
x
Exemplo (2): Dada a reta )1,3,2(t)3,1,1(X:)r( +−= , verificar se os pontos P(5,7,-1)
e Q(-5,-8,-2) pertencem à reta.
Solução: Se um ponto pertence a uma reta, ele deve satisfazer a equação simétrica
da reta.
1
3z
3
1y
2
1x
:)r(
+
=
−
=
−
⇒
1
31
3
17
2
15 +−
=
−
=
−
⇒ )r(P222 ∈⇒==
1
3z
3
1y
2
1x
:)r(
+
=
−
=
−
⇒
1
32
3
18
2
15 +−
=
−−
=
−−
⇒ )r(Q133 ∉⇒≠−=−
5.3 Condição de coplanaridade entre duas retas
Dizemos que duas retas são coplanares se elas estão contidas no mesmo plano.
Caso não exista um plano que as contém dizemos que elas não são coplanares. Por
exemplo: as retas r2 e r3 são coplanares, pois estão contidas no mesmo plano β. As
retas r1 e r2 não são coplanares, pois estão contidas em planos distintos. O mesmo
ocorre entre as retas r1 e r3, são retas não coplanares.
Sejam 2222211111 vtAX:)r(evtAX:)r( +=+= duas retas coplanares com
)c,b,a(A 1111 , )c,b,a(A 2222 , )z,y,x(v 1111 = e )z,y,x(v 2222 = . Note que, se as retas
são coplanares, então os vetores 2121 AAev,v são coplanares.
(r2)
1A
2A
21AA
2v
1v
(r1)
r2
r1
r3
α
β
53
Logo, a condição de coplanaridade entre as retas é a mesma condição de
coplanaridade entre os vetores 2121 AAev,v . Portanto:
0
zyx
zyx
ccbbaa
]v,v,AA[
222
111
121212
2121 =
−−−
=
5.4 Posições Relativas entre duas retas
As posições relativas entre duas retas (r1) e (r2) são divididas em dois casos:
I- Retas coplanares. Se (r1) e (r2) são retas coplanares então suas posições relativas
são: paralelas ou concorrentes;
II- Retas não coplanares. Se (r1) e (r2) são retas não coplanares a única posição
relativa entre elas é reversas.
Existem alguns casos particulares como:
• Retas coincidentes é um caso particular quando as retas são paralelas.
• Retas perpendiculares é um caso particular quando as retas são concorrentes.
• Retas ortogonais é um caso particular quando as retas são reversas.
Para uma melhor discussão das posições relativas entre duas retas e, de uma
forma fácil e rápida distinguir um caso do outro, vamos analisar cada posição relativa
entre duas retas (r1) e (r2).
Considere duas retas 11111 vtAX:)r( += e 22222 vtAX:)r( += .
I - Retas coplanares: Se as retas (r1) e (r2) são coplanares então 0]v,v,AA[ 2121 = .
1) Retas Paralelas: São retas coplanares, não se interceptam e o ângulo entre elas
é o
0=θ . Analisando a dependência linear entre os vetores podemos concluir:
}v,v{ 21 LD (paralelos)
}AA,v{ 211 LI (não paralelos)
}2A1A,2v{ LI (não paralelos)
Usaremos a notação )r( 1 ∥ )r( 2 para indicar retas paralelas.
2A
1A
2A1A
2v
1v
)r( 1
)r( 2
54
2) Retas Coincidentes: São retas coplanares, uma está posicionada inteiramente
sobre a outra, a interseção entre elas é uma delas e o ângulo entre elas é o
0=θ .
Analisando a dependência linear entre os vetores podemos concluir:
}v,v{ 21 LD (paralelos)
}AA,v{ 211 LD (paralelos)
}2A1A,2v{ LD (paralelos)
Usaremos a notação )r()r( 21 ≡ para indicar retas coincidentes.
3) Retas Concorrentes: São retas coplanares, se interceptam num ponto P e o
ângulo entre elas é o
90≠θ . Analisando a dependência linear e o produto escalar
entre os vetores podemos concluir:
}v,v{ 21 LI (não paralelos)
0vv 21 ≠⋅
4) Retas Perpendiculares: São retas coplanares, se interceptam num ponto P e o
ângulo entre elas é o
90=θ . Analisando a dependência linear e o produto escalar
entre os vetores podemos concluir:
}v,v{ 21 LI (não paralelos)
0vv 21 =⋅
Usaremos a notação )r()r( 21 ⊥ para indicar retas perpendiculares.
