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Produto vetorial: veja como calcular

Matemática - Manual do Enem
Eduardo Imagawa Publicado por Eduardo Imagawa
 -  Última atualização: 23/2/2024

Introdução

O produto vetorial, simbolizado por ×, é como um mágico da matemática. Ao operar em dois vetores, ele faz surgir um terceiro vetor que se destaca, ficando perpendicular aos dois iniciais. Imagine dois caminhos cruzando-se e uma placa surgindo exatamente onde eles se encontram.

O produto vetorial entre vetores de módulo u e v é representado da seguinte forma:

$$ \overrightarrow {u}\times \overrightarrow {v} $$

Essa expressão pode ser lida como “u vetorial v”.

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Índice

Como calcular o produto vetorial?

O cálculo do produto vetorial entre dois vetores e em um espaço tridimensional envolve matemática vetorial e o uso de determinantes. Vamos ver o procedimento passo a passo:

  • Representação dos Vetores: Suponha que os vetores sejam: e .

  • Configuração do Determinante: O produto vetorial é encontrado calculando o determinante da seguinte matriz 3x3:

matriz de 3 produto vetorial

  • Cálculo do Determinante: O determinante da matriz acima é calculado da seguinte forma:

Calculo de terminante

Aqui:

  • , , e são os vetores unitários nas direções x, y, e z, respectivamente.

Representação vetor no espaço

Para que serve o cálculo vetorial?

Usando cálculo vetorial, podemos simplificar um sistema de vetores em um vetor resultante. Imagine ter uma força de 12 N à direita e outra de 7 N à esquerda; a soma vetorial nos dá um total de 5 N à direita.

Aqui estão algumas das principais finalidades e aplicações do cálculo vetorial:

  1. Física:

    • Mecânica: Para descrever movimentos em três dimensões, como a trajetória de um projétil ou o movimento de planetas.
    • Eletromagnetismo: No estudo de campos elétricos e magnéticos, o cálculo vetorial é fundamental. As famosas equações de Maxwell, que descrevem como esses campos se comportam, são formuladas usando o cálculo vetorial.
    • Hidrodinâmica: Para descrever o movimento de fluidos.
  2. Engenharia:

    • Análise de Estruturas: Ao avaliar forças em estruturas tridimensionais, como pontes e edifícios.
    • Aerodinâmica: No estudo de como o ar flui ao redor de objetos, como asas de avião.
  3. Informática:

    • Gráficos em Computador: Para renderização 3D, animações e simulações.
    • Realidade Virtual e Jogos: Para criar e manipular objetos em um ambiente tridimensional.
  4. Matemática:

    • Geometria Analítica e Espacial: Para estudar a posição, direção e espaço entre objetos em três dimensões.
    • Cálculo Multivariável: Integração e diferenciação de funções vetoriais.
  5. Biologia e Medicina:

    • Neuroimagem: No processamento e análise de imagens de ressonância magnética, por exemplo, para identificar direções de fibras nervosas no cérebro.
    • Dinâmica de Fluidos Biológicos: Como no estudo da circulação sanguínea.
  6. Economia e Ciências Sociais:

    • Teoria dos Jogos: Em modelos que envolvem estratégias espaciais e posicionamento.

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Para que serve o cálculo vetorial?

O produto vetorial possui propriedades que podem auxiliar nos cálculos. Veja abaixo:

$$ \overrightarrow {a}\times \overrightarrow {b}=−\overrightarrow {b}\times \overrightarrow {a} $$

$$ \left( k\overrightarrow {a}\right) \times \overrightarrow {b}=\overrightarrow {a}\times \left( k\overrightarrow {b}\right) $$

$$ \left( \overrightarrow {a}+\overrightarrow {b}\right) \times \overrightarrow {c}=\overrightarrow {a}\times \overrightarrow {c}+\overrightarrow {b}\times \overrightarrow {c} $$

Propriedades do produto vetorial

produto misto nada mais é do que uma operação de produto vetorial, seguida de uma operação de produto escalar. Dessa forma, o resultado final é um escalar.

Essa operação nos dá o volume do paralelepípedo formado com base em três vetores.

O produto misto é representado da seguinte forma:

$$ \overrightarrow {a}\cdot \left( \overrightarrow {b}\times \overrightarrow {c}\right) $$

A ordem não importa - o volume do paralelepípedo formado pelos três vetores será sempre o mesmo.

$$ \overrightarrow {a}\cdot \left( \overrightarrow {b}\times \overrightarrow {c}\right) =  \overrightarrow {b}\cdot \left( \overrightarrow {a}\times \overrightarrow {c}\right) = \overrightarrow {c}\cdot \left( \overrightarrow {b}\times \overrightarrow {a}\right) $$

Exemplo

Vamos calcular o produto misto dos três vetores a seguir:

$$ \overrightarrow {a}=\left( 1,2,3\right) $$

$$ \overrightarrow {b}=\left( 1,−2,2\right) $$

$$ \overrightarrow {c}=\left( −1,1,2\right) $$

$$ \overrightarrow {a}\cdot \left( \overrightarrow {b}\times \overrightarrow {c}\right) $$

Calculando primeiro o produto vetorial,

$$ D=\begin{vmatrix} i & j & k \\ 1 & −2 & 2 \\ −1 & 1 & 2 \end{vmatrix} $$

$$ D=−6i−4j−k $$

Portanto,

$$ \overrightarrow {b}\times \overrightarrow {c}=\left( −6,−4,−1\right) $$

Fazendo o produto escalar, obtemos a resposta final:

$$ \overrightarrow {a}\cdot \left( \overrightarrow {b}\times \overrightarrow {c}\right)=\left( −6,−8,−3\right) $$

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Produto misto

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Os pontos (1,3), (2,7) e (4,k) do plano cartesiano estão alinhados se e somente se k for igual a:

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