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3.6 Produto Misto

Em revisão

O produto misto de três vetores u, v e w, nesta ordem, é definido por

[u,v,w]:=u×vw. (3.278)

Em coordenadas, temos

[u,v,w]:=(u×v)w (3.279)
=|ijku1u2u3v1v2v3|w (3.280)
=(|u2u3v2v3|i|u1u3v1v3|j+|u1u2v1v2|k)(w1,w2,w3) (3.281)
=|u2u3v2v3|w1|u1u3v1v3|w2+|u1u2v1v2|w3 (3.282)
=|w1w2w3u1u2u3v1v2v3| (3.283)
=|u1u2u3v1v2v3w1w2w3| (3.284)

Ou seja, temos

[u,v,w]=|u1u2u3v1v2v3w1w2w3| (3.285)
Exemplo 3.6.1.

Dados os vetores u=(1,1,0), v=(1,0,2) e w=(1,1,1), temos

[u,v,w] =|u1u2u3v1v2v3w1w2w3| (3.286)
=|110102111| (3.287)
=1 (3.288)

3.6.1 Interpretação Geométrica

Seja (u,v,w) uma sequência de vetores l.i. e com orientação positiva. Assumindo as representações u=AB, v=AD e w=AH temos a determinação de um paralelepípedo (consulte a Figura 3.5).

Refer to caption
Figura 3.5: Interpretação geométrica do produto misto.

A base do paralelepípedo é o paralelogramo ABCD de área u×v. Assim sendo, o volume do paralelepípedo é

V=u×vh, (3.289)

onde h é a altura do prisma. Por sua vez,

h =proju×vw (3.290)
=w(u×v)u×v2u×v (3.291)
=|w(u×v)|u×v2u×v (3.292)
=|w(u×v)|u×v (3.293)

Logo, retornando a (3.289), obtemos

V =u×vh (3.294)
=u×v|w(u×v)|u×v (3.295)
=|w(u×v)| (3.296)
=|u×vw|. (3.297)

Ou seja, o volume do paralelepípedo formado pelos vetores u, v e w é igual a norma do produto misto destes vetores, i.e.

V=|[u,v,w]|. (3.298)
Exemplo 3.6.2.

Vamos calcular o volume do paralelepípedo determinado pelos vetores u=(1,1,0), v=(1,2,0) e w=(0,1,1). De (3.298), temos

V=|[u,v,w]| (3.299)
=||110120011|| (3.300)
=|3|=3. (3.301)

3.6.2 Propriedades

Valem as seguintes propriedades:

  1. a)

    [u,v,w]=[v,u,w]

    Demonstração. De fato, quando permutamos duas linhas em uma matriz, seu determinante troca de sinal.

  2. b)

    [u,v,w]=[u,w,v]

    Demonstração. Mesmo argumento da letra a).

  3. c)

    [u,v,w]=[w,u,v]=[v,w,u]

    Demonstração. De fato, cada caso acima corresponde a duas consecutivas permutações de linha na matriz associada ao produto misto.

  4. d)

    [u,v,w]=u×vw=uv×w

    Demonstração. Isto segue de c), i.e.

    [u,v,w] =[v,w,u] (3.302)
    u×vw =v×wu (3.303)
    =uv×w. (3.304)
  5. e)

    [αu,v,w]=[u,αv,w]=[u,v,αw]=α[u,v,w]

    Determinação. De fato, ao multiplicarmos uma linha de uma matriz por um escalar α, seu determinante fica multiplicado por α.

  6. f)

    [u+z,v,w]=[u,v,w]+[z,v,w]

    Determinante. Também segue da propriedade análoga do determinante de matrizes.

Exemplo 3.6.3.

Sabendo que [u,2w,v]=2, vamos calcular [u,v,w]. Do item e) acima, temos

2 =[u,2w,v] (3.305)
=2[u,w,v], (3.306)

donde

[u,w,v]=1. (3.307)

Agora, do item b), temos

[u,w,v]=[u,v,w]. (3.308)

Ou seja, concluímos que [u,v,w]=1.

Também, temos as seguinte propriedades envolvendo o produto misto:

  1. a)

    Se [u,v,w]=0, então (u,v,w) não é base.

    Demonstração. Seja [u,v,w]=0, i.e. u×vw=0. No caso de um dos vetores serem nulos, então (u,v,w) não é base. Suponhamos, então, que u, v e w são vetores não nulos. Isso implica que u×v=0 ou (u×v)w. No primeiro caso, u e v são l.d. e, portanto, (u,v,w) não é base. No segundo caso, (u×v)w, temos que w é coplanar aos vetores u e v, logo (u,v,w) não é base.

  2. b)

    Se [u,v,w]>0, então (u,v,w) é uma base positiva.

