831

Se de um ponto qualquer $R$ dentro de um paralelogramo $ABCD$ são traçados segmentos de reta paralelos aos lados, são formados quatro novos paralelogramos (isto é, o paralelogramo original é a união destes quatro paralelogramos menores). Mostre que as diagonais de quaisquer dois destes paralelogramos (que não sejam as diagonais que se interceptam no ponto $R$) se interceptam na reta suporte de uma das diagonais do paralelogramo original.

858

Sendo $A=(2,-5,3)$ e $B=(7,3,-1)$ vértices consecutivos de um paralelogramo $ABCD$ e $M=(4,-3,3)$ o ponto de interseção das diagonais, determine os vértices $C$ e $D$.

$C=(6,-1,3)$ e $D=(1,-9,7)$

989

Determine o conjunto de todos os vetores do espaço que são paralelos ao vetor $(1,1,1)$.
Descreva o conjunto de todos os vetores do espaço que são ortogonais ao vetor $(1,0,-1)$.
Qual o significado geométrico dos conjuntos encontrados nos itens (a) e (b)?

830

Seja $O$ a origem de um sistema de coordenadas no plano. Mostre que se $ABC$ é um triângulo qualquer, suas medianas se interceptam no ponto $$M=\frac{OA+OB+OC}{3}.$$

854

Dados os vetores $a = (2,-3,6)$ e $b = (-1,2,-2)$, calcule as coordenadas do vetor $c$, bissetriz do ângulo formado pelos vetores $a$ e $b$, sabendo-se que $\|c \|= 3\sqrt{42}$.

824

Mostre que as três bissetrizes de um triângulo se interceptam em um único poto.

Considere o triângulo $ABC$ e bissetriz $B$ e $C$. Então eles cruzam no interior do triângulo que denotaremos por $O.$ Como $O$ está sobre a bissetriz de $B$, ele é equidistante de $AB$ e $BC.$ Mas também está na bissetriz de $C$ de forma que $O$ é equidistante de $AC$ e $BC.$ Assim, $O$ é equidistante aos três lados. Agora considere $\ AO.$ Como $AO$ divide o ângulo $\ BAC$ e passa no ponto (fora do vértice) equidistante de $AB$ e $AC$, será bissetriz de $BAC.$

855

Que condições devem satisfazer os vetores $a$ e $b$ para que sejam válidas as seguintes relações?

$\|a + b \| = \|a - b \|$;
$\| a + b \| > \| a - b \|$;
$\| a + b \| < \| a - b \|$.

781

Encontre o ponto $Q$ do espaço tal que o vetor com origem no ponto $P=(1,0,1)$ e com extremidade em $Q$ tenha norma, direção e sentido iguais ao vetor $(1,-2,1)$.

$Q=(2,-2,2)$.

817

Sejam os pontos $A=(-1,-1,2),\;B=(2,1,1) \;\mbox{e}\;C=(m,-5,3)$.

Para que valores de $m$ o triângulo $ABC$ é retângulo em $A$?
Determinar o ponto $H$, pé da altura relativa ao vértice $A$.

819

Sendo $A=(-2,3)\;\mbox{e}\; B=(6,-3)$ extremidades de um segmento, determinar:

Os pontos $C,\;D\;\mbox{e}\; E$ que dividem o segmento $AB$ em quatro partes de mesmo comprimento.
Os pontos $F\;\mbox{e}\; G$ que dividem o segmento $AB$ em três partes de mesmo comprimento.

986

O vetor $w$ é ortogonal aos vetores $u=(2,3,-1)$ e $v=(1,-2,3)$ e $w\cdot(2,-1,1) = -6$. Encontre $w$.

$w=(-3,3,3)$

775

Sejam $u$ e $v$ dois vetores de comprimentos iguais. Mostre que para quaisquer números $a$ e $b$, os vetores $au+bv$ e $av+bu$ têm o mesmo comprimento. Interprete o resultado.

856

Que condições devem satisfazer os vetores $a$ e $b$ para que o vetor $a+b$ divida o ângulo formado por eles em dois ângulos iguais?

