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Dois semestres de álgebra linear básica um manual do professor. Carlos Tomei Departamento de Matemática, PUC-Rio
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Ester Prado Beltrão
1 Dois semestres de álgebra linear básica um manual do professor Carlos Tomei Departamento de Matemática, PUC-Rio 1
2 Prefácio e garantia A diferença entre a revolução (teoria e práxis) e a conversa de bar (ideologia e tira-gostos) é grande. Sugerir um curso e fazê-lo funcionar também são duas coisas muito diferentes. Esse texto tem a pretensão de ir além da simples lista de sugestões: o material foi exaustivamente discutido e já foi testado mais de uma vez na situação real (alunos, provas, equipes de professores, computadores). Resulta disso que esse texto é uma combinação de dois modos de apresentação, indicativos de dois aspectos didáticos. Certas seções são justificativas para inserção (ou eliminação) de tópicos, outras são descrições de aulas, roteiros apurados pelo uso. Tudo é passível de crítica, de alteração. Cada um de nós tem seus tópicos preferidos: aqueles apresentados aqui foram triados por anos de conversa com colegas de várias especialidades, pela minha experiência profissional, e pelo fato que existe mais material do que tempo de ensino. A vantagem que esse texto tem sobre a n-ésima conversa é que aqui estão filtrados e explicitados os argumentos: podemos começar a discussão de um ponto mais avançado. Expostos, os argumentos podem ser desmentidos com mais facilidade. Num mundo de textos abertos, gostaria muito que a comunidade tomasse essas notas como um ponto de partida para um banco de dados de exercícios, discussões e temas sobre o ensino básico de álgebra linear. Com a ajuda de Ana Pavani, do Departamento de Engenharia Elétrica da PUC-Rio, está disponível um endereço para os interessados em levar o projeto adiante: por enquanto, perguntem a Os agradecimentos são extensos: a Percy Deift, Peter Lax e George Svetlichny por razões cármicas, Lício Bezerra, Derek Hacon, Paulo Henrique Viana Barros, Celso Wilmer, por infinitas conversas, às várias equipes de cursos de Álgebra Linear de que participei na PUC-Rio, ao Departamento de Matemática, PUC-Rio, que me permitiu testar o material. Humberto José Bortolossi e Max Souza ajudaram, como sempre, na edição e ilustrações. 2
3 Finalmente, agradeço aos organizadores deste CNMAC pela possibilidade de apresentar esse material. No encontro de 1998, percebi o quanto foi importante para a difusão do cálculo numérico no Brasil que Maria Cristina Cunha, da UNICAMP, vinte anos atrás, tenha trazido a questão de seu ensino a um CNMAC que a tarefa sugerida esse ano tenha uma fração da sorte que aquela teve! Um pouco de história, parcial e incompleta Álgebra linear e teoria de matrizes se confundem com freqüência. Álgebra linear literalmente trataria de questões lineares: espaços vetoriais, transformações lineares. Matrizes apareceriam como representações convenientes de transformações lineares. Mas autovalores são objetos não lineares por excelência, e muito do mérito de álgebra linear vem de seu uso em problemas aparentemente não lineares. Para Derek Hacon, teoria de fibrados é álgebra linear a vários parâmetros; para Peter Lax, todo problema se torna linear em cardinalidade suficientemente alta; para André Weil, a única matemática que se entende é a que se lineariza. Historicamente, aplicações de matrizes ou talvez, modismos têm importância variável. Sylvester acreditava que a matemática do século XX seria o estudo de matrizes cujas entradas são outras matrizes, objetos aliás caseiros entre analistas numéricos, para quem um laplaciano discretizado num retângulo é uma matriz tridiagonal em blocos. Manipulações simbólicas em combinatória e geometria analítica tornaram determinantes fundamentais: hoje, um aluno deveria saber decidir rapidamente se três pontos em um plano estão alinhados. Entretanto, não se espera que saibamos verificar se quatro pontos estão num círculo um determinante um pouquinho mais complicado que saiu de moda (mas está voltando por razões gráficas). O efeito de perturbações de posto um no espectro e na inversa de uma transformação linear provavelmente foi estudado antes para operadores de Schrödinger (fórmulas do tipo Weinstein-Aronsjan), e depois considerado para matrizes (Sherman-Morrison), com aplicações abundantes em análise numérica. 3
