Produtos escalar, vetorial e misto

Os três produtos em R2 e R3, ângulos, áreas, volumes e ortogonalidade.

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Produto escalar e norma

Para u,v∈Rnu,v\in\mathbb R^n, u⋅v=∑iuiviu\cdot v=\sum_i u_iv_i e ∥u∥=u⋅u\|u\|=\sqrt{u\cdot u}.

  • Comutativo e distributivo; (ku)⋅v=k(u⋅v)(ku)\cdot v=k(u\cdot v).
  • u⋅v=0u\cdot v=0 significa ortogonalidade. O zero é ortogonal a todos, mas não define ângulo.
  • Para u,v≠0u,v\ne0, cos⁡θ=(u⋅v)/(∥u∥∥v∥)\cos\theta=(u\cdot v)/(\|u\|\|v\|), 0≤θ≤π0\le\theta\le\pi. Sinal positivo: θ<π/2\theta<\pi/2; nulo: θ=π/2\theta=\pi/2; negativo: θ>π/2\theta>\pi/2.
  • Sem coordenadas: ∥u+v∥2=∥u∥2+2u⋅v+∥v∥2\|u+v\|^2=\|u\|^2+2u\cdot v+\|v\|^2 e ∣u⋅v∣≤∥u∥∥v∥|u\cdot v|\le\|u\|\|v\|. Em geral, ∥u+v∥\|u+v\| não é a soma das normas.

Produto vetorial e área

Para u,v∈R3u,v\in\mathbb R^3, u×v=(u2v3−u3v2, u3v1−u1v3, u1v2−u2v1)u\times v=(u_2v_3-u_3v_2,\ u_3v_1-u_1v_3,\ u_1v_2-u_2v_1): vetor ortogonal a ambos, com sentido pela regra da mão direita.

  • u×v=−(v×u)u\times v=-(v\times u); distributivo, mas não associativo.
  • u×v=0u\times v=0 equivale a dependência linear (paralelismo, para não nulos).
  • Área do paralelogramo: ∥u×v∥\|u\times v\|; triângulo: metade. Para não nulos, ∥u×v∥=∥u∥∥v∥sin⁡θ\|u\times v\|=\|u\|\|v\|\sin\theta.

Para vetores independentes, as duas normais unitárias são ±(u×v)/∥u×v∥\pm(u\times v)/\|u\times v\|. Também podes calcular a área sem coordenadas:

∥u×v∥2=∥u∥2∥v∥2−(u⋅v)2.\|u\times v\|^2=\|u\|^2\|v\|^2-(u\cdot v)^2.

Produto misto e volume

Em R3\mathbb R^3, [u,v,w]=(u×v)⋅w=det⁡[u v w][u,v,w]=(u\times v)\cdot w=\det[u\ v\ w].

  • ∣[u,v,w]∣|[u,v,w]| é o volume do paralelepípedo. O tetraedro com essas arestas a partir do mesmo vértice tem volume ∣[u,v,w]∣/6|[u,v,w]|/6.
  • Produto misto zero equivale a coplanaridade dos vetores.
  • Permutações cíclicas conservam o valor; trocar dois vetores troca o sinal.

Projeção e componente orientada

Para b≠0b\ne0:

proj⁡ba=a⋅bb⋅bb.\operatorname{proj}_b a=\frac{a\cdot b}{b\cdot b}b.

O erro a−proj⁡baa-\operatorname{proj}_b a é ortogonal a bb. Distingue o vetor projetado, a componente escalar orientada a⋅b/∥b∥a\cdot b/\|b\| e o comprimento ∣a⋅b∣/∥b∥|a\cdot b|/\|b\|.

Com a=(1,−3)a=(1,-3) e b=(1,1)b=(1,1), a projeção é (−1,−1)(-1,-1), a componente é −2-\sqrt2 e o comprimento é 2\sqrt2.

Contas de normas e áreas sem coordenadas.

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