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Vetores

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2.1 Combinação linear

Dados vetores u→1, u→2, …, u→n e números reais c1, c2, …, cn, com n inteiro positivo, chamamos de

u→=c1⁢u→1+c2⁢u→2+⋯+cn⁢u→n (2.1)

uma combinação linear de u→1, u→2, …, u→n. Neste caso, também dizemos que u→ é gerado pelos vetores u→1, u→2, …, u→n ou, equivalentemente, que esses vetores geram o vetor u→.

Exemplo 2.1.1.

Sejam dados os vetores u→, v→, w→ e z→. Então, temos:

  1. a)

    u→1=12⁢v→+2⁢z→ é uma combinação linear dos vetores v→ e z→.

  2. b)

    u→2=u→−2⁢z→ é outra combinação linear dos vetores u→ e z→.

  3. c)

    u→3=2⁢u→−w→+π⁢z→ é uma combinação linear dos vetores u→, w→ e z→.

  4. d)

    u→4=32⁢z→ é uma combinação linear do vetor z→.

2.1.1 Interpretação geométrica

Combinação linear e vetores paralelos

Se u→ é uma combinação linear não nula de v→ apenas, então u→ é paralelo a v→. De fato, se

u→=α⁢v→, (2.2)

com α≠0, então, pela definição da multiplicação por escalar, u→ tem a mesma direção de v→. Em outras palavras, temos a seguinte proposição. Consultemos a Figura 2.1.

Refer to caption
Figura 2.1: Combinação linear de vetores paralelos.
Proposição 2.1.1.(Combinação de vetores paralelos)

Se u→,v→ são vetores não nulos tais que

α⁢u→+β⁢v→=0→, (2.3)

com escalares α,β não simultaneamente nulos, então u→∥v→.

Demonstração.

Sem perda de generalidade, vamos assumir que α≠0. Assim, temos que

u→=−βα⁢v→, (2.4)

o que mostra que u→ tem a mesma direção de v→. ∎

Observação 2.1.1.(Vetores paralelos têm combinação não trivial)

A recíproca da Proposição 2.1.1 é válida, isto é, se u→∥v→ e ambos são não nulos, então existem escalares α,β não simultaneamente nulos tais que

α⁢u→+β⁢v→=0→. (2.5)

Para a demonstração, consultemos o E.2.1.8.

Combinação linear e vetores coplanares

Se w→ é uma combinação linear não nula de u→ e v→, então w→ é coplanar a esses vetores. De fato, temos

w→=α⁢u→+β⁢v→, (2.6)

com escalares α,β. Se pelo menos um dos u→, v→, α ou β é nulo, então u→, v→ e w→ são coplanares. Caso todos sejam não nulos, os vetores α⁢u→=O⁢A→ e β⁢v→=O⁢C→ determinam um plano γ e um paralelogramo O⁢A⁢B⁢C∈γ. Segue que

w→=α⁢u→+β⁢v→ (2.7)
=O⁢A→+O⁢C→ (2.8)
=O⁢B→∈γ. (2.9)

Concluímos que u→, v→ e w→ são coplanares.

Refer to caption
Figura 2.2: Combinação linear de um vetor.
Proposição 2.1.2.(Combinação de vetores coplanares)

Vetores não nulos u→, v→ e w→ admitem uma combinação linear não trivial se, e somente se, são coplanares.

Demonstração.

Consultemos o E.2.1.9. ∎

2.1.2 Exercícios resolvidos

ER 2.1.1.

Com base na Figura 2.3, escreva o vetor u→ como combinação linear dos vetores i→ e j→.

Refer to caption
Figura 2.3: Vetor u→ como combinação linear de i→ e j→.
Resolução.

Para escrever o vetor u→ como combinação linear dos vetores i→ e j→, devemos determinar números c1 e c2 tais que

u→=c1⁢i→+c2⁢j→. (2.10)

Com base na Figura 2.3, podemos tomar c1=3 e c2=2. Assim, temos

u→=3⁢i→+2⁢j→. (2.11)
ER 2.1.2.