    Demonstração. Se [u,v,w]>0, implica que o ângulo entre u×v e w é agudo, o que garante que (u,v,w) seja uma base positiva.

  3. c)

    Se [u,v,w]<0, então (u,v,w) é uma base negativa.

    Demonstração. Se [u,v,w]<0, implica que o ângulo entre u×v e w é obtuso, o que garante que (u,v,w) seja uma base negativa.

3.6.3 Exercícios Resolvidos

ER 3.6.1.

Calcule a área do paralelogramo determinado pelos vetores v=(1,0,2), w=(1,2,1) e u=(0,2,1).

Solução 0.

Da Subseção 3.6.1, temos que o volume do paralelogramo é

V=|[u,v,w]|, (3.309)

não importando a ordem dos vetores1919endnote: 19A ordem dos vetores não altera o módulo do valor do produto misto.. Assim sendo, temos

V=|[u,v,w]| (3.310)
=||021102121|| (3.311)
=|8|=8. (3.312)
ER 3.6.2.

Sejam u, v e w vetores dados. Verifique a seguinte afirmação:

[u,v+αu+βw,w]=[u,v,w], (3.313)

onde α e β são quaisquer escalares.

Solução 0.

Das propriedades do produto misto2020endnote: 20[u,v+z,w]=[u,v,w]+[u,z,w]., temos

[u,v+αu+βw,w] (3.314)
=[u,v,w]+[u,αu+βw,w]. (3.315)

Agora, observamos que αu+βw é combinação linear de u e v, logo (u,αu+βw,w) é l.d. e, portanto,

[u,αu+βw,w]=0. (3.316)

Concluímos que

[u,v+αu+βw,w]=[u,v,w]. (3.317)

3.6.4 Exercícios

E. 3.6.1.

Calcule [u,v,w] sendo u=(1,0,1), v=(1,3,0) e w=(1,2,1).

Resposta 0.

-2

E. 3.6.2.

Sejam a=(0,0,2), d=(1,1,1) e e=(1,1,1). Calcule [d,a,e].

Resposta 0.

4

E. 3.6.3.

Sendo [u,v,w]=2, calcule [2u,3v,w].

Resposta 0.

12

E. 3.6.4.

Sendo [u,v,w]=2, calcule [2u5w,3v,w].

Resposta 0.

12

E. 3.6.5.

Sejam u=(0,x,2), v=(1,1,1) e w=(1,1,1). Calcule x de forma que [u,v,w]=2.

Resposta 0.

3


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Em coordenadas, temos

[u,v,w]:=(u×v)w (3.279)
=|ijku1u2u3v1v2v3|w (3.280)
=(|u2u3v2v3|i|u1u3v1v3|j+|u1u2v1v2|k)(w1,w2,w3) (3.281)
=|u2u3v2v3|w1|u1u3v1v3|w2+|u1u2v1v2|w3 (3.282)
=|w1w2w3u1u2u3v1v2v3| (3.283)
=|u1u2u3v1v2v3w1w2w3| (3.284)

Ou seja, temos

[u,v,w]=|u1u2u3v1v2v3w1w2w3| (3.285)
Exemplo 3.6.1.

Dados os vetores u=(1,1,0), v=(1,0,2) e w=(1,1,1), temos

[u,v,w] =|u1u2u3v1v2v3w1w2w3| (3.286)
=|110102111| (3.287)
=1 (3.288)

3.6.1 Interpretação Geométrica

Seja (u,v,w) uma sequência de vetores l.i. e com orientação positiva. Assumindo as representações u=AB, v=AD e w=AH temos a determinação de um paralelepípedo (consulte a Figura 3.5).

Refer to caption
Figura 3.5: Interpretação geométrica do produto misto.

A base do paralelepípedo é o paralelogramo ABCD de área u×v. Assim sendo, o volume do paralelepípedo é

V=u×vh, (3.289)

onde h é a altura do prisma. Por sua vez,

h =proju×vw (3.290)
=w(u×v)u×v2u×v (3.291)
=|w(u×v)|u×v2u×v (3.292)
=|w(u×v)|u×v (3.293)

Logo, retornando a (3.289), obtemos

V =u×vh (3.294)
=u×v|w(u×v)|u×v (3.295)
=|w(u×v)| (3.296)
=|u×vw|. (3.297)

Ou seja, o volume do paralelepípedo formado pelos vetores u, v e w é igual a norma do produto misto destes vetores, i.e.

V=|[u,v,w]|. (3.298)
Exemplo 3.6.2.

Vamos calcular o volume do paralelepípedo determinado pelos vetores u=(1,1,0), v=(1,2,0) e w=(0,1,1). De (3.298), temos

V=|[u,v,w]| (3.299)
=||110120011|| (3.300)
=|3|=3. (3.301)

3.6.2 Propriedades

Valem as seguintes propriedades:

  1. a)

    [u,v,w]=[v,u,w]

    Demonstração. De fato, quando permutamos duas linhas em uma matriz, seu determinante troca de sinal.

