| | | |

Vetores

Ajude a manter o site livre, gratuito e sem propagandas. Colabore!

3.2 Ângulo entre vetores

O ângulo formado entre dois vetores u→ e v→ não nulos é definido como o menor ângulo determinado entre quaisquer representações u→=O⁢A→ e v→=O⁢B→.

Refer to caption
Figura 3.1: Ângulo entre dois vetores.

3.2.1 Produto escalar e ângulo entre vetores

A seguinte Proposição 3.2.1 estabelece a relação entre o produto escalar e o ângulo formado entre dois vetores. Essa relação é fundamental para classificar e determinar o ângulo entre vetores.

Proposição 3.2.1.(Produto escalar e ângulo)

Dados u→ e v→, temos

u→⋅v→=‖u→‖⁢‖v→‖⁢cos⁡α, (3.74)

onde α é o ângulo entre os vetores u→ e v→.

Demonstração.

Tomamos as representações u→=O⁢A→ e v→=O⁢B→. Observamos que u→−v→=B⁢A→. Então, aplicando a lei dos cossenos no triângulo △⁢O⁢A⁢B, obtemos

|B⁢A→|2=|O⁢A→|2+|O⁢B→|2−2⁢|O⁢A→|⁢|O⁢B→|⁢cos⁡α, (3.75)

ou, equivalentemente,

‖u→−v→‖2=‖u→‖2+‖v→‖2−2⁢‖u→‖⁢‖v→‖⁢cos⁡α (3.76)
(u→−v→)⋅(u→−v→)=‖u→‖2+‖v→‖2−2⁢‖u→‖⁢‖v→‖⁢cos⁡α (3.77)
u→⋅u→−2⁢u→⋅v→+v→⋅v→=‖u→‖2+‖v→‖2−2⁢‖u→‖⁢‖v→‖⁢cos⁡α (3.78)
‖u→‖2+‖v→‖2−2⁢u→⋅v→=‖u→‖2+‖v→‖2−2⁢‖u→‖⁢‖v→‖⁢cos⁡α (3.79)

donde

u→⋅v→=‖u→‖⁢‖v→‖⁢cos⁡α. (3.80)

∎

Exemplo 3.2.1.

Vamos determinar o ângulo entre os vetores u→=(32,12⁢,0) e v→=(12,32⁢,0). Da Proposição 3.2.1, temos

cos⁡α=u→⋅v→‖u→‖⋅‖v→‖ (3.81)
cos⁡α=32⁢12+12⁢32(32)2+(12)2+02⋅(12)2+(32)2+02 (3.82)
cos⁡α=321⋅1=32. (3.83)

Portanto, temos α=π/6.

Classificação do ângulo entre vetores

O ângulo entre dois vetores u→ e v→ é:

  • •

    agudo se, e somente se, u→⋅v→>0;

  • •

    obtuso se, e somente se, u→⋅v→<0.

De fato, de (3.74), temos que o sinal de u→⋅v→ é igual ao sinal de cos⁡α (o cosseno do ângulo entre os vetores). Também, por definição, 0≤α≤π. Logo, se cos⁡α>0, então 0<α<π/2 (ângulo agudo) e, se cos⁡α<0, então π/2<α<π (ângulo obtuso).

Se u→,v→≠0→, então u→ é ortogonal a v→ (u→⟂v→) quando u→⋅v→=0. De fato, seja α o ângulo entre u→ e v→. Se u→⟂v→, então α=π/2 e

u→⋅v→=‖u→‖⁢‖v→‖⁢cos⁡α (3.84)
=∥u→∥∥v→∥cos(π2) (3.85)
=∥u→∥⋅∥v→∥⋅0=0. (3.86)

Reciprocamente, se u→⋅v→=0, então

cos⁡α=u→⋅v→‖u→‖⁢‖v→‖ (3.87)
=0‖u→‖⁢‖v→‖=0. (3.88)

Lembrando que 0≤α≤π, segue que α=π/2, i.e. u→⟂v→.

Exemplo 3.2.2.

Os vetores i→=(1,0,0) e u→=(0,1,1) são ortogonais. De fato, temos

i→⋅u→=1⋅0+0⋅1+0⋅1 (3.89)
=0. (3.90)

Ângulos diretores

Dado um vetor u→=(u1,u2,u3), os ângulos diretores de u→ são os ângulos α, β e γ formados entre u→ e os vetores da base ortonormal B=(i→,j→,k→). Por definição, temos

cos⁡α=u→⋅i→‖u→‖⁢‖i→‖=u1u12+u22+u32, (3.91)
cos⁡β=u→⋅j→‖u→‖⁢‖j→‖=u2u12+u22+u32, (3.92)
cos⁡γ=u→⋅k→‖u→‖⁢‖k→‖=u3u12+u22+u32, (3.93)

que, por sua vez, são chamados de cossenos diretores de u→. Consultemos a Figura 3.2 para uma representação geométrica dos ângulos diretores.

