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3.4 Produto Vetorial

Em revisão

De agora em diante, vamos trabalhar com um base ortonormal B=(i,j,k) dita com orientação positiva, i.e. os vetores i=OI, j=OJ e k=OK estão dispostos em sentido anti-horário, veja Figura 3.3.

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Figura 3.3: Base ortonormal com orientação positiva.

Dados vetores u e v, definimos o produto vetorial de u com v, por

u×v=uvsen(α)n, (3.136)

onde θ é ângulo entre u e v, e n é o vetor unitário ortogonal ao plano determinado por u e v, e com sentido tal que (u,v,n) tem orientação positiva.

Em outras palavras, temos que:

  • se u e v são l.d., então u×v=0.

  • se u e v são l.i., então

    • a)

      u×v=uvsenα, onde α é o ângulo entre u e v,

    • b)

      u×v é ortogonal a u e v, e

    • c)

      u, v e u×v formam uma base positiva.

3.4.1 Interpretação Geométrica

Sejam dados u e v l.i.. Estes vetores determinam um paralelogramo (consulte Figura 3.4 (esquerda)). Seja, então, h a altura deste paralelogramo tendo u como sua base. Logo, a área do paralelogramo é o produto do comprimento da base com sua altura, neste caso

uh =uvsen(α) (3.137)
=u×v. (3.138)

Ou seja, o produto vetorial u×v tem norma igual à área do paralelogramo determinado por u e v.

Ainda, por definição, u×v é ortogonal a u e v. Isto nos dá a direção de u×v. O sentido é, então, determinado pela definição de que (u,v,u×v) tem orientação positiva. Consulte a Figura 3.4 (direita).

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Figura 3.4: Interpretação geométrica do produto vetorial.

3.4.2 Vetores Canônicos

Vamos ver alguns resultados fundamentais envolvendo o produto vetorial de vetores da base canônica.

  • i×i=j×j=k×k=0

    Segue, imediatamente, da definição de que é nulo o produto vetorial de vetores l.i..

  • i×j=k,  j×k=i,  k×i=j

    No primeiro caso, temos

    i×j :=ijsen(α)n (3.139)
    =11sen(π2)k (3.140)
    =k. (3.141)

    Análogo para os outros casos. Consulte o E.3.4.1.

  • j×i=k,  k×j=i,  i×k=j

    No primeiro, temos

    j×i :=jisen(θ)n (3.142)
    =11sen(π2)(k) (3.143)
    =k. (3.144)

    Análogo para os outros casos. Consulte o E.3.4.3.

Distributividade

A propriedade de distributividade do produto vetorial com vetores da base canônica também pode ser mostrada. Por exemplo, é verdade que

i×(j+k)=i×j+i×k. (3.145)

De fato, assumindo n o vetor normal unitário aos vetores i e j+k, temos

i×(j+k) :=ij+ksen(π2)n (3.146)
=121n=2n. (3.147)

Por outro lado, temos

i×j+i×k=kj (3.148)

Seria, então,

n=?22k22j (3.149)

De fato, enquanto a positividade de (i,j+k,n) e a norma unitária n=1 são diretas, a ortogonalidade pode ser mostrada do produto interno

in =i(22k22j) (3.150)
=22ik22ij (3.151)
=0+0=0 (3.152)

o que mostra que in. Bem como, temos

(j+k)n =(j+k)(22k22j) (3.153)
=22(jkjj+kkkj) (3.154)
=22(01+10)=0, (3.155)

donde concluímos que (j+k)n. Isso mostra que

n=22k22j (3.156)

e, portanto, de (3.147)

i×(j+k) =2n (3.157)
=2(22k22j) (3.158)
=kj (3.159)
=i×j+i×k. (3.160)
Proposição 3.4.1.

(Distributividade para Vetores Canônicos.) Se u, v e w são vetores da base canônica1616endnote: 16i, j ou k., então vale a distributividade do produto vetorial

u×(v+w)=u×v+u×w. (3.161)
Demonstração.

Consulte o E.3.4.5. ∎

3.4.3 Associatividade por Escalar

Uma das propriedades fundamentais do produto vetorial é a associatividade com a multiplicação por escalar

(αu)×v=αu×v. (3.162)

Para mostrarmos isso, vamos precisar do seguinte resultado.

Mudança do Sentido

No produto vetores u×v, ao mudarmos o sentido de apenas um dos vetores, obtemos a seguinte relação

(u)×v=(u×v)=u×(v). (3.163)

De fato, assumindo que o ângulo θ e o vetor unitário n são tais que

u×v=uvsen(θ)n, (3.164)

temos

(u)×v =uvsen(θ)(n) (3.165)
=|1|uvsen(θ)(n) (3.166)
=uvsen(θ)n. (3.167)

E, de forma análoga, segue que u×(v)=u×v (consulte o E.3.4.11).

Associatividade com Multiplicação por Escalar

Agora, temos tudo para mostrar a associatividade

(αu)×v=α(u×v). (3.168)

De fato, assumindo α>0, o ângulo θ e o vetor normal unitário n tais que

u×v=uvsen(θ)n, (3.169)

temos que1717endnote: 17Observamos que u também é vetor normal unitário aos vetores αu e v.