Considere um paralelogamo de lados $a$ e $b.$ O vetor soma $a+b$ representa a diagonal do paralelogramo formado pelos vetores $a$ e $b$. Caso os vetores $a$ e $b$ tenham módulos iguais, isto é, mesmo tamanho, o paralelogramo formado por esses vetores será um losango (todos os lados do paralelogramo terão a mesma medida), e a diagonal dividirá o ângulo entre os vetores $a$ e $b$ ao meio. Assim, teremos a igualdade entre dois ângulos $\alpha =\beta $ quando $\left\Vert a\right\Vert=\left\Vert b\right\Vert .$ Então, para que o vetor soma divida ao meio o ângulo entre os vetores $a$ e $b$, basta que $\left\Vert a\right\Vert =\left\Vert b\right\Vert .$

815

Mostre que o vetor $\displaystyle p=b-\frac{a\cdot b}{a\cdot a}\;a$ é perpendicular ao vetor $a$.

$\displaystyle p\cdot a=b\cdot a-\frac{a\cdot b}{a\cdot a}\;a\cdot a=b\cdot a-\frac{a\cdot b}{||a||^2}||a||^2=b\cdot a-a\cdot b\,\frac{||a||^2}{||a||^2}=b\cdot a-a\cdot b=0$.

779

Demonstre que se $\alpha$ e $\beta$ são números reais tais que $\alpha(2,3) + \beta(3,2) = \vec{0}$, então $\alpha = 0$ e $\beta = 0$.
Qual a conclusão geométrica que podemos tirar do item acima?

$\alpha(2,3) + \beta(3,2) = \vec{0}$ resulta no sistema cujas equações são: $2\alpha+3\beta=0$ e $3\alpha+2\beta=0$.
Resolvendo o sistema, obtemos $\alpha=\dfrac{-3}{2}\beta=\dfrac{-2}{3}\beta$ que só pode ser satisfeita se $\beta=0$. E, portanto, $\alpha=0$.
Podemos concluir que esses dois vetores são linearmente independentes, isso significa que eles tem direções distintas.

859

Sabendo que o ponto $P=(-3,m,n)$ pertence à reta que passa pelos pontos $A=(1,-2,4)$ e $B=(-1,-3,1)$, determine $m$ e $n$.

$m=-4$ e $n=-2$

1400

O trabalho $W$ realizado por uma força $\vec{F}$ sobre um objeto, agindo por uma distância $\vec{PQ}$, é dado por $W=\vec{F}\cdot\vec{PQ}$. Uma caixa é puxada horizontalmente por meio de uma força constante de $10N$ na direção do cabo e a um ângulo de $60^\circ$ com a horizontal. Qual é o trabalho realizado para mover a caixa ao longo de $2m$?

Considerando um sistema de coordenadas tal que a caixa esteja inicialmente na origem e tenha posição final $(2,0)$, isto é, se move no eixo $x$, temos que a distância percorrida por ela é $\vec{PQ} = (2,0)$. Decompondo a força nas componentes vertical e horizonal:
$$\vec{F} = (10\cos 60^\circ, 10 \sin 60^\circ) = (5,5\sqrt{3}).$$

Dessa forma o trabalho realizado é dado por:

$$W = \vec{F}\cdot\vec{PQ} = (5,5\sqrt{3}) \cdot(2,0) = 10 N \ m.$$

822

Para o par de vetores $u=(1,1,1)$ e $v=(3,1,-1)$, encontrar a projeção ortogonal de $v$ sobre $u$ e decompor $v$ como soma de $v_{1}$ com $v_{2}$, sendo $v_{1} \parallel u$ e $v_{2}\perp u$.

$\textrm{proj}_{u}{u}=u$.

$v_1=u$; $v_2=(2,0,-2).$

778

Decompor o vetor $w = (1,3,2)$ como soma de dois vetores $w = u + v$, onde $u$ é paralelo ao vetor $(0,1,3)$ e $v$ é ortogonal a $(0,1,3)$.

$u=(0,11/10,33/10)$ e $v=(1,9/10,-3/10)$.

860

Sendo $A=(3,1)$ e $B=(3,-5),$ determinar os pontos $F$ e $G$ que dividem $AB$ em três segmentos de igual comprimento.
Calcular o comprimento de $\vec{AB}.$

$F=(3,-1)$ e $G=(3,-3)$
$|\vec{AB}|=6$

782

Mostre que o segmento que une os pontos médios de 2 lados de um triângulo é paralelo ao terceiro lado e é igual a sua metade.

