Enunciado

São dados os pontos O , A , B e C .

(a) Prove que o vetor x → A B C = O A → ∧ O B → + O B → ∧ O C → + O C → ∧ O A → não depende do ponto O , isto é, qualquer que seja o ponto P , P A → ∧ P B → + P B → ∧ P C → + P C → ∧ P A → = x → A B C (isto justifica a notação x → A B C ).

(b) Exprima o vetor A B → ∧ A C → em função de u → = O A → , v → = O B → , w → = O C → .

(c) Prove que A , B e C são colineares se, e somente se, x → A B C = 0 → .

(d) Suponha que A , B e C não são colineares. Obtenha um vetor ortogonal ao plano determinado por esses pontos, em função de x → A B C .

Passo 1

Vamos começar “abrindo” um pouco esses termos que aparecem no produto vetorial:

x → A B C = O A → ∧ O B → + O B → ∧ O C → + O C → ∧ O A →

Dê uma olhada no primeiro termo, por exemplo:

O A → = A → - O →

O B → = B → - O →

Vamos fazer um desenho para entender o que isso significa:

Ou seja, aplicando a propriedade distributiva:

O A → ∧ O B → = A → - O → ∧ B → - O → = A → ∧ B → - A → ∧ O → - O → ∧ B → + O → ∧ O →

Fazendo isso para os outros termos:

O B → ∧ O C → = B → - O → ∧ C → - O → = B → ∧ C → - B → ∧ O → - O → ∧ C → + O → ∧ O →

O C → ∧ O A → = C → - O → ∧ A → - O → = C → ∧ A → - C → ∧ O → - O → ∧ A → + O → ∧ O →

Todo produto vetorial de um vetor por ele próprio é zero! Então O → ∧ O → vai sumir em todos os termos:

O A → ∧ O B → = A → ∧ B → - A → ∧ O → - O → ∧ B →

O B → ∧ O C → = B → ∧ C → - B → ∧ O → - O → ∧ C →

O C → ∧ O A → = C → ∧ A → - C → ∧ O → - O → ∧ A →

Agora olha o que acontece quando a gente soma tudo:

x → A B C = O A → ∧ O B → + O B → ∧ O C → + O C → ∧ O A →

x → A B C = A → ∧ B → - A → ∧ O → - O → ∧ B → + B → ∧ C → - B → ∧ O → - O → ∧ C → + C → ∧ A → - C → ∧ O → - O → ∧ A →

x → A B C = A → ∧ B → + B → ∧ C → + C → ∧ A → + - O → ∧ B → - B → ∧ O → + - O → ∧ C → - C → ∧ O → + - O → ∧ A → - A → ∧ O →

Para finalizar, lembre que o produto vetorial é anticomutativo, ou seja:

X → ∧ Y → = - Y → ∧ X →

Fazendo essas trocas de sinal dentro daqueles parênteses:

x → A B C = A → ∧ B → + B → ∧ C → + C → ∧ A → + - O → ∧ B → + O → ∧ B → + - O → ∧ C → + O → ∧ C → + - O → ∧ A → + O → ∧ A →

Então todos os termos entre parênteses vão se anular:

x → A B C = A → ∧ B → + B → ∧ C → + C → ∧ A →

Ou seja, o x → A B C não depende do ponto O → !

Passo 2

(b) Vamos dar uma olhada na expressão do enunciado:

A B → ∧ A C →

Usando a mesma técnica de antes:

A B → = B → - A →

A C → = C → - A →

Ou seja:

A B → ∧ A C → = ( B → - A → ) ∧ C → - A →

Aplicando a propriedade distributiva:

A B → ∧ A C → = B → ∧ C → - B → ∧ A → - A → ∧ C → + A → ∧ A →

Lembrando que o produto vetorial de vetores iguais é nulo, vamos sumir com aquele A → ∧ A → :

A B → ∧ A C → = B → ∧ C → - B → ∧ A → - A → ∧ C →

E usando mais uma vez essa propriedade aqui:

X → ∧ Y → = - Y → ∧ X →

Ficamos com:

A B → ∧ A C → = A → ∧ B → + B → ∧ C → + C → ∧ A →

Que é exatamente a expressão que a gente encontrou lá em cima para o x → A B C ! Ou seja:

x → A B C = A B → ∧ A C →

Então para escrever em termos de u → = O A → , v → = O B → , w → = O C → é só copiar a fórmula do item (a) substituindo u → , v → e w → :

A B → ∧ A C → = x → A B C = O A → ∧ O B → + O B → ∧ O C → + O C → ∧ O A →

A B → ∧ A C → = u → ∧ v → + v → ∧ w → + w → ∧ u →

Resolvido!

Passo 3

(c) Agora queremos provar que A , B e C são colineares se, e somente se, x → A B C = 0 → .

Vamos pensar o seguinte, se três pontos são colineares, então existe alguma reta que passa pelos três, certo? No desenho isso fica assim:

O que acontece com x → A B C nesse caso?

x → A B C = A B → ∧ A C →

Bom, se os pontos são colineares, então A B → e A C → são paralelos. Outra forma de dizer isso é afirmando que o ângulo entre eles é zero.

Nesse caso o módulo do produto vetorial é:

A B → ∧ A C → = A B →   .   A C → sen ⁡ 0

A B → ∧ A C → = A B →   .   A C → sen ⁡ 0

Como sen ⁡ 0 = 0 , ficamos com:

A B → ∧ A C → = 0

E então:

x → A B C = 0

E podemos fazer o caminho contrário sem problemas. Ou seja, se x → A B C , então necessariamente A B → e A C → formam um ângulo que mede zero, e por isso os pontos são colineares.

Passo 4

(d) Por último queremos encontrar um vetor ortogonal ao plano formado por A , B e C em função de x → A B C .

Primeiro vamos entender melhor quem é esse plano! Uma forma de defini-lo (pelo menos sua direção) é usando dois vetores distintos que envolvam A , B e C .

Mas dê uma olhada na nossa fórmula para x → A B C :

x → A B C = A B → ∧ A C →

Ela envolve justamente os vetores que dão o plano contendo A , B e C . O produto vetorial de dois vetores sempre te dá um terceiro vetor perpendicular aos outros dois!

Isso quer dizer que x → A B C é um vetor perpendicular ao plano formado por A , B e C .

Então o vetor ortogonal v → ⊥ que estamos procurando é qualquer múltiplo de x → A B C :

v → ⊥ = α x → A B C

Onde α é um número qualquer.

Resposta

(a) Demonstração.

(b) A B → ∧ A C → = u → ∧ v → + v → ∧ w → + w → ∧ u →

(c) Demonstração.

(d) Qualquer múltiplo de x → A B C é ortogonal ao plano formado por A ,   B e C .

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