II - Retas não coplanares: Se as retas (r1) e (r2) não são coplanares então
0]v,v,AA[ 2121 ≠ .
1) Retas Reversas: São retas não coplanares, não se interceptam e o ângulo entre
elas é o
90≠θ . Analisando a dependência linear e o produto escalar entre os vetores
podemos concluir:
}v,v{ 21 LI (não paralelos)
0vv 21 ≠⋅
)r()r( 21 ≡
21AA 2v1v
1v
2v
)r( 1
)r( 2 θP
)r( 1
)r( 2
1v
2v
θ
1v
)r( 1
2v
1v
)r( 2
θ
P

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  • 1. 49 CÁLCULO VETORIAL E GEOMETRIA ANALÍTICA CAPÍTULO 5 RETA Definição: Seja (r) uma reta que contém um ponto A e tem a direção de um vetor v , com 0v ≠ . Para que um ponto X do ℜ3 pertença à reta (r) deve ocorrer que os vetores AX e v sejam paralelos. Assim, existe um escalar ℜ∈t tal que: vtAX = ⇒ ⇒=− vtAX vtAX ++++==== . Esta expressão é chamada de equação vetorial da reta. Observe que, para escrevermos a equação vetorial de uma reta vtAX:)r( += , sempre necessitamos conhecer um ponto A de (r) e um vetor v paralelo a ela. O vetor v é chamado de vetor diretor da reta (r) e ℜ∈t é chamado de parâmetro. Por um axioma importante da geometria plana, dois pontos distintos, A e B, determinam uma reta. Logo, podemos escrever a equação vetorial da reta quando se conhece dois pontos pertencentes a ela, da seguinte forma: podemos considerar o vetor diretor da reta (r) como sendo o vetor BAouAB , pois ambos são paralelos a reta (r), assim como podemos escolher qualquer um dos pontos A ou B e escrever que ABtAX:)r( ⋅+= ou BAtAX:)r( ⋅+= ou ABtBX:)r( ⋅+= ou ainda BAtBX:)r( ⋅+= . A (r) y x z AX v X A (r) AB B A (r) AB B
  • 2. 50 Por exemplo: considere a reta (r) determinada pelos pontos A(1,3,0) e B(-1,2,1). Então podemos escrever que ABtAX:)r( ⋅+= , ℜ∈∀ t ⇒ )11,2(t)0,3,1(X:)r( −−⋅+= que é a equação vetorial da reta (r). Assim, para cada valor real do parâmetro t substituído na equação vetorial da reta vamos obter seus infinitos pontos, ou seja: para 0t1 = ⇒ )11,2(0)0,3,1(X1 −−⋅+= ⇒ )r()0,3,1(X1 ∈= ; para 1t2 = ⇒ )11,2(1)0,3,1(X2 −−⋅+= ⇒ )r()1,4,1(X2 ∈−= ; para 4t3 −= ⇒ )11,2()4()0,3,1(X3 −−⋅−+= ⇒ )r()4,7,9(X3 ∈−= ; Assim por diante. 5.1 Equações da Reta Equações Paramétricas da Reta Sejam )z,y,x(Ae)z,y,x(X ooo onde, A é o ponto conhecido da reta e X representa qualquer ponto da reta, para algum valor de ℜ∈t . Seja )z,y,x(v 111= o vetor diretor da reta (r). Assim, sua equação vetorial é vtAX:)r( += . Substituindo as coordenadas de cada elemento da reta teremos: ⇒⋅+= t)z,y,x()z,y,x()z,y,x( 111ooo      ++++==== ++++==== ++++==== tzzz tyyy txxx :)r( 1o 1o 1o , ℜ∈∀ t . Esta forma de escrever é chamada de equações paramétricas da reta (r). Equações Simétricas da Reta Das equações paramétricas      += += += tzzz tyyy txxx :)r( 1o 1o 1o , podemos escrever:          − = − = − = 1 o 1 o 1 o z zz t y yy t x xx t . Então: 1 o 1 o 1 o z zz y yy x xx :)r( − = − = − para 0ze0y,0x 111 ≠≠≠ . Esta forma de escrever a equação da reta é chamada de equações simétricas. 5.2 Condição de alinhamento de três pontos Sejam )z,y,x(Pe)z,y,x(P),z,y,x(P 333322221111 três pontos colineares, ou seja, alinhados. Logo, eles pertencem à mesma reta (r). Seja (r) a reta determinada pelos