No triângulo $ABC,$ sejam $M$ o ponto médio de$\ AC$ e $N$ o de $BC$. Assim, podemos escrever

$\overrightarrow{MN}=\overrightarrow{MC}+\overrightarrow{CN}=\frac{1}{2}\overrightarrow{AC}+\frac{1}{2}\overrightarrow{CB}=\frac{1}{2}\left(
\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{CB}\right) =\frac{1}{2}\overrightarrow{AB}.$

Logo, $MN//AB$ e $\left\Vert \overrightarrow{MN}\right\Vert =\left\Vert\overrightarrow{AB}\right\Vert /2.$

780

Encontre o ponto $Q$ sabendo que o mesmo é a extremidade de um vetor com origem no ponto médio do segmento que liga os pontos $P_1=(1,1,3)$ e $P_2=(-1,1,1)$ e tem norma, direção e sentido do vetor $v=(-1,0,1)$.

$(−1,1,3)$.

813

Dado $v_1=(1,-2,1)$, determine vetores $v_2$ e $v_3$ de modo que os três sejam mutuamente ortogonais.

$v_2=(1,1,1)$ e $v_3=(1,0,-1).$

984

Sejam $A=(-1,2,3)$, $M=(-1,3,2)$ e $N=(1,1,3)$. O triângulo $ABC$ tem ângulos $A=90^\circ$ e $B=30^\circ$ e os vértices $B$ e $C$ pertencem à reta $MN$. Encontre os vértices $B$ e $C$.

992

Decompor o vetor $\vec{w} = (-1,-3,-2)$ como soma de dois vetores $\vec{w} = \vec{u} + \vec{v}$, onde $\vec{u}$ é paralelo ao vetor $(0,1,3)$ e $\vec{v}$ é ortogonal a $(0,1,3)$ (Dica: $u$ pode ser escolhido como a projeção de $\vec{w}$ sobre $(0,1,3)$).

$\vec{u}=\left(0,-\frac{9}{10},-\frac{27}{10}\right)^T$ e $\vec{w}=\left(-\sqrt{\frac{10}{59}},-\frac{21}{\sqrt{590}},\frac{7}{\sqrt{590}}\right)^T$

814

Dados os pontos $A=(-2,3,4)$, $B=(3,2,5)$, $C=(1,-1,2)$ e $D=(3,2,-4)$, calcular $\textrm{proj}_{CD}{AB}$.

$\textrm{proj}_{CD}{AB}=\dfrac{1}{49}(2,3,-6)$.

985

Sejam $u=(-1,1,1)$ e $v=(2,0,1)$ dois vetores. Encontre os vetores $w$ que são paralelos ao plano determinado por $O$, $u$ e $v$, perpendiculares a $v$ e tais que $u\cdot w=7$.

Os vetores $\vec{w}$ são da forma:

$\vec{w}=\left(-\frac{7}{3},\frac{14}{3},0\right)^T+\lambda\left(1/3,-2/3,1\right)^T$, $\lambda\in\mathbb{R}$

812

Seja $ABCD$ um tetraedro e $P$ um ponto qualquer dentro dele. Ligue os vértices $A, B,C,D$ até o ponto $P$ e prolongue as linhas até que elas interceptem as faces opostas nos pontos $A',B',C',D'$, respectivamente. Mostre que vale a seguinte relação: $$\frac{PA'}{AA'}+\frac{PB'}{BB'}+\frac{PC'}{CC'}+\frac{PD'}{DD'}=1.$$

776

Dado um triângulo isósceles, mostre que a mediana relativa à base é a mediatriz (isto é, é perpendicular à base).

Seja o triângulo isósceles $ABC$ onde $M$ é a mediana do segmento $\ AC.$ Então, temos

$\overrightarrow{AM}=\overrightarrow{MC}\Longrightarrow \overrightarrow{AM}=\overrightarrow{BM}-\overrightarrow{BA}=\overrightarrow{BC}-\overrightarrow{BM}\Longrightarrow \overrightarrow{BA}+\overrightarrow{BC}=2\overrightarrow{BM}.$

Também, temos que $\overrightarrow{AM}.\overrightarrow{MB}=\left\Vert \overrightarrow{BM}\right\Vert ^{2}-
\overrightarrow{BA}-\overrightarrow{MB}$.

