Geometria Analítica · 1.º ano (indicativo)
Como calcular o produto escalar a partir das coordenadas?
Resposta curta
O produto escalar de dois vetores dados por coordenadas calcula-se multiplicando as coordenadas correspondentes e somando os produtos: u·v = u1v1 + u2v2 (+ u3v3 no espaço). O resultado é um número, não um vetor. Se for zero, os vetores são perpendiculares.
Fórmula e significado de cada termo
Produto escalar por coordenadas
No plano: u·v = u1v1 + u2v2 No espaço: u·v = u1v1 + u2v2 + u3v3 Ângulo θ: cos θ = (u·v)/(|u|·|v|)
Legenda: ui, vi são as coordenadas dos vetores; |u| e |v| são as normas (comprimentos); θ é o ângulo entre os vetores (entre 0° e 180°), com u e v não nulos.
Condições de aplicação
- Os dois vetores têm o mesmo número de coordenadas.
- u·v = 0 se e só se u e v são ortogonais (perpendiculares), para vetores não nulos.
- u·v maior que 0: ângulo agudo; u·v menor que 0: ângulo obtuso.
- Propriedades: u·v = v·u e u·u = |u|2.
Passo a passo
- Escreva as coordenadas dos dois vetores (se vierem de pontos, calcule B − A).
- Multiplique as primeiras coordenadas, as segundas (e as terceiras).
- Some os produtos para obter u·v (um número).
- Para o ângulo, calcule |u| e |v| com √(soma dos quadrados) e use cos θ = u·v/(|u||v|).
- Para a ortogonalidade, verifique se u·v = 0.
- Verifique o sinal: positivo, negativo ou zero deve ser coerente com o ângulo.
Exemplos resolvidos
Exemplo 1 — Produto escalar no plano
Enunciado: Calcule u·v com u = (2, 3) e v = (4, −1).
Resolução:
- 2 × 4 = 8.
- 3 × (−1) = −3.
- Soma: 8 + (−3) = 5.
Resposta: u·v = 5. Verificação: é um número positivo, logo o ângulo entre u e v é agudo.
Exemplo 2 — Produto escalar no espaço
Enunciado: Calcule u·v com u = (1, −2, 3) e v = (2, 0, −1).
Resolução:
- 1 × 2 = 2; (−2) × 0 = 0; 3 × (−1) = −3.
- Soma: 2 + 0 − 3 = −1.
Resposta: u·v = −1. Verificação: o resultado é negativo, logo o ângulo é obtuso (ligeiramente acima de 90°).
Exemplo 3 — Ângulo entre dois vetores
Enunciado: Calcule o ângulo entre u = (1, 1) e v = (1, 0).
Resolução:
- u·v = 1 × 1 + 1 × 0 = 1.
- |u| = √(1 + 1) = √2 e |v| = √1 = 1.
- cos θ = 1/(√2 × 1) = 1/√2 = √2/2.
- θ = 45°.
Resposta: 45°. Verificação: u = (1, 1) faz 45° com o eixo dos x, e v = (1, 0) está sobre esse eixo ✓.
Exemplo 4 — Nível de exame: valor de k para vetores perpendiculares
Enunciado: Determine k para que u = (k, 3, −1) e v = (2, −1, 5) sejam ortogonais.
Resolução:
- u·v = k × 2 + 3 × (−1) + (−1) × 5 = 2k − 3 − 5 = 2k − 8.
- Ortogonais: u·v = 0, logo 2k − 8 = 0 e k = 4.
Resposta: k = 4. Verificação: com k = 4, u·v = 4·2 + 3·(−1) + (−1)·5 = 8 − 3 − 5 = 0 ✓.
Erros frequentes no cálculo
- Dar como resposta um vetor (por exemplo, (8, −3)). O produto escalar é um número: some os produtos.
- Multiplicar coordenadas cruzadas (u1 com v2); a regra é primeira com primeira, segunda com segunda.
- Esquecer os sinais negativos ao multiplicar.
- Esquecer as normas na fórmula do ângulo, usando cos θ = u·v.
- Confundir produto escalar com produto vetorial (este só existe no espaço e dá um vetor).
- Dar o ângulo em radianos ou graus sem indicar a unidade, ou esquecer que arccos devolve valores entre 0° e 180°.