Sabendo que u→=2⁢v→, forneça três maneiras de escrever o vetor nulo 0→ como combinação linear dos vetores u→ e v→.

Resolução.

Dado que

u→=2⁢v→ (2.12)

podemos escrever 0→ como combinação linear de u→ e v→ das seguintes formas:

  1. a)

    subtraindo u→.

    u→−u→=2⁢v→−u→ (2.13)
    0→=2⁢v→−u→ (2.14)
  2. b)

    subtraindo 2⁢v→.

    u→−2⁢v→=2⁢v→−2⁢v→ (2.15)
    u→−2⁢v→=0→ (2.16)
    0→=u→−2⁢v→ (2.17)
  3. c)

    multiplicando por 1/2 e subtraindo −(1/2)⁢u→.

    12⁢u→=12⋅2⁢v→ (2.18)
    12⁢u→−12⁢u→=v→−12⁢u→ (2.19)
    0→=v→−12⁢u→ (2.20)

2.1.3 Exercícios

E. 2.1.1.

Com base na figura abaixo, escreva cada um dos seguintes vetores como combinação linear de i→ e j→.

[Uncaptioned image]
  1. a)

    u→

  2. b)

    v→

  3. c)

    w→

  4. d)

    x→


a) u→=2⁢i→+3⁢j→. b) v→=−2⁢i→+2⁢j→. c) w→=−2⁢i→−j→. d) x→=3⁢i→−j→.

E. 2.1.2.

Com base na figura abaixo, escreva os seguintes vetores como combinação linear de x→ e y→.

[Uncaptioned image]
  1. a)

    u→

  2. b)

    v→

  3. c)

    w→

  4. d)

    z→


a) u→=−2⁢x→+32⁢y→. b) v→=2⁢x→+y→. c) w→=2⁢x→−12⁢y→. d) z→=−3⁢x→−12⁢y→.

E. 2.1.3.

Sabendo que u→=3⁢w→+v→, escreva w→ como combinação linear de u→ e v→.


w→=13⁢u→−13⁢v→

E. 2.1.4.

Sejam u→ e v→ vetores de mesma direção e w→ um vetor não paralelo a u→, todos não nulos. Pode-se escrever w→ como combinação linear de u→ e v→? Justifique sua resposta.


Não.

E. 2.1.5.

Sejam u→ e v→ ambos não nulos e de mesma direção. Pode-se afirmar que u→ gera v→? Justifique sua resposta.


Sim.

E. 2.1.6.

Sejam u→ e v→ vetores não paralelos entre si e w→ um vetor não coplanar a u→ e v→, todos não nulos. É possível gerar w→ com u→ e v→?


Não.

E. 2.1.7.

Sejam u→ e v→ não nulos, coplanares e com direções distintas. Se w→ é um vetor também coplanar a u→ e v→, então u→ e v→ geram w→? Justifique sua resposta.


Sim.

E. 2.1.8.

Mostre que se u→,v→ são vetores não nulos e paralelos entre si, então existem escalares α,β não simultaneamente nulos tais que

α⁢u→+β⁢v→=0→. (2.21)

Sem perda de generalidade, existe γ≠0 tal que u→=γ⁢v→. Logo, escolhendo α=1 e β=−γ, temos que α⁢u→+β⁢v→=0→.

E. 2.1.9.

Faça a demonstração da Proposição 2.1.2.


Implicação. Sem perda de generalidade, assumimos que γ≠0, logo

w→=−αγ⁢u→−βγ⁢v→, (2.22)

o que mostra que w→ é coplanar aos vetores u→ e v→.

Recíproca. Se dois dos vetores forem paralelos entre si, o resultado segue da Proposição 2.1.1. Caso contrário, sejam u→=O⁢A→ e r a reta paralela a v→ que passa por A. Seja, então, P a interseção entre r e a reta suporte de w→ que passa por O. Logo, existem γ,β tal que γ⁢w→=O⁢P→ e β⁢v→=A⁢P→. Segue que u→+β⁢v→=γ⁢w→.


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Pedro H A Konzen
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