GEOMETRIA ANALÍTICA cap 03

GEOMETRIA ANALÍTICA cap 03

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  28 CÁLCULO VETORIAL EGEOMETRIA ANALÍTICA CAPÍTULO 3 DEPENDÊNCIA LINEAR 1 Combinação Linear Definição: Seja { }n21 v,...,v,v um conjunto com n vetores. Dizemos que um vetor u é combinação linear desses n vetores, se existirem escalares ℜ∈n21 a,...,a,a tais que nn2211 va...vavau +++= , ou seja, ∑ = = n 1i iivau . Exemplo (1): Considere os vetores )5,10,4(u −= , )2,1,1(v1 −= , )3,0,2(v2 = e )3,2,1(v3 −= . a) Escrever, se possível, o vetor u como combinação linear dos vetores 1v , 2v e 3v . b) Escrever, se possível, o vetor u como combinação linear dos vetores 2v e 3v . Solução: a) Para que u seja combinação linear dos vetores { }321 v,v,v , devem existir escalares ℜ∈γβα ,, tais que 321 vvvu γ+β+α= . Então:      =γ+β+α− =γ+α −=γ−β+α ⇒−γ+β+−α=− 5332 102 42 )3,2,1()3,0,2()2,1,1()5,10,4( . Resolvendo o sistema linear vamos obter: 4e1,2 =γ−=β=α . Portanto: 321 v4vv2u +−= . b) Para que u seja combinação linear dos vetores 2v e 3v , devem existir escalares ℜ∈nem tais que 32 vnvmu += . Então:      =+ = −=− ⇒−+=− 5n3m3 10n2 4nm2 )3,2,1(n)3,0,2(m)5,10,4( . Da segunda equação obtemos 5n = . Substituindo nas outras duas obtemos 2 1m = e 3 10m −= . O que é uma contradição. Logo o sistema linear é impossível e não admite solução real. Portanto, não existem escalares ℜ∈nem tais que 32 vnvmu += , ou seja, não é possível escrever o vetor u como combinação linear dos vetores 2v e 3v .
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  29 2 Vetores LIe LD Definição: Dizemos que os vetores n21 v,...,v,v são linearmente independentes (vetores LI) se a expressão 0va...vava nn2211 =+++ se verifica somente se os escalares ℜ∈n21 a,...,a,a forem todos nulos, ou seja, 0a...aa n21 ==== . Definição: Dizemos que os vetores n21 v,...,v,v são linearmente dependentes (vetores LD) se a expressão 0va...vava nn2211 =+++ se verifica somente se os escalares ℜ∈n21 a,...,a,a forem não todos nulos, ou seja, pelo menos um dos escalares deve ser diferente de zero. Exemplo (2): Verificar a dependência linear dos vetores abaixo: a) )2,1,1(v1 −= , )3,2,1(ve)3,0,2(v 32 −== b) )2,1,1(v1 −= , )5,2,8(ve)3,0,2(v 32 == Solução: a) Para verificar a dependência linear entre esses vetores, devemos escrever a expressão 0vcvbva 321 =++ e determinar os escalares. Então:      =++− =+ =−+ ⇒=−++− 0c3b3a2 0c2a 0cb2a )0,0,0()3,2,1(c)3,0,2(b)2,1,1(a . Resolvendo o sistema linear homogêneo vamos obter: 0ce0b,0a === , ou seja, os escalares todos nulos. Portanto os vetores são LI. b) Analogamente ao item (a), escrevemos a expressão 0vcvbva 321 =++ . Então:      =++− =+ =++ ⇒=++− 0c5b3a2 0c2a 0c8b2a )0,0,0()5,2,8(c)3,0,2(b)2,1,1(a . Resolvendo o sistema linear homogêneo vamos obter a solução geral: ℜ∈∀−=−= c,c3bec2a . É evidente que para c=0 teremos a=0 e b=0, mas não é a única solução, ou seja, existem infinitas soluções onde os escalares não são todos nulos. Portanto os vetores são LD. Teorema (1): Os vetores n21 v,...,v,v são Linearmente Dependentes (LD) se, e somente se um deles é combinação linear dos demais. OBS: este é um teorema de condição necessária e suficiente; o termo "se, e somente se" significa que o teorema tem duas implicações:
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  30 (1) "se umconjunto de vetores é LD, então um deles é combinação linear dos demais vetores", e (2) "se, em um conjunto de vetores, um deles é combinação linear dos demais, então esses vetores são LD". Assim, a demonstração do teorema contém duas partes: uma para demonstrar a condição necessária (1) e a outra para demonstrar a condição suficiente (2). Demonstração: (1) Hipótese: os vetores Vv,...,v,v n ∈21 são LD Tese: um deles é combinação linear dos demais vetores. Se, por hipótese, os vetores nv,...,v,v 21 são LD, então, existem escalares n,...,, ααα 21 , não todos nulos, tais que: 02211 =+++ nnv...vv ααα . Supondo, por exemplo, que 01 ≠α , pode-se escrever: n n v...vvv       −++      −+      −= 1 3 1 3 2 1 2 1 α α α α α α ; chamando: 1 2 2 α α β −= ; 1 3 3 α α β −= ; ... ; 1α α β n n −= , vem: nnvvvv βββ +++= 33221 , e, portanto, o vetor 1v é combinação linear dos demais vetores. Observe-se que, assim como se supôs que 01 ≠α e se mostrou que 1v é combinação linear dos demais vetores, pode-se supor que qualquer um dos escalares ( )nii ≤≤1α é diferente de zero e concluir-se que iv é combinação linear dos demais vetores. (2) Hipótese: um dos vetores é combinação linear dos demais vetores. Tese: os vetores Vv,...,v,v n ∈21 são LD Por hipótese, um dos vetores é combinação linear dos demais; pode-se supor, por exemplo, que esse seja o vetor 1v . Isso significa que existem escalares n,...,, βββ 32 tais que: nnvvvv βββ +++= 33221 ; pode-se escrever, equivalentemente: ( ) 01 33221 =++++− nnvvvv βββ . Sendo o escalar que multiplica o vetor 1v não nulo, já que é igual a -1, conclui-se que os vetores nv,...,v,v 21 são LD. É claro que, fazendo-se a suposição de que qualquer vetor ( )nivi ≤≤1 seja combinação linear dos outros vetores, concluir-se-á, de maneira análoga, que os vetores nv,...,v,v 21 são LD.
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  31 Exemplo (3): Comovimos no exemplo (2) os vetores )2,1,1(v1 −= , )3,0,2(v2 = e )5,2,8(v3 = são LD. Logo, pelo Teorema (1), um deles é combinação linear dos demais. De fato. Suponhamos que 213 vnvmv += . Então: )03,2(n)2,1,1(m)5,2,8( +−= ⇒      +−= = += n3m25 m2 n2m8 . Da segunda equação vem que 2m = . Substituindo 2m = nas outra duas equações vem que 3n = . Logo, existem os escalares 2m = e 3n = tais que 213 v3v2v += . Portanto, 3v é combinação linear dos vetores 1v e 2v . Teorema (2): Considere n21 v,...,v,v , vetores LD, então k desses vetores serão LD, para k ≥ n. Demonstração: Hipótese: os vetores Vv,...,v,v n ∈21 são LD Tese: os vetores kv,...,v,v 21 são LD, para todo nk ≥ Por hipótese, os vetores nv,...,v,v 21 são LD; então, existem escalares n,...,, ααα 21 , não todos nulos, tais que: 02211 =+++ nnv...vv ααα . A esse conjunto de n vetores, acrescentem-se mais ( )nknk ≥− vetores, isto é, considere-se, agora, o conjunto: { }knnn v,,v,v,v,...,v,v 2121 ++ . Escrevendo-se a equação: 022112211 =+++++++ ++++ kknnnnnn vvvv...vv αααααα , conclui-se, a partir dela, que os vetores knnn v,,v,v,v,...,v,v 2121 ++ são LD, pois, mesmo que os escalares knn ,...,, ααα 21 ++ sejam todos nulos, entre os escalares n,...,, ααα 21 há pelo menos um deles que não é nulo, já que os vetores nv,...,v,v 21 são LD. Logo, o conjunto de vetores { }knnn v,,v,v,v,...,v,v 2121 ++ é LD. Observações: 1) Por esse teorema, conclui-se que, se um conjunto de vetores é LD, aumentando-se o número de vetores deste conjunto, o novo conjunto será LD. 2) Observe-se que o teorema é apenas de condição necessária, ou seja, a recíproca não é verdadeira. Isso significa que, se um conjunto de n vetores nv,...,v,v 21 é LD, isso não implica que o conjunto de vetores mv,...,v,v 21 é LD, para nm ≤ . Assim, quando se sabe que um conjunto de vetores é LD, se forem retirados desse conjunto
