segunda-feira, 27 de dezembro de 2010

Que é Geometria Analítica - René Descartes- Gráficos função linear e a linha reta.

        No ano de 1616, um pequeno aristocráta francês, de aparência franzina, metido em roupas de tafetá, preferívelmente verde, com um enorme chapéu emplumado, transpunha a entrada da Universidade da Poitiers, todo garboso de sí, pois tinha terminado o seu curso de Direito; seu nome  René Descartes.
         O jovem Descartes, estava disposto a " reformar o mundo", pelo menos no que tangia ao pensamento filosófico da época.
        Rejeitava por completo a filosofía existente, pois segundo suas palavras " todas as coisas mais absurdas ou fantásticas tinham já sido enunciadas por um ou por outro filósofo.".
       A matemática era a ciência que mais lhe agradava, porque nela ele achava um método dedutivo perfeitamente desenvolvido.
      O mundo científico, na época de Descartes se achava em plena expansão; Kleper estudava leis que regem os movimento dos planetas, Galileu desenvolvia a mecânica, William Gilbert publicava os resultados de seus estudos sobre o magnetismo, na Medicina William Harvey descobre a função do coração, como bomba propulsora do sangue.
     Fervilhava a Europa em novas idéias - era o " Renascimento" .
     Em meio a tamanha explosão de pensamento, Descartes chegou à conclusão de que era necessário uma norma diretiva e disciplinadora.
     No inverno do ano de 1619, apresenta uma sua monumental obra : " Discurso Sôbre o Método" , ou seja, Dissertação sôbre o método a se seguir, para o uso acertado da razão e da pesquisa científica da verdade"
     Essa obra contém um valioso trabalho matemático, que a nós interessa particularmente - " a Geometria  Analítica "

A Geometra Analítica

    Na obra de Descasrtes, a Geometria Analítica, foi escrita no último capítulo, cerca de 106 páginas.
    Em " La Geometrie" título original em frances, Descartes propunha uma idéia extraordinariamente simples,
     mas um tanto fecunda, de que um ponto, terá a sua posição, perfeitamente determinada por meio de um par de Números Reais: um número como medida de uma distância num eixo ( escala orientada) "horizontal", e o outro como medida de uma distância num eixo vertical.( lembramos aqui o que chamamos  de pares cartesianos x , y   ( a abscissa x e a ordenada  y )
     Tal sistema não é novo a quem já esteja acostumado a localizar uma cidade em um mapa.
     O eixo vertical é o meridiano que passa por Greenwich, e o horizontal é o Equador , o par de números , neste caso é constituído pela latitude e longitude do lugar.
     Este sistema de dois eixos , recebeu o nome de  "Sistema Cartesiano", em honra a Descartes, que assinava o seu nome em latim como " Cartesius "
     O Sistema  Cartesiano, estabelece portanto, uma correspondência biunívoca entre os ponto  P do pla
no e todos os pares de números reais (x;y)


Geometria  Analítica

Definição - A geometria Analítica é o ramo da matemática  que tem por finalidade o estudo da Geometria por métodos que se revestem de forma algébrica.


INTRODUÇÃO À GEOMETRIA ANALÍTICA PLANA

SISTEMA CARTESIANO ORTOGONAL- Sabemos que um sistema ortogonal é constituido por duas retas  x    e  y, perpendiculares entre sí.
A reta x é chamada eixo das abscissas
A reta y é chamada eixo das ordenadas
O ponto O,  intersecção das retas x   e   y , é chamado  origem
Os dois eixos dividem o plano em 4 regiões chamadas de quadrantes.
Estabelecido o sistema, podemos identificar qualquer ponto do plano por meio de um par ordenado de numeros reais. Assim , dado um ponto P de um plano
- baixamos ou levantamos uma perpendicular  ao eixo x, terminando em um ponto M da coordenada  a
- baixamos ou levantamos uma perpendicular ao eixo y, terminando num ponto N da coordenada b

Para um ponto pertencente ao 1º quadrante, ele deve ser associado por dois numeros reais de zero a infinito positivo x, e de zero a infinito positivo y
Para ser do 2º quadrante  de zero a infinito negativo x e zero a infinito positivo y
Ao 3º quadrante ser de zero infinito negativo x e zero infinito negativo y
Ao 4º quadrante ser de zero  infinito positivo x e zero infinito negativo y.