4 Matrizes como retângulos de números descrevem tabelas, adjacências de grafos, e se por um lado são ancestrais conceituais de outras espécies matemáticas, como matróides e grupos de Lie, por outro sugerem alternativas aparentemente relegadas pela evolução dos conceitos, como números dispostos em cubos. Aliás, a palavra matrix, no latim tardio, designa os registros públicos, onde os cidadãos são associados aos nomes de suas mães, única certeza (e como lista de registros, virou também matricula). E disposições mais exóticas de números são de fato estudadas, às vezes de forma escondida: o produto tensorial empregado ao representar um laplaciano discretizado num paralelepípedo (e calcular-lhe o espectro) é um exemplo disso. Para complicar as coisas, muito do que se aprendeu sobre álgebra linear (anterior à teoria de matrizes) foi feito num período heróico em que a axiomatização era ainda remota. Afinal, grande parte dos problemas que interessavam aos titãs do cálculo eram genuinamente não lineares, e aproximações lineares eram indispensáveis. Lagrange, que não conhecia matrizes, decidia se uma Hessiana era positiva (ou melhor, se um equilíbrio de um sistema mecânico era estável) de forma explícita, computacional, e não calculando seu espectro, como habitualmente fazemos nos cursos de cálculo, o que deixa claro que na verdade não pretendemos fazer essas contas (Lagrange, como a decomposição de Choleski, completava quadrados). Aliás, o próprio método de cálculo de autovalores e autovetores encontrado nos livros básicos habituais é evidência de que esse cálculo é de interesse marginal para os autores dos textos. Ironicamente, é provável que a maioria dos modelos matemáticos com muitas variáveis (na escala de centenas ou mais) seja linear atualmente, álgebra linear é o cálculo a muitas variáveis. Não só os temas mudam de relevância no tempo, mas mudam também as motivações para ensiná-los. Geometria sintética e seu oráculo, geometria analítica, são ensinados no colégio para exercitar aptidões visuais e de argumentação lógica e algébrica. Entretanto, é raro que geometria analítica seja realmente usada em classe como a panacéia para a geome- 4
5 tria elementar: a descoberta cartesiana é fartamente elogiada, raramente empregada. Uma das razões apresentadas para isso é que as contas freqüentemente se tornam enormes, o que em geral é apenas falta de conhecimento o apêndice, logo depois da introdução, é um exemplo muito significativo. Em um certo momento, álgebra linear tornou-se paradigmática do modo profissional de fazer matemática, devido a sua axiomatização muito simples. Os cursos se tornaram mais abstratos, com ênfase em aspectos algébricos, e as motivações iniciais foram sendo esquecidas: não se lineariza nos cursos de álgebra linear e evita-se qualquer discussão analítica, como teoria de perturbação e a estabilidade da resolução de sistemas. Alunos só consideram a diferenciabilidade dos autovalores depois de um curso de análise funcional. Como conseqüência, a protoanálise funcional, em dimensão finita, passa a ser apenas um aspecto do cálculo numérico, por sua vez também frequentemente escamoteado. A diferenciação da inversa de matrizes reais, em alguns cursos de graduação, ficou como um derradeiro exemplo da infinidade de questões que são tão bem descritas no cenário de teoria das matrizes, um dos grandes campos de prova da matemática desse século. Nas últimas décadas, surgiram novas razões para considerar álgebra linear e geometria analítica: modelagem a muitas variáveis, análise numérica (que mais uma vez faz aparecer sistemas a muitas variáveis), computação gráfica. O que ensinar, então? 1.O cenário A proposta de material apresentada nesse texto foi empregada nos últimos dois semestres nos cursos de Álgebra Linear I e II da PUC-Rio, e existe um consenso nos departamentos do Centro Técnico Científico de que convém mantê-la. Nos últimos dois anos, foi estudada por uma comissão de professores do CTC uma alteração substancial dos cursos básicos de engenharia e ciências: o conteúdo dos cursos de álgebra linear foi cuidadosamente considerado, levando em conta os interesses dos departamentos, a formação profissional dos alunos e 5