  • 3. 51 pontos P1 e P2. Então 211 PPtPX:)r( += . Na forma simétrica 12 1 12 1 12 1 zz zz yy yy xx xx :)r( − − = − − = − − . Como P3 pertence à reta (r), ele satisfaz a equação de (r), ou seja: 12 13 12 13 12 13 zz zz yy yy xx xx − − = − − = − − . Esta relação é chamada de condição de alinhamento de três pontos, desde que 0xx 12 ≠− , 0yy 12 ≠− e 0zz 12 ≠− . Exemplo (1): Dadas as retas na forma simétrica, destacar o ponto e o vetor diretor de cada uma. a) 2 5z 1y 3 2x :)r( + =−= − − b) 2 z3 1y 3 2x2 :)s( − − =−−= − c) 4ye5z2 2 3 1 x :)m( −=−= − Solução: Lembre que, uma reta está na forma simétrica quando sua equação é escrita como 1 o 1 o 1 o z zz y yy x xx :)r( − = − = − para 0ze0y,0x 111 ≠≠≠ , ou seja, quando os coeficientes das variáveis x, y e z são todos iguais a 1. Neste caso, as coordenadas )z,y,x( ooo −−− , que aparecem no numerador destas proporções são as coordenadas do ponto A da reta e as coordenadas )z,y,x( 111 são as coordenadas do vetor diretor. a)    −= − ⇒ + = − = − − )2,1,3(v )5,1,2(A 2 5z 1 1y 3 2x :)r( b) A reta (s) não está adequadamente escrita na forma simétrica. Fazendo: 1 2 1 z 1 3 1 1 1 1 1 y 2 3 2 2 2 x2 :)s( − − − − −= − − − − − = − . Agora, na forma simétrica, vem:            −= − ⇒ − = − + = − 2,1, 2 3 v )3,1,1(A 2 3z 1 1y 2 3 1x :)s( c) Neste caso em que temos um termo 4y −= , escrevendo a equação na forma paramétrica, vem: 4ye5z2 2 3 1 x :)m( −=−= −
  • 4. 52 ⇒              =       − ⇒        += +−= += ⇒          +=⇒=− +−=⇒−= +=⇒= − 2 1 ,0,2v 2 5 ,4, 3 1 A t 2 1 2 5 z t04y t2 3 1 x :)m( 2 1 2 5 zt5z2 t04y4y t2 3 1 xt 2 3 1 x Exemplo (2): Dada a reta )1,3,2(t)3,1,1(X:)r( +−= , verificar se os pontos P(5,7,-1) e Q(-5,-8,-2) pertencem à reta. Solução: Se um ponto pertence a uma reta, ele deve satisfazer a equação simétrica da reta. 1 3z 3 1y 2 1x :)r( + = − = − ⇒ 1 31 3 17 2 15 +− = − = − ⇒ )r(P222 ∈⇒== 1 3z 3 1y 2 1x :)r( + = − = − ⇒ 1 32 3 18 2 15 +− = −− = −− ⇒ )r(Q133 ∉⇒≠−=− 5.3 Condição de coplanaridade entre duas retas Dizemos que duas retas são coplanares se elas estão contidas no mesmo plano. Caso não exista um plano que as contém dizemos que elas não são coplanares. Por exemplo: as retas r2 e r3 são coplanares, pois estão contidas no mesmo plano β. As retas r1 e r2 não são coplanares, pois estão contidas em planos distintos. O mesmo ocorre entre as retas r1 e r3, são retas não coplanares. Sejam 2222211111 vtAX:)r(evtAX:)r( +=+= duas retas coplanares com )c,b,a(A 1111 , )c,b,a(A 2222 , )z,y,x(v 1111 = e )z,y,x(v 2222 = . Note que, se as retas são coplanares, então os vetores 2121 AAev,v são coplanares. (r2) 1A 2A 21AA 2v 1v (r1) r2 r1 r3 α β
  • 5. 53 Logo, a condição de coplanaridade entre as retas é a mesma condição de coplanaridade entre os vetores 2121 AAev,v . Portanto: 0 zyx zyx ccbbaa ]v,v,AA[ 222 111 121212 2121 = −−− = 5.4 Posições Relativas entre duas retas As posições relativas entre duas retas (r1) e (r2) são divididas em dois casos: I- Retas coplanares. Se (r1) e (r2) são retas coplanares então suas posições relativas são: paralelas ou concorrentes; II- Retas não coplanares. Se (r1) e (r2) são retas não coplanares a única posição relativa entre elas é reversas. Existem alguns casos particulares como: • Retas coincidentes é um caso particular quando as retas são paralelas. • Retas perpendiculares é um caso particular quando as retas são concorrentes. • Retas ortogonais é um caso particular quando as retas são reversas. Para uma melhor discussão das posições relativas entre duas retas e, de uma forma fácil e rápida distinguir um caso do outro, vamos analisar cada posição relativa entre duas retas (r1) e (r2). Considere duas retas 11111 vtAX:)r( += e 22222 vtAX:)r( += . I - Retas coplanares: Se as retas (r1) e (r2) são coplanares então 0]v,v,AA[ 2121 = . 