Represente ao plano cartesiano ortogonal,  os pontos:
a) A (-1,4)            2º QUADRANTE            
b) B (2,-5)            4º QUADRANTE
c)C (3,3)               1º QUADRANTE
d)D (-2,-2)            3º QUADRANTE
e) E ( -3,2)            2º QUADRANTE


DISTÂNCIA ENTRE DOIS PONTOS

Dados dois pontos  A (Xa,Ya )  e B (Xb, Yb)
 1º caso - AB fica paralelo a  abscissa X

 d= módulo (Xb - Xa)

2º caso - AB fica paralelo a ordenada Y

d= módulo (Yb - Ya)

3} caso - AB não é paralelo aos eixos

Neste caso AB fica obliqua e então torna-se a hipotenusa do triangulo retangulo  onde BC e AC serão os catetos
Em se tratando de um triangulo retangulo aplicamos o teorema de Pitágoras para a solução.
(AB)² = [ (BC)² +(AC)².

Obs- BC = (Yb-Ya)            AC= (Xb-Xa)


Ex- Represente os pontos A(7,-6) , e  B(2,6)

Sendo0 A ( 7,-6)        e B ( 2,6)
             A ( Xa,Ya)    e B (Yb,Ya)
Substituindo na expressão       
d =raiz quadrada  de{ ( 2-7)²+[ 6-(-6)]²
d=13

CASO PARTICULAR

Ponto médio- = Xm = (Xb+Xa) ;2       Ym= ( Yb+ Ya) : 2

CONDIÇÃO DE ALINHAMENTO DE TRÊS PONTOS

A condição necessária e suficiente para que três pontos  A( Xa,Ya),  B(XbYb) e  C(XcYc)
sejam colineares ( alinhados) é que  o determinante seja = 0

                        Xa   Ya   1
            D   =    Xb   Yb  1      = 0
                        Xc   Yc   1        
      Se o determinante for diferente de zero teremos um triangulo  (se forem três os pontos)

Exemplo:

Verifique se os pontos A(2,1) , B(3,2), C(5,4) estão alinhados

Determinante =  2 1 1
                         3 2 1                 = -10-8-3+4 +5+12 = 0
                         5 4 1   
Como  D=0 , pela condição de alinhamento A,B,C estâo alinhados.

A RETA

-   EQUAÇÃO   GERAL DA RETA
Dados dois pontos A(Xa, Ya)  e  B (Xb,Yb)  consideremos o  ponto  P( x,y)

Se A, B, e P são colineares, então :

X   Y    1
Xa  Ya  1    =0           ( -XbYa - XYb -XaY+XYa+ XbY + XaYb =0
Xb  Yb  1                   X(Ya-Yb) + Y(Xb+Xa) + XaYb-XbYa =0
                                        a                      b            c      ou
                                        ax       + by   + c =0 
Essa expressão é chamada  EQUAÇÃO GERAL DA RETA que passa pelos dois pontos A e B.

Portanto essa equação representa uma reta.


CASOS PARTICULARES DA EQUAÇÃO GERAL DA RETA

1º caso  - a=0 by+c =0     y=-c/b

2º caso - b=0 ax +c =0      x= -c/a

3º caso- c=0     ax+by=0 ( 0,0) pertence à reta
Logo a reta passa pela origem
exemplo   x-y=0

Resolução que facilitará determinar a equação geral e a segmentária
A equação segmentária É   x/p + y/q = 1        sendo p=6   e   q=9

Temos os pontos  p abscissa do ponto de intersecção da reta r com o eixo X
                        e  q ordenada do ponto de in tersecção da reta r com o eixo Y

Isto significa que Q(0,q ) em Y e

                          P ( p,0) em  X.                   Equação segmentária = x/p+y/q = 1

                      Substituindo p e q temos            X/6 + Y/9 = 1
   e  a  geral é
                      O mmc entre 6 e 9 = 18           3x+2y=18    ou  3x+2y - 18 = 0

EQUAÇÕES PARAMÉTRICAs

As equações que dão as coordenadas (x,y) de um ponto  da reta em função de uma terceira variável  t são chamadas equações paramétricas da reta.

             x= f'' (t)  e    y= f" (t)

Para escrevermos a equação geral da reta, a partir de suas equações paramétricas, basta isolarmos o parâmetro  t em cada uma das equações dadas e igualarmos as expressões obtidas..

Exemplo -
Dadas as equações paramétricas x= 2t-1  e  y=t+3, obter a equação geral da reta

x=2t-1         -2t=-x-1         2t= x+1      t= x+1/ 2  

y= t+3          -t= -y+3         t= y-3    

x+1/2 = y-3       x+1+2(y-3)     x+1 =2y-6

x-2y+7=0     ( equação geral )

DISTANCIA DE PONTO A  RETA

Dado um ponto P(Xo,Yo ) e uma reta de equação ax+by +c =0

Por   P traçamos a reta  s perpendicular a  r obtendo o ponto M, intersecção de  r  e   s   determinamos a distancia entre eles -

Um modo mais prático de calcularmos a distancia ente P e r é com o auxílio da fórmula

Dp,r = AXo + BYo +C  dividido por Raiz quadrada de (a² +b²)