Exercícios propostos
1Exercício 1
Calcule (5, −2)·(1, 4).
Ver solução
5 × 1 + (−2) × 4 = 5 − 8 = −3.
2Exercício 2
Os vetores (3, −6) e (4, 2) são perpendiculares?
Ver solução
(3)(4) + (−6)(2) = 12 − 12 = 0. Sim, são perpendiculares.
3Exercício 3
Calcule o ângulo entre u = (√3, 1) e v = (0, 2).
Ver dica
Calcule u·v, |u| e |v|.
Ver solução
u·v = √3 × 0 + 1 × 2 = 2; |u| = √(3 + 1) = 2; |v| = 2. cos θ = 2/(2 × 2) = 1/2, logo θ = 60°.
4Exercício 4
Determine k para que (k, 2, 1) e (3, k, −4) sejam ortogonais.
Ver solução
u·v = 3k + 2k − 4 = 5k − 4 = 0, logo k = 4/5. Verificação: (4/5)·3 + 2·(4/5) − 4 = 12/5 + 8/5 − 4 = 4 − 4 = 0 ✓.
5Exercício 5
Uma força F = (10, 5) N desloca um objeto segundo d = (3, 4) m. O trabalho é W = F·d. Calcule W em joules.
Ver solução
W = 10 × 3 + 5 × 4 = 30 + 20 = 50 J.
Perguntas frequentes
Qual é a fórmula para calcular o produto escalar a partir das coordenadas?
u·v = u1v1 + u2v2 no plano e acrescenta-se u3v3 no espaço. O resultado é um número real.
Como verificar se o resultado está correto?
Confirme que obteve um número e não um vetor. Teste a consistência do sinal com o ângulo. Se calcular o ângulo, confirme que cos θ está entre −1 e 1.
O que significa um produto escalar igual a zero?
Significa que os vetores são ortogonais (perpendiculares), desde que nenhum seja o vetor nulo. É o método habitual para provar que duas retas ou vetores são perpendiculares.
Que erros se cometem ao calcular o produto escalar a partir das coordenadas?
Dar um vetor como resposta, multiplicar coordenadas cruzadas e esquecer as normas ao calcular o ângulo. Veja a secção de erros.
Resumo
- u·v = soma dos produtos das coordenadas homólogas; o resultado é um número.
- cos θ = u·v/(|u||v|) permite obter o ângulo entre vetores.
- u·v = 0 indica vetores ortogonais; sinal positivo, ângulo agudo; negativo, ângulo obtuso.
- u·u = |u|2, o que liga o produto escalar à norma.
- Em Física, o trabalho de uma força é o produto escalar força·deslocamento.
Onde aprofundar
- O manual de Matemática da sua classe/curso e o programa oficial (INIDE / Ministério da Educação de Angola) — confirme a edição em vigor.
- Paulo Boulos e Ivan de Camargo, Geometria Analítica: um tratamento vetorial.
- Winterle, Vetores e Geometria Analítica.
Continue a estudar
Como calcular a soma de dois vetores?
Para somar dois vetores dados por coordenadas, some as coordenadas correspondentes: (u1, u2) + (v1, v2) = (u1 + v1, u2 + v2). O resultado é um vetor. Geometricamente…
4 exemplos5 exercícios com solução✓ Estudado
O que é a equação geral da reta?
A equação geral da reta é ax + by + c = 0, com a e b não ambos nulos. Os pontos (x, y) do plano que a satisfazem formam uma reta. O vetor (a, b) é perpendicular à reta…
4 exemplos5 exercícios com solução✓ Estudado
Como calcular a equação da reta que passa por dois pontos?
Dados A(x1, y1) e B(x2, y2), calcule o declive m = (y2 − y1)/(x2 − x1) e escreva y − y1 = m(x − x1). Se x1 = x2, a reta é vertical, x = x1. Se y1 = y2, é horizontal, y…
4 exemplos5 exercícios com solução✓ Estudado
Como calcular o ângulo entre duas retas no plano?
O ângulo agudo θ entre duas retas de declives m1 e m2 obtém-se com tg θ = |(m2 − m1) ÷ (1 + m1·m2)|, seguido de arctg. Se 1 + m1·m2 = 0, as retas são perpendiculares e…
4 exemplos5 exercícios com solução✓ Estudado