6 a modernização das técnicas de ensino, recebendo o aval da comissão. Todos os alunos dos cursos técnicos são obrigados a cursar ALI, mas só alguns departamentos (entre os quais o de Engenharia Elétrica, Informática e Engenharia Civil) exigem de seus alunos ALII. O próprio Departamento de Matemática dispensa seus alunos de ALII, já que os tópicos são tratados com mais profundidade em cursos posteriores. Os alunos de ALI acabam de entrar na Universidade, ou estão em seu segundo semestre, e fazem ALII imediatamente depois. Em geral, são mal preparados matematicamente, e seu desempenho nos cursos de cálculo tem piorado nos últimos anos. São freqüentes as equipes com cinco professores (alguns com duas turmas) em ALI e equipes de três professores em ALII. A avaliação dos cursos é feita por três provas distribuídas pelo semestre: de forma resumida, se os alunos não alcançam uma média (5 ou 6, dependendo de variáveis irrelevantes no momento), têm a oportunidade de trocar uma das notas pela nota de uma quarta prova, que abrange o conteúdo de todo o curso. O curso de ALI tem quatro horas de aula semanais; ALII tem três horas semanais, uma das quais é nos laboratórios de computação. As aulas teóricas de duas horas são longas demais, em geral: é freqüente interromper em 80 minutos. Uma estratégia interessante é liberar os alunos depois desse período e tornar facultativo um apêndice da aula em que material suplementar é apresentado. A duração dos cursos é de cerca de 16 semanas. 2. Uma primeira descrição do conteúdo As provas dividem cada curso em três partes. Na primeira parte de ALI, introduzem-se os conceitos básicos de geometria analítica, com ênfase em distância e ângulo, retas e planos. Na segunda parte são estudadas transformações lineares e suas 6
7 representações matriciais, ressaltando as que são descritas geometricamente de forma simples. A abundância de exemplos geométricos facilita a apresentação do material da terceira parte: autovalores e autovetores, diagonalização de matrizes. Em ALII, os alunos são apresentados a situações lineares que em princípio não estão relacionadas com geometria. Na primeira parte, são descritos três exemplos expressivos: contagem de caminhos num grafo, um modelo de crescimento populacional e a discretização de um problema de Sturm-Liouville no intervalo, com condições de Dirichlet. A seguir, estudam-se com mais detalhe (inclusive de natureza numérica) sistemas lineares (segunda parte) e teoria espectral (terceira). Nos dois cursos, são apresentados exemplos de uma atividade fundamental nas aplicações de matemática: modelagem. Melhor, os exemplos não necessitam de conhecimentos de física, o que indica a versatilidade das ferramentas para além das escassas aplicações tradicionais dos cursos de cálculo. Os tópicos escolhidos são convenientes também por razões de apresentação: as aulas são quase sempre motivadas por problemas concretos (no vocábulario em voga, são problemoriented ) e a modularização torna mais simples para o aluno descobrir seus pontos fracos e fortes. Além disso, as idéias importantes do curso são exemplificadas em um conjunto pequeno de exercícios, o que deve ser explorado na confecção das provas: problemas artificiais não são considerados relevantes, e problemas especialmente bonitos (ou interessantes fica por conta do estilo de cada um), já que são tão bons, não merecem ser apresentados em provas, e sim em sala de aula. Não encontramos um livro texto que apresente o material que nos interessa, da maneira que nos interessa. Durante os cursos, os alunos recebem algumas apostilas e listas de exercícios. Eventualmente, espera-se organizar o material de forma mais permanente. O livro Linear Algebra and Applications, de G. Strang, é uma excelente referência para boa parte de ALII. 7
8 Apêndice 1: O teorema de Napoleão Considere o seguinte resultado clássico de geometria, às vezes atribuído a Napoleão. Dado um triângulo ABC qualquer, construa sobre os lados, para fora do triângulo, três triângulos eqüiláteros com novos vértices X, Y e Z, como indicados na figura. C Y Z R Q A P B X O teorema diz que os centros P, Q e R desses três triângulos formam ainda outro triângulo eqüilátero. Para uma demonstração via geometria analítica, suponha que o plano é na verdade C, o plano complexo, e o triângulo original está disposto de maneira a termos A = 0, B = 1 e C = z, um número complexo qualquer. Em princípio, o resultado deve ser demonstrado para todo z C vamos ver entretanto que basta verificar o resultado para dois valores (praticamente arbitrários) de z! Bom, às contas: os vértices X, Y e Z são obviamente expressões afins de z (isso é da forma αz + β) por exemplo, Z é obtido rodando (isto é, multiplicando) C de 60 graus (isto é, e iπ/3 ). Mas o fato é que não precisamos nem ter as descrições explícitas dos três pontos. Os centros P, Q e R, por serem médias dos vértices de seus triângulos, também são expressões afins em z. O teorema, então, corresponde ao fato que R P é obtido girando Q P de 60 graus, 8