1) Retas Paralelas: São retas coplanares, não se interceptam e o ângulo entre elas é o 0=θ . Analisando a dependência linear entre os vetores podemos concluir: }v,v{ 21 LD (paralelos) }AA,v{ 211 LI (não paralelos) }2A1A,2v{ LI (não paralelos) Usaremos a notação )r( 1 ∥ )r( 2 para indicar retas paralelas. 2A 1A 2A1A 2v 1v )r( 1 )r( 2
  • 6. 54 2) Retas Coincidentes: São retas coplanares, uma está posicionada inteiramente sobre a outra, a interseção entre elas é uma delas e o ângulo entre elas é o 0=θ . Analisando a dependência linear entre os vetores podemos concluir: }v,v{ 21 LD (paralelos) }AA,v{ 211 LD (paralelos) }2A1A,2v{ LD (paralelos) Usaremos a notação )r()r( 21 ≡ para indicar retas coincidentes. 3) Retas Concorrentes: São retas coplanares, se interceptam num ponto P e o ângulo entre elas é o 90≠θ . Analisando a dependência linear e o produto escalar entre os vetores podemos concluir: }v,v{ 21 LI (não paralelos) 0vv 21 ≠⋅ 4) Retas Perpendiculares: São retas coplanares, se interceptam num ponto P e o ângulo entre elas é o 90=θ . Analisando a dependência linear e o produto escalar entre os vetores podemos concluir: }v,v{ 21 LI (não paralelos) 0vv 21 =⋅ Usaremos a notação )r()r( 21 ⊥ para indicar retas perpendiculares. II - Retas não coplanares: Se as retas (r1) e (r2) não são coplanares então 0]v,v,AA[ 2121 ≠ . 1) Retas Reversas: São retas não coplanares, não se interceptam e o ângulo entre elas é o 90≠θ . Analisando a dependência linear e o produto escalar entre os vetores podemos concluir: }v,v{ 21 LI (não paralelos) 0vv 21 ≠⋅ )r()r( 21 ≡ 21AA 2v1v 1v 2v )r( 1 )r( 2 θP )r( 1 )r( 2 1v 2v θ 1v )r( 1 2v 1v )r( 2 θ P
  • 7. 55 2) Retas Ortogonais: São retas não coplanares, não se interceptam e o ângulo entre elas é o 90=θ . Analisando a dependência linear e o produto escalar entre os vetores podemos concluir: }v,v{ 21 LI (não paralelos) 0vv 21 =⋅ Com base a análise feita acima, sugerimos o seguinte resumo para distinguirmos as posições relativas entre duas retas (r1) e (r2). Resumo: Sejam 2222211111 vtAX:)r(evtAX:)r( +=+= . I - Retas Coplanares ⇒ 0]v,v,AA[ 2121 = 1) Retas Paralelas: }v,v{ 21 LD (paralelos) e }AA,v{ 211 LI (não paralelos). 2) Retas Coincidentes: }v,v{ 21 LD (paralelos) e }AA,v{ 211 LD (paralelos). 3) Retas Concorrentes: }v,v{ 21 LI (não paralelos) e 0vv 21 ≠⋅ . 4) Retas Perpendiculares: }v,v{ 21 LI (não paralelos) e 0vv 21 =⋅ . II - Retas não Coplanares ⇒ 0]v,v,AA[ 2121 ≠ 1) Retas Reversas: 0vv 21 ≠⋅ 2) Retas Ortogonais: 0vv 21 =⋅ Exemplo (3): Dadas as retas 3 5z 2y 2 1x :)r( − − =−= + e 4 1z 2 4y 2 3x :)s( + = − = − − , verificar a posição relativa entre elas e determinar a interseção se houver. Solução: Para a reta (r) temos:    −= − )3,1,2(v )5,2,1(A 1 1 e para (s) temos:    −= − )4,2,2(v )1,4,3(A 2 2 . Vamos determinar ]v,v,AA[ 2121 para sabermos se as retas são ou não coplanares. Então: 0 422 312 624 ]v,v,AA[ 2121 = − − − = . Logo as retas são coplanares. Como }v,v{ 21 LI (não paralelos) e 014vv 21 ≠−=⋅ , as retas são concorrentes e existe a interseção entre elas que é um ponto P(x,y,z). Para determinar a interseção devemos igualar as equações das retas (r) e (s). Assim, das retas (r) e (s) podemos escrever: )r( 1 )r( 2 1v 2v θ 1v