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  32 um ou maisvetores, não se pode afirmar que o novo conjunto é LD. Teorema (3): Considere n21 v,...,v,v vetores LI, então k desses vetores serão LI, para k ≤ n. Demonstração: Hipótese: os vetores Vv,...,v,v n ∈21 são LI Tese: os vetores kv,...,v,v 21 são LI, para todo nk ≤ Por hipótese, os vetores nv,...,v,v 21 são LI; então, a equação 02211 =+++ nnv...vv ααα é verdadeira somente se 021 ==== n... ααα . Tomando-se um índice nk ≤ , considere-se o conjunto { } { }nk v,...,v,vv,...,v,v 2121 ⊂ . Da equação: 02211 =+++ kkv...vv ααα , segue-se que 021 ==== k... ααα , pois os vetores nv,...,v,v 21 são LI e os vetores kv,...,v,v 21 estão entre eles. Portanto, conclui-se que os vetores kv,...,v,v 21 são LI, o que demonstra o teorema. OBS: 1) Por esse teorema, conclui-se que, se um conjunto de vetores é LI, diminuindo-se o número de vetores deste conjunto, o novo conjunto também será LI. 2) O teorema é apenas de condição necessária, isto é, a recíproca não é verdadeira. Isso significa que, se um conjunto de n vetores nv,...,v,v 21 é LI, isso não implica que o conjunto de vetores mv,...,v,v 21 é LI, para nm ≥ . Assim, quando se sabe que um conjunto de vetores é LI, se forem acrescentados a esse conjunto um ou mais vetores, não se pode afirmar que o novo conjunto é LI. Conseqüências: (a) As afirmações abaixo são válidas para vetores no ℜℜℜℜ2 . 1) O vetor nulo { }0 é LD. 2) O { }v , com 0v ≠ , é LI. 3) Dois vetores { }21 v,v , com 0ve0v 21 ≠≠ , são LD se os vetores forem paralelos (são múltiplos escalares). Caso contrário são LI (não paralelos, não são múltiplos). 4) Três vetores ou mais vetores { },...v,v,v 321 são sempre LD. (b) As afirmações abaixo são válidas para vetores no ℜℜℜℜ3 .
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  33 1) O vetornulo { }0 é LD. 2) O { }v , com 0v ≠ , é LI. 3) Dois vetores { }21 v,v , com 0ve0v 21 ≠≠ , são LD se os vetores forem paralelos (são múltipos escalares). Caso contrário são LI (não paralelos, não são múltiplos). 4) Três vetores { }321 v,v,v são sempre LD se forem coplanares. Caso contrário são LI (não coplanares). 5) Quatro ou mais vetores { },...v,v,v,v 4321 são sempre LD. 3 Base Definição: Seja { }n21 v,...,v,vB = um conjunto de vetores de um espaço qualquer (ℜ2 ou ℜ3 ). Dizemos que B é uma base desse espaço se: a) B é um conjunto LI. b) B gera o espaço. OBS: Dizer que um conjunto { }n21 v,...,v,vB = gera o espaço significa que qualquer vetor u , desse espaço, se escreve como combinação linear dos vetores de B, ou seja, existem escalares ℜ∈n21 a,...,a,a tais que nn2211 va...vavau +++= . Exemplo (4): Mostre que os conjuntos abaixo são bases dos respectivos espaços. a) B = {(1,2), (-3,4)} é base do ℜ2 . b) B = {(1,1,1), (1,1,0), (1,0,0)} é base do ℜ3 . Solução: a) Sejam )4,3(ve)2,1(v 21 −== . Vamos mostrar que B é um conjunto LI. Como não existe uma proporcionalidade entre as coordenadas dos vetores eles não são múltiplos, logo não são paralelos. Portanto são LI. Seja )y,x(u = um vetor qualquer do ℜ2 . Vamos mostrar que u se escreve como combinação linear dos vetores de B. Então    += −= ⇒−+== b4a2y b3ax )4,3(b)2,1(a)y,x(u . Resolvendo o sistema temos: ℜ∈∀       +− = + = yex, 10 yx2 b 10 y3x4 a . Isso mostra que o sistema é possível e determinado. Logo existem os escalares ℜ∈bea tais que )4,3(b)2,1(a)y,x(u −+== , ou seja, o vetor )y,x(u = se escreve como combinação linear dos vetores 21 vev , mostrando que B gera o ℜ2 . Portanto, B é base do ℜ2 .