OBS o resultado é um módulo por isso não importa que o resultado  da divisão seja negativo sempre será considerado positivo  como é o caso de seguinte exemplo
-5 = 5
Exemplo -
P(2,-4)      Xo =2   e   Yo =-4     a equação é 3X +4Y +5=0  sendo a=3    b=4       c=5

Substituindo na expressão  temos 
d= 3.2+4(-4) +5 = -5
         raiz de 3²+4² =5       I -5/5I  =- 1   resp. =1

AREA DE UM TRIÂNGULO

Sabemos da Geometria Plana que a ´[area de um triangulo é ( base X altura ) dividido por dois

Em GEOMETRIA ANALÍTICA podemos calcular a área de um triangulo com o auxílio da fórmula

S=1/2 determinante             é só conhecer os pontos  A(X1Y1),B (X2 Y2) C(X3Y3) Montamos  a matriz sempre a terceira colun a =1  e achamos o valor do  determinante e dividimos por dois.


A CIRCUNFERENCIA - EQUAÇÃO REDUZIDA
Considere o seguinte problema :
 Dada uma circunferêrencia  de centro C (a,b) e raio r , determine a equação dessa circunferencia . Da mesma forma que, dada uma reta do ponto cartesiano, a ela fica associada uma equação do tipo  ax+by+c=0, queremos determinar uma equação de modo que as coordenadas de todo ponto da circunferencia satisfaçam a essa equação

 Sabemos que um ponto genérico P(x, y) do plano cartesiano pertence à circunferência de centro  C(a, b) quando a distância entre o ponto e a circunferência é igual ao raio.


 Aplicando a fórmula da distancia entre dois ponto teremos R²= (x-a)² + ( y-b)²
 essa é a formula reduzida.

AQUAÇÃO NORMAL
A equação (x-a)²+ (y-b)²= r², com r> 0, representa o plano cartesiano,como já vimos , uma circunferência de centro C (a, b) e raio r.
Desenvolvendo os quadrados e agrupando os termos da equação ;
x²+y²-2xy -2 by +a²+b² -r² = o  ( equação normal) ou

x² +y² -2ax - 2by  c = 0   ( onde c= a²+b²-r² )

Observe na equação de circunferencia que:
1) é uma equação do 2ºgrau nas duas variáveis x   e   y
2) os coeficientes de x²  e  y²    são  iguais a  1
3)o termo in dependente na equação normal é   c= a²+b² - r²

Um ponto ou uma reta poderá ser uma secante  à circunferencia se a distância da reta ou do ponto  for < que o r
Será tangente se o ponto pertencer à circunferencia e nesse caso a distancia será  = ao ráio
Será exterior se a distancia do ponto ou da reta for maior que o tamanho do raio..

PROBLEMAS CLÁSSICOS DA RETA

1-Equação das retas que passam por um ponto
Seja a reta  Ax+By + C = 0    e M  (x' , y') um ponto dessa reta

Se a reta passa por M temos :
Ax' + By' + C = 0 Subtraindo membro a membro essas duas equações obtemos : A(x -x') + B (y -y')  = 0
que é a equação da reta que passa por  M
Se   B é diferente  de Zero, podemos escrevê -la       (y - y') = -A/B ( x - x')
ouy - y' = a ( x - x') que é a equação comumente usada. Exemplo
1º - Escrever a equação do feixe de retas que passam pelo ponto ( 2, 1 )
Temos     ( y - 1) = a ( x - 2 )
2º Escrever a equação da reta que passa no ponto  M( -1, 2 ) e forma um angulo de 45° com o semi eixo positivo dos  x.
 A equação do feixe da retas passando por  M é ;
y-2 = a ( x+1 )   se a inclinação é de 45° a = tg 45° = 1 e a reta pedida será  y - 2 = x + 1  ou y = x + 3

2- Equação das retas que passam por dois pontos:
Seja a equação geral da reta
 Ax + By + C = 0

M' ( x',y' )     e   M'' ( x" , y" )

A equação das retas que passam por M'  é :
y - y' = a ( x - x')   (I)         Se  a reta passa também por M" as coodenadas  ( x", y" ) devem satisfazer a equação  (I)
                        y" - y' = a ( x" - x' )     portanto  a = Numerador (y" - y') sobre  ( x" - x' )
substituindo esse valor de a  em (I) , temos        y - y' =( y" - y') sobre ( x" - x') multiplicado por ( x - x' )

