Enunciado

Seja A = 1,4 , 0 e B = 0,1 , - 2 . Nos casos do exercício anterior, obtenha equações do lugar geométrico dos pontos médios dos segmentos paralelos a A B com uma extremidade em r e outra em π . Descreva o lugar geométrico

(a) π : x - 2 y - z = 1 r : X = 1,0 , 2 + λ 2 , - 1,4

Passo 1

(a) Bom pessoal, o primeiro passo aqui é relembrar bem rápido o que a gente tinha encontrado no exercício anterior.

Nós verificamos que o vetor normal do plano é:

n ^ = 1 , - 2 , - 1

Só pegando os coeficientes da equação de π que o enunciado deu.

E que o vetor diretor da reta é:

r → = 2 , - 1,4

Mas fazendo o produto escalar, olha o que acontece:

r → ∙ n ^ = 1 , - 2 , - 1 ∙ 2 , - 1,4

r → ∙ n ^ = 1 2 + - 2 - 1 + - 1 4

r → ∙ n ^ = 2 + 2 - 4 = 0

O produto escalar é nulo. Então os vetores são perpendiculares.

E se o vetor diretor da reta é perpendicular ao vetor normal do plano, então a reta é paralela ao plano.

Passo 2

Se a gente pegar os pontos médios de todos os segmentos que ligam a reta ao plano:

Eles vão formar um plano entre a reta e o plano. Como esse novo plano tem que ser paralelo a π , a equação dele é:

x - 2 y - z + d = 0

Essa equação, conforme o d varia, é a equação do feixe de planos paralelos a π . Temos que ajustar d para encontar nosso plano.

Para encontrar essa constate d , a gente viu que, pela equação do enunciado, a reta começa em 1,0 , 2 , então o plano que passa por essa reta seria:

x - 2 y - z + d = 0

1 - 2 0 - 2 + d = 0         ⇒           d = 1

E no plano π temos d π = - 1 . Como o novo plano deve estar entre esses dois:

d = d π + d r 2 = - 1 + 1 2 = 0

Então o novo plano é:

d = 0         ⇒           x - 2 y - z + 0 = 0

x - 2 y - z = 0

Beleza, esse é um resumo do que foi feito.

Passo 3

E o que muda quando ao invés de pegar todos os segmentos entre r e π , nós só pegamos os que são paralelos a A B - .

Vamos usar o desenho para entender. Quando estamos desenhando o plano, só vão sobrar os segmentos que são paralelos a A B - :

No desenho de cima, só sobraria o segmento pontilhado em verde. E os pontos médios dela continuam sobre aquele plano verde.

Quando pegarmos todas os segmentos paralelos a reta verde, vamos formar um plano:

E o lugar geométrico formado pelo ponto médio é aquela reta pontilhada em laranja!

Passo 4

Dê mais uma olhada no desenho ali em cima.

Pra encontrar aquela reta pontilhada em laranja, a gente precisa procurar a equação geral daquele plano novo que está em verde.

A gente sabe que esse plano é paralelo à reta r , que lá no enunciado tem esse vetor diretor aqui:

r → = 2 , - 1,4

E também é paralela ao vetor A B → , que também funciona como um vetor diretor:

A B → = B - A = 0,1 , - 2 - 1,4 , 0

A B → = - 1 , - 3 , - 2

E para completar tudo o que precisamos para fechar o plano, precisamos de um ponto qu esteja no plano. Podemos usar o ponto que está na equação vetorial da reta r :

P 0 = 1,0 , 2

Agora é só lembrar do seguinte: se o vetor normal é n ^ = a , b , c e o ponto é P 0 = x 0 , y 0 , z 0 , a equação geral do plano é:

a x + b y + c z = a x 0 + b y 0 + c z 0

Passo 5

Para encontrar o vetor normal, vamos fazer o produto vetorial dos dois vetores diretores:

n ^ = r → × A B -

n ^ = x ^ y ^ z ^ 2 - 1 4 - 1 - 3 - 2 = - 2 - 1 - 4 - 3 x ^ + 4 - 1 - 2 - 2 y ^ + 2 - 3 - - 1 - 1 z ^

n ^ = x ^ y ^ z ^ 2 - 1 4 - 1 - 3 - 2 = 14 x ^ + 0 y ^ + - 7 z ^ = 14   ,   0   ,   - 7

Agora sim, dá pra achar a equação geral do plano:

n ^ = 14   ,   0   ,   - 7 P 0 = 1,0 , 2

Usando a fórmula lá de cima:

14 x + 0 y - 7 z = 14 1 + 0 0 + - 7 2

14 x - 7 z = 0

Então agora, pra terminar a questão, temos que achar a interseção entre esses plano e o que escrevemos lá em cima:

14 x - 7 z = 0 x - 2 y - z = 0

Passo 6

Isso é um sistema de duas equações que a gente pode resolver:

14 x - 7 z = 0 x - 2 y - z = 0

Já que temos três variáveis e duas equações, vai sobrar uma variável. Vamos deixar o y como variável livre.

Então primeiro multiplicamos a equação de baixo por - 7 e somamos as duas:

14 x - 7 z = 0 - 7 x + 14 y + 7 z = 0

14 x - 7 z + - 7 x + 14 y + 7 z = 0

7 x + 14 y = 0

x = - 2 y

E agora multiplicamos a equação de baixo por - 14 e somamos:

14 x - 7 z = 0 - 14 x + 28 y + 14 z = 0

- 7 z + 28 y + 14 z = 0

28 y + 7 z = 0

z = - 4 y

Ou seja, a interseção entre esses dois planos pode ser parametrizada desse jeito:

x = - 2 y y = y z = - 4 y

E passando isso para uma equação vetorial da nossa reta i :

I = y - 2,1 , - 4

I = α - 2,1 , - 4

Pronto! Esse é o lugar geométrico que a gente estava procurando. Ele é a reta laranja naquele nosso desenho:

Resposta

O lugar geométrico é uma reta de equação vetorial I = α - 2 , 1 , - 4 . É a interseção do plano que encontramos no exercício anterior com o plano que contém a reta r e é paralelo ao A B .

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