Assim, concluímos que $\overrightarrow{AM}. \overrightarrow{MB}=\left\Vert \frac{1}{2}\left(\overrightarrow{BA}+\overrightarrow{BC}\right) \right\Vert^{2}-\frac{1}{2}\overrightarrow{BA}\left( \overrightarrow{BA}+\overrightarrow{BC}\right) =\frac{1}{4}\left\Vert \overrightarrow{BA}\right\Vert ^{2}+\frac{1}{2}2\overrightarrow{BA}.\overrightarrow{BC}+\frac{1}{4}\left\Vert \overrightarrow{BC}\right\Vert ^{2}-\frac{1}{2}\left\Vert \overrightarrow{BA}\right\Vert ^{2}-\frac{1}{2}\overrightarrow{BA}.\overrightarrow{BC}=\frac{1}{2}\left\Vert \overrightarrow{BA}\right\Vert ^{2}-\frac{1}{2}\left\Vert \overrightarrow{BA}\right\Vert ^{2}=0$.

991

Considere os pontos $A = (3,-2,8)$, $B = (0,0,2)$ e $C = (2,3,2)$.

Usando vetores, mostre que o triângulo de vértices $A$, $B$ e $C$ é retângulo (Dica: O lado $BA$ é paralelo ao vetor $\stackrel{\longrightarrow}{BA}$).
Determine o ponto $H$ na aresta $AC$ para o qual os segmentos $AC$ e $HB$ são ortogonais ($=$ perpendiculares).
Determine o vetor $\stackrel{\longrightarrow}{AH}$. (Dica: $\stackrel{\longrightarrow}{AH}$ é a projeção ortogonal de $\stackrel{\longrightarrow}{AB}$ sobre $\stackrel{\longrightarrow}{AC}$.)
Calcule a área do triângulo (Dica: área do triângulo = (1/2) de base $\times$ altura).

834

Determinar os ângulos internos de um triângulo $ABC$, sendo$A=(3,-3,3)$, $B=(2,-1,2)$ e $C=(1,0,2)$.

993

Sejam $\vec{u},\; \vec{v}$ e $\vec{w}$ três vetores. Sabendo que $\vec{u}$ é ortogonal a $\vec{v} - \vec{w}$ e $\vec{v}$ é ortogonal a $\vec{w} - \vec{u}$, verifique que $\vec{w}$ é ortogonal a $\vec{u} - \vec{v}$.

Como $\vec{u}\cdot(\vec{v}-\vec{w})=0$, temos que $\vec{u}\cdot\vec{w}=\vec{u}\cdot\vec{v}$. Da mesma forma, como $\vec{v}\cdot(\vec{w}-\vec{u})=0$, decorre que $\vec{v}\cdot\vec{w}=\vec{v}\cdot\vec{u}$. Assim, usando a simetria do produto interno euclidiano, segue que
$$ \vec{w}\cdot(\vec{u}-\vec{v})=\vec{w}\cdot\vec{u}-\vec{w}\cdot{v}=\vec{u}\cdot\vec{w}-\vec{v}\cdot\vec{w}=\vec{u}\cdot\vec{v}-\vec{v}\cdot\vec{u}=0.$$

862

Mostre que as diagonais de um losango cortam-se mutuamente em seu ponto médio e que são ortogonais entre si.

1401

Uma força $\vec{F} = (4,-6,1)$ N é aplicada a um ponto que se move uma distância de $15$ metros na direção e sentido do vetor $(1,1,1)$. Quanto trabalho foi realizado?

833

Sabendo que $\| u \| = \sqrt{2}$, $\| v \| = \sqrt{3}$ e que $u$ e $v$ formam um ângulo de ${3\pi}/4$, determinar:

$| (2u-v)\cdot(u-2v)|$.
$\|u-2v\|$.