Refer to caption
Figura 3.2: Ângulos diretores de um vetor.
Exemplo 3.2.3.

Vamos determinar os ângulos diretores do vetor u→=(1,1,0). Temos

cos⁡α=112+12+02=12, (3.94)
cos⁡β=112+12+02=12, (3.95)
cos⁡γ=012+12+02=0. (3.96)

Portanto, temos α=β=π/4 e γ=π/2.

3.2.2 Desigualdade triangular

Dados dois vetores u→ e v→ temos

‖u→+v→‖≤‖u→‖+‖v→‖, (3.97)

esta é conhecida como a desigualdade triangular. Para demonstrá-la, começamos observando que

‖u→+v→‖2=(u→+v→)⋅(u→+v→) (3.98)
=u→⋅u→+u→⋅v→+v→⋅u→+v→⋅v→ (3.99)
=∥u→∥2+∥v→∥2+2u→⋅v→. (3.100)

Agora, vamos estimar u→⋅v→. Pela Proposição 3.2.1, temos

u→⋅v→=‖u→‖⁢‖v→‖⁢cos⁡α, (3.101)

onde α é o ângulo entre u→ e v→. Mas, então:

u→⋅v→≤‖u→‖⁢‖v→‖⁢|cos⁡α|. (3.102)

Daí, como |cos⁡α|≤1, temos

u→⋅v→≤‖u→‖⁢‖v→‖, (3.103)

a qual é chamada de desigualdade de Cauchy222Augustin-Louis Cauchy, 1789-1857, matemático francês. Fonte: Wikipédia: Augustin-Louis Cauchy.-Schwarz333Karl Hermann Amandus Schwarz, 1843-1921, matemático alemão. Fonte: Wikipédia: Hermann Amandus Schwarz.. Portanto, temos

‖u→+v→‖2=‖u→‖2+‖v→‖2+2⁢u→⋅v→ (3.104)
≤∥u→∥2+∥v→∥2+2∥u→∥∥v→∥ (3.105)
=(∥u→∥+∥v→∥)2. (3.106)

Tomando a raiz quadrada de ambos os lados, obtemos o que queríamos demonstrar.

3.2.3 Exercícios resolvidos

ER 3.2.1.

Sejam u→=(x,−1,2) e v→=(2,x,−3). Determine x tal que

u→⋅v→=12. (3.107)
Resolução.

Da definição do produto escalar, temos

u→⋅v→=u1⁢v1+u2⁢v2+u3⁢v3 (3.108)
12=2⁢x−x−6 (3.109)
x−6=12 (3.110)
x=12+6=132. (3.111)
ER 3.2.2.

Determine x tal que u→=(−1,0,x) seja ortogonal a v→=(1,2,−1).

Resolução.

Para que u→⟂v→ devemos ter

u→⋅v→=0 (3.112)
−1+0−x=0 (3.113)
x=−1. (3.114)

3.2.4 Exercícios

E. 3.2.1.

Determine o ângulo entre os vetores u→=(1,0,1) e v→=(0,0,2).


π/4

E. 3.2.2.

Seja v→=(1,2,−1). Determine a norma do vetor u→ de mesma direção de v→ e tal que u→⋅v→=2.


63

E. 3.2.3.

Se u→ e v→ são vetores unitários e u→⋅v→=1, então u→ e v→ têm a mesma direção e o mesmo sentido? Justifique sua resposta.


Sim.

E. 3.2.4.

Se u→ e v→ são vetores tais que u→⋅v→=−1, então u→ e v→ têm a mesma direção e sentidos opostos? Justifique sua resposta.


Não necessariamente.

E. 3.2.5.

Encontre o vetor x→ ortogonal a u→=(1,−2,0) e v→=(2,−1,1) tal que x→⋅(0,−1,2)=1.


x→=(−2/7,−1/7,3/7)


Envie seu comentário

Aproveito para agradecer a todas/os que de forma assídua ou esporádica contribuem enviando correções, sugestões e críticas!

Opcional. Preencha seu nome para que eu possa lhe contatar.
Opcional. Preencha seu e-mail para que eu possa lhe contatar.
As informações preenchidas são enviadas por e-mail para o desenvolvedor do site e tratadas de forma privada. Consulte a política de uso de dados para mais informações.

Licença Creative Commons
Este texto é disponibilizado nos termos da Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional. Ícones e elementos gráficos podem estar sujeitos a condições adicionais.

Pedro H A Konzen
| | | |