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  34 b) Utilizando acondição de coplanaridade entre três vetores temos: 01 001 011 111 ≠−= , ou seja, os vetores não são coplanares. Portanto, são LI. Mostrando que B gera o ℜ3 . Seja )z,y,x(v = um vetor qualquer do ℜ3 . Então:      = += ++= ⇒++= az bay cbax )0,0,1(c)0,1,1(b)1,1,1(a)z,y,x( . Resolvendo temos a solução ℜ∈∀      −= −= = zey,x, yxc zyb za . Logo, existem escalares ℜ∈ceb,a tais que )0,0,1(c)0,1,1(b)1,1,1(a)z,y,x( ++= , ou seja, o vetor )z,y,x(v = se escreve como combinação linear dos vetores de B, mostrando que B gera o ℜ3 . Portanto, B é base do ℜ3 . Conseqüências 1) O ℜ2 e o ℜ3 possuem infinitas bases. 2) Qualquer base do ℜ2 tem a mesma quantidade de vetores. 3) Qualquer base do ℜ3 tem a mesma quantidade de vetores. 4) Das infinitas bases do ℜ2 , uma é considerada a mais simples, chamada de Base Canônica do ℜℜℜℜ2 . Ela é constituída pelos vetores { }j,i , onde )0,1(i = e )0,1(j = . 5) Das infinitas bases do ℜ3 , uma também é considerada a mais simples, chamada de Base Canônica do ℜℜℜℜ3 . Ela é constituída pelos vetores { }k,j,i , onde )1,0,0(ke)0,1,0(j),0,0,1(i === . 2) No ℜ2 , qualquer conjunto com dois vetores LI constitui uma base. 3) No ℜ3 , qualquer conjunto com três vetores LI constitui uma base. Exercícios Propostos 1) Verificar a dependência linear dos vetores: a)       −−=      −= 2 3 , 4 3 , 8 1 ve6,3, 2 1 u b) )2,1,3(ce)0,6,4(b),2,2,1(a −=−== c) )2,1,0(ce)1,3,2(b),1,2,1(a −=−−=−= Resp: a) LD b) LD c)LI 2) Escrever o vetor )3,5,3(w −= como combinação linear dos vetores )1,3,2(b),1,2,1(a −−=−= e )2,1,0(c −= Resp: c3b2aw ++= 3) Verificar quais dos conjuntos abaixo é uma base do ℜ3 .
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  35 a) )2,2,3(ce)1,3,2(b),2,0,1(a −=−== b))2,6,1(we)1,3,2(v),0,0,1(u −−−=== Resp: a) é base b) não é base 4) Determine m para que os vetores )4,3,1(we)0,m,3(v),2,m,2(u −=== formem uma base do ℜ3 . Resp: m ≠ -3 5) Determine os valores de m para que os vetores )8,m,2(u = , )3,1,4m(v −+= e )31,m4,7(w = sejam LD. Resp: m=-3 ou m=2 6) Prove: " }vu,vu{ −+ são LI ⇔ }v,u{ são LI". 7) Dados dois vetores }v,u{ LI, mostre que: "se w é combinação linear de }v,u{ , então essa combinação linear é única". COMENTÁRIOS IMPORTANTES 1) Cuidado com as definições de combinação linear e de vetores LI e LD. Elas são muito parecidas e pode causar confusão. 2) Na prática, discutir se um conjunto de vetores é LI ou LD, quando usamos a definição, sempre vamos resolver um sistema linear homogêneo. Como os sistemas homogêneos são sempre possíveis, esta discussão se resume em: se o sistema for SPD (admite somente a solução trivial, todos os escalares são nulos), então os vetores são LI; se o sistema for SPI (além da solução trivial admite outras infinitas), então os vetores são LD. 2) Como o próprio nome diz: vetores linearmente dependentes (LD) significa que existe uma dependência entre eles, ou seja, eles se relacionam de alguma forma. Esta dependência é uma combinação linear que, geometricamente, significa que ou dois vetores são paralelos ou três vetores são coplanares. Caso os vetores sejam linearmente independentes (LI), isso quer dizer que não existe relação nenhuma entre eles, ou seja, não são paralelos, não são coplanares.