  • 8. 56 (r):       +−=⇒−= − − −=⇒−= + 11y3z2y 3 5z 5y2x2y 2 1x e (s):       −=⇒ − = + +−=⇒ − = − − 9y2z 2 4y 4 1z 7yx 2 4y 2 3x 4y9y211y3e4y7y5y2 =⇒−=+−=⇒+−=− . Voltando a equação de (r) ou (s) e fazendo y = 4, teremos, x = 3 e z = -1. Portanto, a interseção de (r) com (s) é o ponto P(3,4,-1). Exemplo (4): Determine os pontos de furos da reta 4z 4 4y 3 x :)r( −= − = − . Solução: Pontos de furo de uma reta, são os pontos P1, P2 e P3, interseção da reta com os planos coordenados yz, xz e xy, respectivamente. Para determinar o ponto onde a reta "fura" o plano yz, basta fazer a coordenada x = 0 na equação da reta e determinar as outras coordenadas y e z. Analogamente para y = 0 e z = 0, para determinar os pontos de furo sobre os planos xz e xy. Assim:       ⇒ =⇒=− =⇒= − ⇒= )4,4,0(P 4z 3 0 4z 4y 3 0 4 4y 0x 1 )3,0,3(P 3z 4 40 4z 3x 4 40 3 x 0y 2⇒       =⇒ − =− =⇒ − = −⇒= )0,12,12(P 12y40 4 4y 12x40 3 x 0z 3 −⇒       −=⇒−= − =⇒−= −⇒= Vamos representar estes pontos no ℜ3 e também a reta (r). Exemplo (5): Determine a equação da reta (s) que é perpendicular à reta )1,1,3(t)0,0,2(X:)r( −+= e passa pelo ponto M(2,1,-1). (r) P3 P2 P1 y z 4 4 3 3 -12 12 x
  • 9. 57 Solução: Vamos determinar o ponto Q(x,y,z) que a interseção das retas (r) e (s) e escrever a equação da (s) que passa pelos pontos M e Q da seguinte forma QMtMX:)s( ⋅+= . Pela figura podemos notar que o vetor QA é paralelo ao vetor v , e ortogonal ao vetor QM. Então: ⇒⋅α=⇒ vQAv//QA )1,1,3()z,y,x2( −⋅α=−−− ⇒ Q:      α=⇒α−=− α−=⇒α=− +α−=⇒α=− zz yy 23x3x2 0vQMvQM =⋅⇒⊥ 08zyx30)1,1,3()z1,y1,x2( =++−−⇒=−⋅−−−− 11 2 08)()23(3 −=α⇒=+α+α−−+α−− Determinando o ponto Q:          −=       −−= +      −⋅−= 11 2 z 11 2 y 2 11 2 3x ⇒       − 11 2 , 11 2 , 11 28 Q . Assim o vetor       −−=      +−−−= 11 9 , 11 9 , 11 6 11 2 1, 11 2 1, 11 28 2QM . Com QMé o vetor diretor da reta (s), podemos tomar qualquer vetor paralelo a ele para ser o vetor diretor da reta (s). Em particular seja )3,3,2(QM 3 11 u −=⋅−= . Portanto a reta (s) será escrita como utMX ⋅+= , ou seja, )3,3,2(t)1,1,2(X:)s( −⋅+−= . Na forma simétrica 3 1z 3 1y 2 2x :)s( + = − − = − . Exercícios Propostos 1) Verificar a posição relativa entre as retas e determinar a interseção quando houver: a) 2 14z 2 1y 2 3x :)s(e 3 1z 2 1y 2x:)r( − + = − − = −+ = − + =− Resp:a) Retas perpendiculares e (r)∩(s)=P(-1,5,-10) b) 3 2z 1y 2 1x :)s(e 3 2z 4 1y 3 2x :)r( − + =−= − −− = + = − Resp:a) Retas reversas e não existe (r)∩(s) Q QM QA v (s) (r) M A