9 que mais uma vez é representado por uma expressão afim em z cujo valor deve ser mostrado igual a 0, para qualquer valor de z. Mas, para verificar isso, basta justamente escolher dois valores simples para z e neles verificar a validade do teorema: tome, por exemplo C no semiplano superior de maneira a fazer ABC eqüilátero, e C no ponto médio de AB, ou C = A. É possível escolher C no semiplano inferior com ABC eqüilátero, mas cuidado com o que X, Y e Z querem dizer nesse caso. O argumento acima exemplifica um fato desprezado em nossa árvore de ensino (mas que é bem conhecido por pesquisadores especializados): quase todos os resultados que ensinamos em geometria são equivalentes a relações algébricas muito simples, e como tal, podem ser demonstrados a partir de um número muito reduzido de casos. Enfim, praticamente toda a geometria que ensinamos admite demonstração por (poucos) exemplos, aquilo que um aluno espontâneamente faz, sem saber porquê pode fazer. Claro, resta saber quantos (e quais) exemplos são necessários em cada caso: essas técnicas são freqüentes em geometria algébrica e, mais recentemente, em computação simbólica. 9
10 Álgebra Linear I O começo do curso não trata de álgebra linear estritamente: são apresentados os fundamentos de geometria analítica. Os pré-requisitos são quase nulos: uma das dificuldades da preparação das aulas é descrever problemas interessantes usando material tão simples. Por quê ensinar isso? Para treinar visualização. Para falar de geometria sem ambiguidade. Na linguagem empregada em sala de aula, pense em transmitir imagens para um cego, ou para o cego absoluto: uma máquina. Para preparar o aluno para computação gráfica. Para acostumar-se ao dicionário geometria-álgebra. Para perceber eventualmente que, entre tantas operações geometricas, tranformações lineares são abundantes e simples. Por isso, ALI se limita ao plano R 2 e ao espaço R 3, com convites ocasionais a generalizações. A. O primeiro terço do curso (quatro semanas de teoria) A.1 Coordenadas de pontos, vetores Plantas como projeções Pontos no plano podem ser apresentados em um desenho, e pontos no espaço são dados por dois desenhos, correspondentes à projeção ortogonal dos pontos em dois planos coordenados esse é o começo de geometria descritiva. Pela sua naturalidade, essa representação tem um certo efeito teatral: imagine um barco construído dentro de um galpão, com plantas desenhadas em duas paredes. Uma terceira planta, numa terceira parede, contém informação repetitiva, mas que pode ser conveniente. Os alunos são convidados a pensar em algumas dificuldades associadas a essa representação. Por exemplo, não é fácil descobrir o comprimento de um segmento (sua verdadeira grandeza, no vocabulário de descritiva) a partir de 10
11 suas projeções, ou ainda pior, calcular o ângulo entre dois segmentos. Coordenadas Coordenadas são uma representação alternativa eficiente, abundantemente empregada em computação gráfica. Um conjunto de pontos no espaço, por exemplo, corresponde a uma lista de triplas de números, e as projeções desse conjunto nos planos coordenados, equivalentes às plantas descritivas, por sua vez são listas obtidas facilmente a partir da lista original. Seguem alguns exemplos interessantes: difíceis demais para sua turma. talvez alguns sejam 1. Para verificar o nível da turma, desenhe um paralelepípedo com faces paralelas aos planos coordenados, chame de (a, b, c) e (d, e, f) dois vértices opostos e faça as perguntas óbvias: quais são as coordenadas dos outros vértices, o que têm em comum todos os pontos de uma face, quais os comprimentos dos lados Desenhe um retângulo com pequenos retângulos espalhados regularmente em seu interior: uma representação de uma fachada com janelas. Forneça informações métricas suficientes, e pergunte quais as coordenadas de todos os vértices da figura. O problema é um bom exercício de notação, e pode ser usado para falar de loops (iterações) em programação. 3. Encontre as coordenadas dos vértices de, digamos, um pentágono regular centrado na origem, tendo o ponto (1, 0) como um dos vértices. Vetores e certas dificuldades notacionais Nesse curso, vetores são pontos de R 2 ou R 3 em outras palavras, vetores são n-uplas. O que mais poderiam ser? Na tradição dos tempos de colégio, vetores têm setinha e ponta, e se apoiam em algum lugar: vetores são representações de forças, incluindo sua direção, sentido, intensidade e ponto de aplicação. Numa linguagem mais matemática, os vetores do colégio são elementos do espaço tangente de R 2 ou R 3, e não membros desses conjuntos. Não há perda substancial de significado físico ao interpretar vetores como pontos vetores continuam sendo forças, todas aplicadas a um ponto só e 11