(αu)×v =αuvsen(θ)n (3.170)
=|α|uvsen(θ)n (3.171)
=αuvsen(θ)n (3.172)
=α(u×v). (3.173)

No caso de α<0, o resultado da propriedade da mudança do sentido (3.163), i.e.

(αu)×v =(αu)×v (3.174)
=(α)(u×v) (3.175)
=α(u×v). (3.176)

Por raciocínio análogo, segue também que

u×(αv)=α(u×v) (3.177)

para qualquer escalar α (consulte o E.3.4.12).

3.4.4 Produto Vetorial por Coordenadas

Usando as propriedades que estudamos até aqui, vamos mostrar que dados u=(u1,u2,u3) e v=(v1,v2,v3) em uma base ortonormal positiva, então

u×v=|u2u3v2v3|i|u1u3v1v3|j+|u1u2v1v2|k (3.178)

ou, mnemonicamente,

u×v=|ijku1u2u3v1v2v3|. (3.179)

De fato, das propriedades da distributividade e da associatividade estudadas, temos

u×v =(u1i+u2j+u3k) (3.180)
×(v1i+v2j+v3k) (3.181)
=(u2v3u3v2)i (3.182)
+(u3v1u1v3)j (3.183)
+(u1v2u2v1)k (3.184)
=|u2u3v2v3|i (3.187)
|u1u3v1v3|j (3.190)
+|u1u2v1v2|k. (3.193)

Temos, portanto, mostrado (3.179).

Exemplo 3.4.1.

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

u×v =|ijku1u2u3v1v2v3| (3.197)
=|ijk121021| (3.201)
=0i+j+2k (3.202)
=(0,1,2). (3.203)

3.4.5 Exercícios Resolvidos

ER 3.4.1.

Calcule x tal que (0,2,1)×x=(3,1,2).

Solução.

Denotando x=(x1,x2,x3), temos

(0,2,1)×x=(3,1,2) (3.204)
|ijk021x1x2x3|=(3,1,2) (3.208)
(x2+2x3)ix1j2x1k= (3.209)
3ij2k (3.210)

Segue que

x2+2x3 =3
x1 =1
2x1 =2

Logo, x1=1, x2=32x3 e x3 é arbitrário. Concluímos que x=(1,32x3,x3) com x3.

ER 3.4.2.

Determine a área do paralelogramo determinado pelos vetores u=(1,2,3) e v=(1,2,1).

Solução.

Tomando representações u=OA e v=OC, temos que u e v determinam um paralelogramo OABC, onde B é tal que u+v=OB1818endnote: 18Consulte a regra do paralelogramo na Subseção 1.3.3.. Da definição do produto vetorial, temos que

u×v=uvsenθ, (3.211)

o que é igual a área do paralelogramo OABC, onde θ é o ângulo entre os vetores u e v. Logo, a área do paralelogramo é

u×v=||ijk123121|| (3.215)
u×v=(8,4,0) (3.216)
u×v=45. (3.217)

3.4.6 Exercícios

E. 3.4.1.

A partir da definição do produto vetorial (3.136), calcule

  1. a)

    i×j

  2. b)

    j×k

  3. c)

    k×i

Resposta.

a) k; b) i; c) j

E. 3.4.2.

Repita o E.3.4.1, calculando cada item a partir do cálculo do produto vetorial por coordenadas (3.179).

Resposta.

a) k; b) i; c) j

E. 3.4.3.

A partir da definição do produto vetorial (3.136), calcule

  1. a)

    j×i

  2. b)

    k×j

  3. c)

    i×k

Resposta.

a) k; b) i; c) j

E. 3.4.4.

Repita o E.3.4.3, calculando cada item a partir do cálculo do produto vetorial por coordenadas (3.179).

Resposta.

a) k; b) i; c) j

E. 3.4.5.

A partir da definição do produto vetorial (3.136), mostre que

  1. a)

    i×(i+j)=k

  2. b)

    j×(j+k)=i

  3. c)

    j×(i+k)=k+i

  4. d)

    k×(i+j)=ji

  5. e)

    k×(i+k)=j

  6. f)

    k×(j+k)=i

Resposta.

Dica: consulte a demonstração da (3.145).

E. 3.4.6.

Sejam u=(2,3,1) e v=(1,2,1). Calcule:

  1. a)

    u×v.

  2. b)

    v×u.

  3. c)

    v×(2u).

Resposta.

a) (5,3,1); b) (5,3,1); c) (10,6,2)

E. 3.4.7.

Sejam u e v tais que u×v=(2,1,0). Forneça v×u. Justifique sua resposta.

Resposta.

(2,1,0)

E. 3.4.8.

Seja u um vetor qualquer. Calcule u×u.

Resposta.

0

E. 3.4.9.

Sejam u e v tais que (2u)×v=(2,1,0). Forneça v×u. Justifique sua resposta.

Resposta.

(1,1/2,0)

E. 3.4.10.

Calcule x tal que x×(2,2,3)=(11,8,2).

Resposta.

(23x383,23x3+113,x3),x3

E. 3.4.11.

A partir da definição de produto vetorial (3.136), mostre que

u×(v)=u×v. (3.218)
Resposta.

Dica: estude a Subseção 3.4.3.

E. 3.4.12.

Mostre que vale a seguinte associatividade com multiplicação por escalar

u×(αv)=α(u×v), (3.219)

para quaisquer vetores u, v e escalar α.

Resposta.

Dica: estude a Subseção 3.4.3.


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