$| (2u-v)\cdot(u-2v)|=10+5\sqrt{3}$.
$\|u-2v\|=2\sqrt{2+\sqrt{3}}$.

820

Para o par de vetores $u=(3,1,-3)$ e $v=(2,-3,1)$, encontrar a projeção ortogonal de $v$ sobre $u$ e decompor $v$ como soma de $v_{1}$ com $v_{2}$, sendo $v_{1} \parallel u$ e $v_{2}\perp u$.

Posto que $u \cdot v=0$, $u$ e $v$ são ortogonais. Assim, a projeção ortogonal de $v$ sobre $u$ é zero. Nesse caso, $v_1=0$ e $v_2=v$.

861

No triângulo $ABC$, tem-se $\vec{AP}=\frac{1}{3}\vec{AC}$ e $\vec{AQ}=\frac{1}{2}\vec{AC}.$ Expressar os vetores $\vec{BP}$ e $\vec{BQ}$ em funçãao de $\vec{BA}$ e $\vec{BC}.$

987

Sejam $u=(1,-1,3)$ e $v=(3,-5,6)$ dois vetores. Encontre $\mathrm{proj}_{u+v} (2u-v)$.

$\dfrac{1}{133}(-88,132,-198)^T$

990

Estude o ângulo entre os vetores $\vec{i}$ e $\vec{j}$ no plano. Faça o mesmo no $\mathbb{R}^{3}$ em relação a $\vec{i}$, $\vec{j}$ e $\vec{k}$.
Escrevendo os vetores $u = x\vec{i} + y\vec{j}$ e $v = a\vec{i} + b\vec{j}$, verifique que $\langle u,v\rangle = xa\langle\vec{i},\vec{i}\rangle + yb\langle\vec{j},\vec{j}\rangle$. Faça um estudo semelhante no espaço $\mathbb{R}^{3}$.

853

Provar, utilizando o produto escalar, que todo triângulo inscrito em uma semicircunferência é reto.

Consideremos a semicircunferência de raio $R$ com centro na origem $O$ do sistema cartesiano e situada no semiplano $y\geq 0$. Sejam $A=(R,0)$, $B=(x,y)$ e $C=(-R,0)$ três pontos sobre esta semicircunferência, sendo $B$ um ponto qualquer tal que $x^2+y^2=R^2$. Assim, teremos que
\begin{multline*}\vec{CB}\cdot\vec{AB}=(B-C)\cdot(B-A)=(x+R,y)\cdot(x-R,y)= \\ =(x+R)(x-R)+y^2 =x^2-R^2+y^2=(x^2+y^2)-R^2=R^2-R^2=0.\end{multline*} Ou seja, o triângulo inscrito $ABC$ é retângulo no vértice $B$.

994

Seja $\vec{v}\ne 0$ um vetor do $\mathbb{R}^{3}$ e sejam $\alpha$, $\beta$ e $\gamma$ os ângulos que $\vec{v}$ faz com os eixos coordenados $X$, $Y$ e $Z$, respectivamente. Mostre que:

se $\|\vec{v}\| = 1$, então $\vec{v} = (\cos(\alpha),\cos(\beta),\cos(\gamma))$ (Dica: calcular os cossenos de $\alpha$, $\beta$ e $\gamma$ fazendo o produto escalar de $\vec{v}$ com os vetores de comprimento $1$ na direção dos eixos coordenados. Como é um vetor de comprimento $1$ na direção de $X$? Isto é, sobre o eixo $X$.).
para um vetor $\vec{v}$ qualquer, vale que $\vec{v} = \|\vec{v}\|(\cos(\alpha),\cos(\beta),\cos(\gamma))$.
$\cos^{2}(\alpha) + \cos^{2}(\beta) + \cos^{2} (\gamma) = 1$.

777

Encontre um vetor $u$ que seja ortogonal aos vetores $(2,3,-1)$ e $(2,-4,6)$ tal que $\parallel u\parallel = 3\sqrt{3}$.

$u=\pm(-3,3,3)$.

816

Mostre que se $X\;\mbox{e}\; Y$ são dois vetores tais que $X+Y$ é ortogonal a $X-Y$, então $\left\|X\right\|\;=\;\left\|Y\right\|$.

