Pular para o conteúdo

T.10 · Geometria vetorial, projeções e área orientada

GRE Subject Test · GRE Mathematics · Tópico 24

Ver Slides Treinar
24

Escopo e pré-requisitos

Preparação de graduação para o GRE. Objetivos locais dentro do escopo revisado do ETS; este é ensino original, não um teste oficial ou preditor de nota.

Pré-requisitos: Vetores coordenados, produtos escalar/cross e normas.

  • Use produtos escalares para classificar ângulos e calcular projeções
  • Calcule área e orientação de triângulos usando produto cruzado
  • Construa ou refute configurações de sinal de produto escalar planar

ortogonal: Possuir produto escalar nulo em um espaço de produto interno real.

produto cruzado: Um vetor perpendicular orientado em três dimensões cuja magnitude corresponde à área do paralelogramo definido pelos vetores.

Vocabulário Treinar
English Português
orthogonal/ɔːˈθɒɡənl/ ortogonal
cross product/krɒs ˈprɒdʌkt/ produto vetorial
24

Escolher e justificar um método

Para vetores reais não nulos u,v, u·v=|u||v| cos θ. Um produto escalar positivo, nulo ou negativo corresponde a um ângulo menor agudo, reto ou obtuso. A projeção escalar de v ao longo de u é (v·u)/|u|; sua projeção vetorial é ((v·u)/(u·u))u. A diferença entre o vetor e essa projeção é ortogonal a u. Não confunda um vetor projetado com seu componente escalar assinado. O vetor nulo é ortogonal a todo vetor, mas não possui direção angular definida.

Para vetores tridimensionais, u×v é perpendicular a ambos com comprimento |u||v| sin θ. O cálculo coordenado usa (u₂v₃−u₃v₂, u₃v₁−u₁v₃, u₁v₂−u₂v₁). Esse comprimento é a área do paralelogramo, logo um triângulo formado por dois vetores de aresta tem metade dessa área. Inverter a ordem inverte o produto vetorial, mas preserva a área. Construa ambos os vetores de aresta a partir do mesmo vértice; cruzar dois vetores de posição não relacionados geralmente mede o triângulo errado.

O plano que passa por um ponto p com normal não nula n tem equação n·(x−p)=0. A distância de q ao plano é |n·(q−p)|/|n|; o denominador normaliza a escala da equação. Um produto triplo escalar u·(v×w) dá volume signed do paralelepípedo; seu valor absoluto é o volume geométrico. Produto triplo nulo significa dependência dos três vetores borda, não necessariamente que cada par seja perpendicular ou paralelo.

Para quatro vetores planares, existem seis produtos escalares não ordenados. A configuração e₁,−e₁,e₂,−e₂ tem dois produtos negativos e quatro zeros; e₁,e₁,e₂,e₂ tem dois positivos e quatro zeros. Quatro vetores não nulos não podem ter todos os produtos escalares pares negativos. Ordene suas direções ao redor do círculo: cada lacuna angular consecutiva teria que exceder 90°, forçando a soma de quatro lacunas acima de 360°. Um vetor nulo não pode resgatar um requisito estritamente negativo, pois seus produtos escalares se anulam.

24

Raciocínio resolvido

Com p=(0,0,0), q=(2,0,0), r=(0,3,0), as arestas são u=(2,0,0), v=(0,3,0). Seu produto vetorial é (0,0,6), dando área do triângulo 3. Para w=(3,4) e u=(1,0), a projeção vetorial é (3,0) e o resto ortogonal é (0,4). O plano 2x−y+2z=6 tem comprimento de normal 3, então sua distância à origem é 6/3=2.

Esquerda: o triângulo com lados u = (2, 0, 0) e v = (0, 3, 0), área 3. Direita: os vetores unitários ±e₁ e ±e₂
Área do triângulo = |u × v| / 2 = 6 / 2 = 3
24

Condições e contraexemplos

A magnitude do produto vetorial é a área do paralelogramo, então divida por dois para um triângulo. O produto escalar zero é uma afirmação de ortogonalidade algébrica mesmo para o vetor nulo. A distância ao plano deve ser dividida pelo comprimento da normal.

24

Aplicação guiada

Projetar $v=(2,3,6)$ sobre $u=(1,0,2)$. Encontrar a área do triângulo com vértices O, u e v. Verificar que o resíduo da projeção é ortogonal a u.

Solução resolvida

$v\cdot u=14$ e $u\cdot u=5$, portanto a projeção vetorial é $(14/5)u=(14/5,0,28/5)$. O resíduo é $(-4/5,3,2/5)$, cujo produto escalar com u é zero. O produto vetorial é $u\times v=(-6,-2,3)$ com norma sete. A área do triângulo é metade da área do paralelogramo, ou seja, $7/2$. Ambos os vetores de aresta partem de O; cruzar vetores de posição não relacionados geralmente não calcula o triângulo solicitado.

24

Transferência independente

Quatro vetores não nulos em $\mathbb R^2$ podem ter todos os seis produtos escalares pares estritamente negativos? Dê uma demonstração. Como a permissão para produtos iguais a zero altera as possibilidades?

Verificar após tentar

Organize suas direções ao redor do círculo. Cada lacuna consecutiva deve exceder $\pi/2$: se uma lacuna fosse no máximo $\pi/2$, esse par teria produto escalar não negativo. Quatro tais lacunas somariam mais que $2\pi$, o que é impossível. Portanto, não todos os seis produtos podem ser estritamente negativos. Com produtos não positivos, $e_1,e_2,-e_1,-e_2$ funciona: pares consecutivos são perpendiculares e pares opostos têm produtos negativos. Um vetor nulo não pode satisfazer a negatividade estrita.

Aulas interativas sobre este tópico

Passe por ele passo a passo, com exercícios de verificação instantânea.

Mais tópicos em GRE Subject Test · GRE Mathematics

Entrar ou criar conta

IGCSE, A-Level & AP