12 ganha-se muito em simplicidade. Um erro típico é achar que vetores de um plano são perpendiculares a um vetor normal do plano. O vetor do colégio é um segmento, possivelmente orientado. Coerentemente, não se deve dizer que dois vetores são paralelos, e sim, que eles estão na mesma reta pela origem pontos não são paralelos. Neste texto, evito o abuso freqüente em livros de álgebra linear: colinearidade e coplanaridade têm seu significado habitual dois vetores são sempre colineares, três são sempre coplanares. Nesse texto, afirmações do tipo três vetores são L.D. quando são coplanares estão erradas alguns planos de R 3 não passam pela origem. Como freqüentemente nesse curso consideramos operações afins, é conveniente ressaltar quando os objetos em discussão (retas, planos) contêm a origem ou não. Soma e multiplicação por escalar de vetores, espaços vetoriais Obviamente, as operações vetoriais básicas devem ser apresentadas algebrica e geometricamente. Em particular, as duas diagonais do paralelogramo naturalmente associadas aos vetores u e v merecem consideração. Seguem alguns exemplos de complexidade didática enganadora. 1. Somas são convenientes para descrever translações. Desta forma, uma lista de 2-uplas representando um conjunto de pontos importantes de uma figura planar dá origem a outra lista de 2-uplas associadas a pontos de uma translação desta figura. Em particular, padrões periódicos são fáceis de implementar, sem que cada componente (lista) seja guardada exaustivamente na memória. (O problema da fachada com janelas pode ser re-estudado). 2. A soma das cinco raízes quintas da unidade é zero (estamos pensando nas cinco raízes como sendo vetores do plano, obtidos em um exemplo acima) os alunos são facilmente convencidos disto pela interpretação de força resultante. Essa aliás é uma oportunidade interessante para introduzir um argumento de simetria: o conjunto formado por esses cinco vetores é invariante por uma rotação de 2π/5, logo a soma também deve 12
13 ser: mas o único vetor invariante por uma rotação não trivial é o vetor 0. Esse fato geométrico por sua vez implica em duas identidades trigonométricas (uma em cada coordenada) que não são óbvias. 3. Ao verbalizar a operação v 2v, dizemos que cada vetor é duplicado, mas isso não quer dizer para os alunos que figuras inteiras sejam duplicadas. Mais concretamente, alunos têm dificuldades de aceitar que essa operação leva todo e qualquer círculo unitário a outro círculo de raio 2. Um bom exercício aliás é fazê-los obter o diagrama comutativo que combina translações e dilatações (isto é, transladar de v e dilatar por k é a mesma coisa que dilatar por k e transladar por kv). Composições de funções devem ser exaustivamente exploradas no curso, pela mesma razão que rotinas são escolhidas como peças fundamentais ao escrever programas de computação gráfica. 4. Explique o funcionamento do pantógrafo. 5. Divida segmentos no espaço em partes iguais. (Um problema como esse tem mais de uma interpretação: algébrica? geométrica? considere a maturidade da turma). Alunos que entram para a universidade não têm necessariamente uma compreensão operacional da reta dos números. Não acho que valha a pena, entretanto, começar o curso com ela. Esse exercício é uma boa oportunidade para situar pontos na reta. Definir ou não espaços vetoriais? Considerando a totalidade dos cursos de engenharia, não vejo porque ensinar as definições de corpo e espaço vetorial nos primeiros cursos de álgebra linear. É difícil encontrar aplicações genuínas desses conceitos na generalidade além dos espaços euclideanos (se os alunos estudarem códigos ou espaços de funções, a história é outra, mas isso vem muito depois em suas vidas acadêmicas, se vem). Historicamente, nossos avós fizeram muito sem essa axiomatização (que aliás é desse século). A frase ouvida com freqüência de que o conceito de espaço vetorial é geométrico é discutível: o que é geométrico 13