$X+Y$ ortogonal a $X-Y$ $\Rightarrow$ $(X+Y)\cdot(X-Y)=0$.
$(X+Y)\cdot(X-Y)=0$ $\Rightarrow$ $X\cdot X-X\cdot Y+Y\cdot X - Y\cdot Y=0\Rightarrow X\cdot X- Y\cdot Y=0 \Rightarrow X\cdot X= Y\cdot Y\Rightarrow ||X||^2=||Y||^2$ e, pela não negatividade da norma, $||X||=||Y||$.

823

Para o par de vetores $u=(1,2,-2)$ e $v=(3,-2,1)$, encontrar a projeção ortogonal de $v$ sobre $u$ e decompor $v$ como soma de $v_{1}$ com $v_{2}$, sendo $v_{1} \parallel u$ e $v_{2}\perp u$.

$\textrm{proj}_{u}{v}=\dfrac{-1}{3}(1,2,-2)$.
$v_1=\dfrac{-1}{3}(1,2,-2)$.
$v_2=\dfrac{1}{3}(10,-4,1)$.

988

Sejam $a_{1},\, a_{2},\,a_{3},\,b_{1},\, b_{2},\,b_{3}$ seis números reais quaisquer. Demonstre a desigualdade de Cauchy-Schwarz: \[ (a_{1}b_{1} + a_{2}b_{2} + a_{3}b_{3})^{2} \le (a_{1}^{2}+a_{2}^{2}+a_{3}^{2}) (b_{1}^{2}+b_{2}^{2}+b_{3}^{2}). \]

983

Sejam $A=(2,1,2)$, $B=(1,0,0)$ e $C=(1+\sqrt 3,\sqrt 3,-\sqrt 6)$ três pontos no espaço. Calcule os ângulos do triângulo $ABC$, e os comprimentos da mediana e da altura que saem do vértice $A$.

821

Para o par de vetores $u=(2,0,0)$ e $v=(3,5,4)$, encontrar a projeção ortogonal de $v$ sobre $u$ e decompor $v$ como soma de $v_{1}$ com $v_{2}$, sendo $v_{1} \parallel u$ e $v_{2}\perp u$.

$\textrm{proj}_{u}{v}=(3,0,0)$.

$v_1=(3,0,0)$ e $v_2=(0,5,4)$.

995

Dados os pontos $A = (2,3,0), \; B = (4,0,1)$ e $C = (0,1,2)$ no $\mathbb{R}^{3}$, determine:

O comprimento do lado $AB$.
A medida do ângulo entre os lados $BA$ e $BC$.
A área do triângulo $ABC$.
O comprimento da altura do triângulo $ABC$ relativa ao vértice $A$.
As coordenadas do ponto no lado $AC$ por onde passa a perpendicular a esse lado que contém o ponto $B$.
Desenhe o triângulo $ABC$ no espaço $\mathbb{R}^{3}$.

864

Encontre o ângulo entre os vetores $u=(2,1,0)$ e $v=(0,1,-1)$ e entre os vetores $w=(1,1,1)$ e $z=(0,-2,-2)$.

$\arccos(\dfrac{\sqrt{10}}{10})$ e $\arccos(-\sqrt{\dfrac{2}{3}})$, respectivamente.

832

Mostre que o segmento de reta que liga um vértice de um paralelogramo ao ponto médio de um dos lados opostos trissecta a diagonal (isto é, intercepta a diagonal em um ponto que a divide em dois segmentos, um tendo um terço do comprimento da diagonal e o outro tendo dois terços do comprimento da diagonal).

857

Dados três pontos $A=(1,-5,8)$, $B=(5,2,4)$ e $C=(3,9,1)$, ache três pontos diferentes tais que cada um deles forma com $A,B,C$ um paralelogramo.

863

Mostre que não existe $x$ tal que os vetores $v=(x,2,3)$ e $u=(x,-2,3)$ sejam perpendiculares.

Para que $v$ e $u$ fossem perpendiculares, seria necessário haver $x$ tal que $v\cdot u= x^2-4+9=0$, ou seja, $x$ tal que $x^2=-5$. Mas não há $x\in \mathbb{R}$ que satisfaça essa equação.

Exercícios

Produto escalar