  • 10. 58 2) Determine a equação da reta suporte da altura relativa ao lado BC do triângulo de vértices A(2,2,5), B(3,0,0) e C(0,6,0). Resp: )5,0,0(t)5,2,2(X:)r( += 3) Os pontos médios dos lados de um triângulo são os pontos M(2,1,3), N(5,3,-1) e P(3,-4,0). Determine a equação da reta suporte do lado deste triângulo que contém o ponto M. Resp: X=(2,1,3)+t(2,7,-1) 4) Escreva a equações simétricas da reta que passa pelo ponto A(5,-3,2) e é paralela ao eixo Oz. Resp: t2ze03y5x =−=+=− 5) Determine os valores de k para que as retas sejam coplanares: 2 2z 1 3y k 1x :)r( − = − − = + e 3 1z 2 ky 2x:)s( − = − − =− . Resp: 3 1 kou4k == COMENTÁRIOS IMPORTANTES 1) É muito comum e até natural que se introduza o estudo da reta quando ela é definida primeiramente no ℜ2 . Muitas vezes, a reta é apresentada ao aluno como o gráfico da função linear baxy)x(f +== , sempre representada no ℜ2 (no plano) e não de uma forma geométrica ou vetorial. Os cuidados que se deve tomar, neste capítulo, são: a) Nós estamos trabalhando sempre no ℜ3 (as definições são diferentes quando trabalhamos com o ℜ2 ); b) A reta aqui definida (no ℜ3 ), tem uma definição vetorial e uma interpretação geométrica (não apenas o gráfico da função linear). 2) Quando estamos no ℜ2 a função linear baxy)x(f +== , como a própria representação diz, temos y como função de x, ou seja: )x(fy = . Assim, a equação de uma reta é, por exemplo: 5x2y += . No ℜ3 a função linear é expressa na forma baxy += e dcxz += , tanto y com z são funções de x. Logo, a equação da reta é, por exemplo: 5x2y += e 3xz −= . Note que esta forma de escrever a equação da reta vem da forma simétrica, pois: 5x2y += ⇒ 2 5y x − = e 3xz −= ⇒ 3zx += . Logo 3z 2 5y x += − = . 3) É muito importante o aluno saber destacar da equação simétrica da reta o seu ponto e seu vetor diretor. Portanto, olhe o exemplo (1) e pratique um pouco. 4) Atenção às posições relativas entre retas. É muito comum o aluno afirmar que as retas são ortogonais (pertencem a planos diferentes) e achar a interseção. Ora, como isso é possível? Na verdade não é possível. 5) Outro erro muito comum é dizer que as retas são perpendiculares ou concorrentes e não são coplanares. Ora, isso não é possível. Reveja estes conceitos novamente e pense antes de afirmar alguma coisa.
  • 11. 59 6) Deve-se notar que uma reta é constituída de pontos. Como estamos introduzindo os conceitos vetoriais para definirmos e trabalhamos com as retas, é muito comum, quando utilizamos as equações da reta, confundir o que são pontos da reta e o que são vetores paralelos ou contidos na reta. Por exemplo: Considere a reta de equação simétrica (r): 3 z 1 3y 2 1x = − + = − . Como é comum representar um vetor expressando somente suas coordenadas por )z,y,x(v = , isso pode causar confusão com as coordenadas x, y e z dos pontos da reta, ou seja, as coordenadas x, y e z que aparecem na equação simétrica (bem como nas outras equações) 3 z 1 3y 2 1x = − + = − , são as coordenadas dos pontos da reta e não de um vetor paralelo ou contido nela. Um vetor só será paralelo ou estará contido na reta se for múltiplo (ou seja, paralelo) ao vetor diretor da reta. No entanto, para que um ponto pertença à reta é necessário que ele satisfaça a equação da reta. Note que o ponto )r()3,4,3(P ∈− , pois: 3 3 1 34 2 13 = − +− = − ⇒ 111 == , mas o vetor )3,4,3(v −= não é paralelo à reta, pois o vetor diretor da reta é )3,1,2(u −= que não é múltiplo do vetor )3,4,3(v −= . Já o vetor )6,2,4(w −= é paralelo à reta, pois é múltiplo do vetor diretor, ou seja, u2w ⋅= , mas o ponto de coordenadas )r()6,2,4(Q ∉− , pois: 3 6 1 32 2 14 = − +− = − ⇒ 21 2 3 ≠−≠ .