14 é o conceito de espaço vetorial sobre R de dimensão pequena. Aliás, em certos momentos do curso, quando as contas passam a envolver números complexos, os argumentos geométricos (no sentido matemático da palavra) são uma fonte inesgotável de confusão, e os alunos não estão sozinhos: já vi matemáticos pouco à vontade quando se expressam em termos de retas complexas. Na verdade, existe um processo sutil no uso matemático da palavra geometria, comparável ao abuso no emprego da palavra intuitivo. Que duas retas diferentes em R n se encontrem no máximo em um ponto não é um fato geométrico óbvio a educação matemática não treina nossos olhos a ver em R n. Ela em vez nos habitua a descobrir quais relações entre palavras do vocabulário geométrico são passíveis de generalização: o jogo funciona tão bem que passamos a considerar essas extensões como evidentes. Esse, aliás, é um dos grandes testes de uma axiomatização. Raramente em cursos de matemática consideramos questões dessa natureza, e provavelmente fazemos bem em evitar o assunto: talvez, para nossos alunos de graduação em matemática, exemplos eventuais podem ser interessantes. Para os alunos iniciantes, entretanto, o assunto pode ser conceitualmente difícil. É certamente interessante mostrar aos alunos durante os cursos como o procedimento que permite a um cego ou uma máquina fazer geometria na verdade nos liberta para operar em situações onde a nossa visão não alcança. Ironicamente, um dos objetivos desse curso é justamente ajudar os alunos a apreciar melhor o próprio espaço tridimensional. Axiomatizar espaços vetoriais, então, não vale a pena: estaremos sempre em R n. Por outro lado, é muito conveniente falar de subespaços dos espaços euclideanos, inclusive para ressaltar a idéia de dimensão. A definição fica muito mais fácil: são conjuntos fechados em relação às duas operações vetoriais. A.2 Distância e ângulo Distância é Pitágoras, e os alunos em princípio já viram no colegial. O argumento tridimensional não é tão fácil para eles. 14
15 Daí, segue a definição de norma de um vetor, sem dificuldades, e as equações para círculo no plano e esfera. Um exemplo fundamental: a equação x 2 + y 2 = 1 não é uma esfera em três dimensões. Ângulo é bem mais complicado: obviamente, defina o produto interno habitual, e afirme que u, v = u v cos(u, v), até antes de mostrar a bilinearidade do produto interno. Com isso, fica claro que a estranha definição de produto interno na verdade é muito conveniente: estamos calculando ângulos fazendo contas simples, sem invocar a trigonometria que seria usada no colegial. O problema é que a demonstração dessa equação não é simples: sugiro que seja apresentada, se houver interesse, num apêndice a uma aula. 1. Liste as coordenadas dos vértices de um cubo, em posições simples em relação aos eixos. Faça o mesmo para o tetraedro: deixe os alunos abordarem o problema colocando uma das faces no plano horizontal, calculando alturas etc.,etc., e depois faça notar que um vértice sim, outro não do cubo são os quatro vértices do tetraedro. Se quiser, dê um passo além: da mesma maneira que os três vetores canônicos do espaço são os vértices de um triângulo eqüilátero, com representação em coordenadas muito simples, os quatro vetores canônicos de R 4 induzem coordenadas ainda mais simples para os vértices de um tetraedro regular. Aliás, o segmento ligando vértices opostos do cubo unitário n-dimensional cresce com n: talvez sua turma ache isso interessante (e o volume da bola inscrita vai a zero...). 2. Obtenha coordenadas para o octaedro. Corte pirâmides a partir de cada vértice do octaedro, de modo a obter um sólido cujas faces são quadrados e hexágonos regulares: obtenha os vértices desse sólido. Cópias iguais dele enchem o espaço, e são usadas como sub-células dentro de petroleiros para minimizar vazamentos devidos a quebra dos tanques. 3. A molécula de metano, CH 4, tem seus quatro átomos de hidrogênio nos vértices de um tetraedro regular, cujo centro é 15