EXEMPLO - Qual a equação de reta que passa pelos pontos ( 2,3 ) e ( -1, 1 )
  y-3 = (1 -3)   : ( -1 - 2 )  . ( x - 2 )    ou 2x - 3y +5 = 0
3 - OBSERVAÇÃO
A equação      y - y' = ( y" - y ): ( x" - x' ) . ( x - x' )  pode ser escrita também sob forma de determinante  assim                        | x         y      1   |
                                | x'        y'      1   | = 0    portanto  2x - 3y + 5 = 0
                                | x"        y"     1   |
REGRA PRÁTICA - ou ainda poderá ser escrita | x    x'   x"    x  |
                                                                            |y    y'   y"     y  |    = 0
cujo primeiro termo é calculado como foi ensinado no estudo da área do triangulo
Exemplo :
Achar a reta  que passa pelos pontos ( 2 , 3 ) e ( -1 , 1 )

| x  2  -1|
| y   3   1  = 0
                           ( 3x + 2 - y ) - ( 2y - 3 + x ) = 2x -3y + 5 = 0

POSIÇÃO RELATIVA A DUAS RETAS. PONTO DE INTERSEÇÃO.
Sejam duas retas representadas por suas equações
 Ax + By + C = 0
A'x + B'y + C' = 0
As coodenadas do ponto de interseção dessas retas devem satisfazer simultaneamente, as duas equações, logo é uma solução de (I ).
Se  A/ A' diferente de B/B', o sistema  ( I ) é determinado : e , se tem uma só solução , as retas dadas tem um só ponto em comum  - são incidentes  ou concorrentes .
Se A/A' = B/ B'= C/ C', o sistema ( I ) é indetermonado e as retas dadas tem uma infinidade de pontos em comum , são coincidentes.
Se A/A'= B/B' e diferente C/C', o sistema ( I ) é impossível e , se não tem solução , as retas dadas não tem ponto em comum - são paralelas.

CONDIÇÃO PARA QUE TRÊS RETAS SEJAM CONCORRENTES

Sejam as tres retas representadas pelas equações :
|A   B  C |
|A'  B'  C'|  = 0
|A" B"  C''|


EXERCÍCIOS - Diga a posição relativa  das retas representadas pelos pares de equações abaixo :

1- 2x -3y + 5 = 0             e   4x + 6 y + 10 = 0
2- 3x - 2 y  - 1=0             e   6x -  6 y -  2   = 0
3- 3 x +5 y - 2 =0             e   9 x + 15 y - 5 = 0        1- incidente       2 - coincidentes   3- paralelas.
Achar m para que
4- as retas 3x + 2my - 5 = 0 e  y = x + 1  sejam incidentes
5- as retas mx + 12y=6  e 3x + my = 3     sejam paralelas
6- as retas 2x - 5y +7 = 0, 7x -6y + 15 =0 e 3x + 4y +1 = 0 são concorrentes.

                                       ( 4-)  m diferente de - 3/2          (5-) m = -6            ( 6 -) m= -6    ( 7-) sim

ANGULO DE DUAS RETAS  
DEFINIÇÃO -Chama-se ângulo de duas retas oblíquas r  e  s  , de r para s, AO MENOR ANGULO , medido no sentido anti- horário, tendo r como lado inicial e s como lado terminal. Para dar maior destaque à definição indicaremos o angulo por Mrs
O angulo, dessas retas, de s para r será  Mrs. = 180 - Mrs           exemplo Msr=135°    = 180 - 135= 45°
Se as retas forem  paralelas o seu angulo é nulo, e se são perpendiculares seu angulo é um dos 4 angulos iguais ( retos)
TANGENTE DO ANGULO DE 2 RETAS- Sejam duas retas oblíquas r   e   s   cujas inclinações são
or  e os.e que não são perpendiculares ao eixo dos x.
O angulo Ors = Os -)r
portanto  tg Ors = tg (Os -Or)  = (tg Os - tg Or ) : ( 1 + tg Os . tg Or )
Mas a tg  Os = ms , e tg mrs, sendo mr e msr , respectivamente , o coeficiente s angulares de r   e  s . Então  tg Ors = (Ms - Mr) : ( 1 + ms.mr ) é a expressão da tangencia do angulo de 2 retas em f8unção de seus coeficientes angulares.
Se quizermos  calcular o angulo Osr teremos
tg Osr= tg( 180° -Ors )= - tg Ors portanto Tg  osr= ( mr- ms) : 1 + ms.mr
  

CONDIÇÃO DE PARALELISMO DE 2 RETAS - Quando seus dois coeficientes angulares forem iguais
isto é, sejams e r duas retas  ´paralelas , porque ORS=0 ou tangente Ors = 0  e , da formula anterior
ms - mr = 0  potanto    mr = ms

CONDIÇÃO DE PERPENDICULARISMO DE 2 RETAS. Se as retas  r   e   s  são perpendiculares
Ors do gráfico acima = Os - Or     0r portanto Os = 90° + O r

Então tg Os = tg ( 90° + Or ) = - Cot Or = - 1 / tg O,
           Ms = - 1 / mr
Então 2 retas são perpendiculares quando o coeficiente de uma delas for simétrico do inverso da outra.

Exercícios resolvidos :


























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