  2. b)

    [u,v,w]=[u,w,v]

    Demonstração. Mesmo argumento da letra a).

  3. c)

    [u,v,w]=[w,u,v]=[v,w,u]

    Demonstração. De fato, cada caso acima corresponde a duas consecutivas permutações de linha na matriz associada ao produto misto.

  4. d)

    [u,v,w]=u×vw=uv×w

    Demonstração. Isto segue de c), i.e.

    [u,v,w] =[v,w,u] (3.302)
    u×vw =v×wu (3.303)
    =uv×w. (3.304)
  5. e)

    [αu,v,w]=[u,αv,w]=[u,v,αw]=α[u,v,w]

    Determinação. De fato, ao multiplicarmos uma linha de uma matriz por um escalar α, seu determinante fica multiplicado por α.

  6. f)

    [u+z,v,w]=[u,v,w]+[z,v,w]

    Determinante. Também segue da propriedade análoga do determinante de matrizes.

Exemplo 3.6.3.

Sabendo que [u,2w,v]=2, vamos calcular [u,v,w]. Do item e) acima, temos

2 =[u,2w,v] (3.305)
=2[u,w,v], (3.306)

donde

[u,w,v]=1. (3.307)

Agora, do item b), temos

[u,w,v]=[u,v,w]. (3.308)

Ou seja, concluímos que [u,v,w]=1.

Também, temos as seguinte propriedades envolvendo o produto misto:

  1. a)

    Se [u,v,w]=0, então (u,v,w) não é base.

    Demonstração. Seja [u,v,w]=0, i.e. u×vw=0. No caso de um dos vetores serem nulos, então (u,v,w) não é base. Suponhamos, então, que u, v e w são vetores não nulos. Isso implica que u×v=0 ou (u×v)w. No primeiro caso, u e v são l.d. e, portanto, (u,v,w) não é base. No segundo caso, (u×v)w, temos que w é coplanar aos vetores u e v, logo (u,v,w) não é base.

  2. b)

    Se [u,v,w]>0, então (u,v,w) é uma base positiva.

    Demonstração. Se [u,v,w]>0, implica que o ângulo entre u×v e w é agudo, o que garante que (u,v,w) seja uma base positiva.

  3. c)

    Se [u,v,w]<0, então (u,v,w) é uma base negativa.

    Demonstração. Se [u,v,w]<0, implica que o ângulo entre u×v e w é obtuso, o que garante que (u,v,w) seja uma base negativa.

3.6.3 Exercícios Resolvidos

ER 3.6.1.

Calcule a área do paralelogramo determinado pelos vetores v=(1,0,2), w=(1,2,1) e u=(0,2,1).

Solução 0.

Da Subseção 3.6.1, temos que o volume do paralelogramo é

V=|[u,v,w]|, (3.309)

não importando a ordem dos vetores1919endnote: 19A ordem dos vetores não altera o módulo do valor do produto misto.. Assim sendo, temos

V=|[u,v,w]| (3.310)
=||021102121|| (3.311)
=|8|=8. (3.312)
ER 3.6.2.

Sejam u, v e w vetores dados. Verifique a seguinte afirmação:

[u,v+αu+βw,w]=[u,v,w], (3.313)

onde α e β são quaisquer escalares.

Solução 0.

Das propriedades do produto misto2020endnote: 20[u,v+z,w]=[u,v,w]+[u,z,w]., temos

[u,v+αu+βw,w] (3.314)
=[u,v,w]+[u,αu+βw,w]. (3.315)

Agora, observamos que αu+βw é combinação linear de u e v, logo (u,αu+βw,w) é l.d. e, portanto,

[u,αu+βw,w]=0. (3.316)

Concluímos que

[u,v+αu+βw,w]=[u,v,w]. (3.317)

3.6.4 Exercícios

E. 3.6.1.

Calcule [u,v,w] sendo u=(1,0,1), v=(1,3,0) e w=(1,2,1).

Resposta 0.

-2

E. 3.6.2.

Sejam a=(0,0,2), d=(1,1,1) e e=(1,1,1). Calcule [d,a,e].

Resposta 0.

4

E. 3.6.3.

Sendo [u,v,w]=2, calcule [2u,3v,w].

Resposta 0.

12

E. 3.6.4.

Sendo [u,v,w]=2, calcule [2u5w,3v,w].

Resposta 0.

12

E. 3.6.5.

Sejam u=(0,x,2), v=(1,1,1) e w=(1,1,1). Calcule x de forma que [u,v,w]=2.

Resposta 0.

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Pedro H A Konzen
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