16 ocupado pelo átomo de carbono. O que é maior, um ângulo com vértices HCH ou o ângulo interno de um pentágono regular? 4. Os ângulos das faces dos tetraedro e octaedro regulares são suplementares: verifique o que isso quer dizer visualmente? 5. Passe um plano por um cubo de modo a obter como seção um hexágono regular. Mostre que as coordenadas desse hexágono no espaço podem ser descritas por números mais simples do que as obtidas se desenharmos o hexágono no plano. 6. (difícil) Os vértices de um icosaedro regular são divididos de forma conveniente de modo a pertencerem a duas pirâmides de base pentagonal (as bases estão no interior do icosaedro), ligadas pr uma coroa de dez dentes triangulares, cinco saindo de cada pirâmide. A partir dessa descrição, obtenha coordenadas para os vértices do icosaedro. 7. Como obter coordenadas para os vértices do dodecaedro regular a partir dos vértices do icosaedro regular? 8. Como obter coordenadas para os vértices do sólido mais importante de nossa cultura, a bola de futebol, a partir das coordenadas dos vértices do icosaedro? A costura habitual da bola de futebol corresponde a um sólido cujas faces são hexágonos e pentágonos regulares, com dois hexágonos e um pentágono encontrando-se em cada vértice. Para os puristas, essa é também a disposição dos átomos de carbono na molécula de fullereno, C 60 : ligações duplas ocorrem em arestas entre hexágonos. Como obter coordenadas para os vértices da bola de modo a sugerir movimentos rotação, afastamento? Isso vai ser respondido mais adiante. 9. Identidades do paralelogramo e de polarização bons exemplos do emprego de notação vetorial. Para alunos mais espertos, faça notar que quem sabe elevar ao quadrado, sabe multiplicar (que é o conteúdo da identidade de polarização para o produto interno). Em particular, é mais fácil obter a fórmula da derivada do produto de duas funções sabendo a regra da cadeia (um fato geométrico...) e a derivada de x x 2. Ou: para conhecer a Hessiana de uma função f num ponto p, 16
17 basta saber calcular segundas derivadas em p de f restrita a qualquer reta por p. 10. Descreva elipse, parábola e hipérbole de forma geométrica e obtenha suas equações, para disposições simples das figuras. Ortogonalidade pode esperar um pouco. A.3 Retas e planos parametrizados Depois que as duas operações vetoriais estão domesticadas, é natural ensinar as equações paramétricas de retas. Aqui, as dificuldades são de outra natureza: 1. o fato que a mesma reta pode ser parametrizada de várias maneiras, 2. a necessidade de explicitar em que domínio está o parâmetro (é freqüente encontrar alunos que acham que o parâmetro é um inteiro positivo). Com um pouco de algebrismo, mostra-se que toda reta no plano é da forma ax + by = c: a ambiguidade da representação tem que ser considerada explicitamente o tempo é bem usado. Não há necessidade nesse momento de descrever retas no espaço como um sistema de duas equações. Vale a pena ressaltar a maravilhosa generalidade da descrição paramétrica, um grande progresso em relação à matemática ensinada no colegial: uma reta é dada por um ponto e uma direção em qualquer cenário. 1. Medianas de um triângulo se encontram em um único ponto, que divide cada mediana em dois segmentos, um duas vezes maior do que o outro (excelente exemplo de emprego de notação vetorial). 2. Um exercício de visualização: inclinando a cabeça, duas retas reversas ficam em dois planos horizontais. 3. Ache retas tangentes a círculos e esferas: aqui, falar de ortogonalidade pode ser conveniente. O problema a seguir pode ser interpretado de várias formas, além de admitir mais de um nível de formalismo. 17
18 4. Rotações no plano levam retas em retas. Construa (regua e compasso? descrição algébrica?) um triângulo eqüilátero, sabendo que cada vértice pertence a uma de três retas dadas. Você pode até escolher um dos vértices. 5. Roubando um pouquinho, fale sobre espelhos parabólicos. A única dificuldade é obter a reta tangente à parábola em um ponto. Para isso, basta puxar um limite do vetor direção de retas secantes. Aliás, com um pouco de geometria clássica, não é nem necessário usar cálculo. Planos parametrizados são um pouco mais complicados: precisamos de dois vetores direção. O sinfinitos exercícios possíveis são canônicos. Esse é o momento no curso para introduzir combinações lineares. Ressalte também a diferença entre retas e planos pela origem e o caso geral: especifique translações de um para o outro. O passo seguinte é interpretar de forma geométrica a equação não paramétrica de retas e planos. Agora sim, vamos usar ortogonalidade. A.4 Ortogonalidade e as equações de reta e plano revisitadas 1. Submeta sua pobre turma à seguinte experiência (que já fiz várias vezes em cursos de cálculo). Desenhe quadrados sobre os três lados de um triângulo retângulo e diga que eles são feitos de ouro, com a mesma espessura. Ao perguntar para aos alunos se eles preferem ganhar os dois pequenos ou somente o maior, a turma se divide em partes iguais poucos, muito poucos, percebem que, por Pitágoras, dá no mesmo. (A experiência deveria contar como um teste estatístico para a validade do teorema!). A seguir, desenhe, sobre os três lados do mesmo triângulo, três versões homotéticas da mesma figura, digamos, um busto de Pitágoras, e repita a pergunta à turma. Discuta. Depois da definição óbvia de ortogonalidade de vetores, o teorema de Pitágoras (em R n?) é um bom exemplo de manipulação simbólica (ou melhor, da boa escolha de axiomas de álgebra linear). 18
19 Agora, interprete as equações ax + by = 0 no plano e ax + by + cz = 0 no espaço como relações de ortogonalidade. Retas (planos) paralelas são os conjuntos de vetores que fazem o mesmo produto interno com um vetor fixo. Isto dá conta das equações de retas e planos que não passam pela origem, interpreta geometricamente desigualdades lineares, e torna fácil apresentar os primeiros exemplos (planares) de programação linear. Uma outra coleção habitual de problemas com esse material é o cálculo de distância entre pontos, retas, planos. B. Entre a segunda e a terceira prova funções e transformações lineares (mais quatro semanas de teoria) O vocabulário para falar de funções no plano e no espaço já está disponível. B.1 Funções em geral Convém começar com exemplos de funções naturais que admitam uma descrição geométrica e que não sejam necessariamente lineares. Os exemplos clássicos estão em perspectiva cônica e confecção de mapas, mas o mundo é enorme. 1. Desenhe no quadro (e represente algebricamente) os três eixos coordenados, um plano vertical (a tela), um ponto (o olho), e calcule o ponto na tela onde passa a reta pelo olho e um ponto arbitrário. Enfatize algumas distorções dessa projeção: igualdade de comprimentos não é preservada, ângulo também não. Aproveite para treinar o vocabulário de funções: domínio, contradomínio, imagem, injetividade, sobrejetividade, invertibilidade. 2. Apresente alguma forma de representação cartográfica, por exemplo, projeção estereográfica ou Mercator. Mais uma vez, chame a atenção para as distorções inevitáveis. B.2 Transformações lineares O material dessa seção foi vertido para uma apostila entregue aos alunos: é o Apêndice 2. Comece com uma rotação pela origem no plano. Mostre geometricamente que somas vão em somas, e que multiplicação 19
20 por escalares também é preservada pela função. Explique porquê, a partir desses fatos, basta saber onde dois vetores praticamente arbitrários são mandados pela rotação para saber sua ação sobre um vetor qualquer. Detalhe a seqüência de cálculos: a escolha de dois vetores (os dois canônicos, por exemplo), o cálculo de suas imagens, a representação de um vetor arbitrário como combinação linear dos dois vetores escolhidos, e finalmente o cálculo da imagem do vetor arbitrário. Repita o processo com uma projeção ortogonal sobre um plano pela origem em R 3. Na aula seguinte, defina transformações lineares. Enfatize sua rigidez: quem sabe onde uns poucos vetores são levados, sabe onde todos são. Apresente, como teorema, uma lista de transformações lineares (projeções, ortogonais ou não, sobre retas e planos pela origem, rotações pela origem, espelhamentos por retas e planos pela origem). É bom mostrar geometricamente a linearidade de alguns exemplares da lista, mas os desenhos associados em geral são confusos e só tratam de casos particulares (ninguém escolhe dois vetores em lados opostos do espelho ao verificar linearidade do espelhamento). Em particular, em provas, só é razoável pedir para mostrar a linearidade de transformações que constam na lista (o que é quase trivial: é só verificar que a reta/plano na descrição passa pela origem), ou que são descritas algebricamente. Discuta geometricamente a existência de inversa para essas várias operações. Composições vão aparecer em breve. Ressalte que translações ou espelhamentos por elementos que não passam pela origem não são transformações lineares. 1. Um exemplo importante em aplicações é a reflexão por um plano dado por seu vetor normal n. A matriz resultante é chamada de matriz de Householder e pode ser obtida de duas maneiras de interesse didático para o curso: a. a partir de três vetores cujas imagens são fáceis de calcular, b. a partir da fórmula v v 2 v, n n, que deve ser apresentada com cuidado. A segunda representação merece comentários (quantos, depende da turma): a fórmula faz sentido em dimensão alta e 20