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Questão de Matemática — Geometria Analítica — CESGRANRIO 2024

MatemáticaGeometria Analítica
Código
cg057815
Banca
CESGRANRIO
Órgão
BNDES
Ano
2024
Cargo
Ana ( )
Considere em R3 a reta r0 passando pelos pontos (0,0,0) e (1,1,1) e a reta r1 passando pelos pontos (1,0,0) e (1,1,0). Seja d a distância entre as retas r0 e r1, ou seja, d é a distância mínima entre os pontos P0 em r0 e P1 em r1. Quanto vale d?
  1. A12\dfrac{1}{2}
  2. B22\dfrac{\sqrt{2}}{2}
  3. C32\dfrac{\sqrt{3}}{2}
  4. D2
  5. E52\dfrac{\sqrt{5}}{2}
Revelar gabarito e comentário

GabaritoB — \dfrac{\sqrt{2}}{2}

Comentário gerado por IA. É um apoio ao estudo, ancorado em fontes, mas pode conter imprecisões — confira sempre na fonte oficial (lei, súmula, edital e gabarito da banca). Encontrou um erro? Use “Reportar”.

Distância entre retas reversas no espaço

Gabarito: letra B. A distância entre as retas reversas r0r_0 e r1r_1 é d=22d = \dfrac{\sqrt{2}}{2}. Isso porque a distância mínima entre duas retas reversas é dada pela projeção do vetor que liga um ponto de cada reta sobre a direção perpendicular comum a ambas, calculada pela fórmula d=(P0P1)(v0×v1)v0×v1d = \dfrac{|(\vec{P_0P_1}) \cdot (\vec{v_0} \times \vec{v_1})|}{|\vec{v_0} \times \vec{v_1}|}, onde v0\vec{v_0} e v1\vec{v_1} são os vetores diretores das retas.

A distância entre duas retas no espaço tridimensional é um conceito fundamental da Geometria Analítica. Quando duas retas não são paralelas e não se intersectam, elas são chamadas de retas reversas. A distância entre elas é definida como o comprimento do segmento de reta perpendicular a ambas que as une — é a menor distância possível entre qualquer ponto de uma e qualquer ponto da outra.

Para calcular essa distância, precisamos de:

  1. Vetores diretores de cada reta (v0\vec{v_0} e v1\vec{v_1}): vetores que indicam a direção de cada reta.

  2. Um ponto em cada reta (P0P_0 e P1P_1): para formar o vetor P0P1\vec{P_0P_1} que liga as duas retas.

  3. O produto vetorial v0×v1\vec{v_0} \times \vec{v_1}: que resulta em um vetor perpendicular a ambos os vetores diretores, ou seja, perpendicular a ambas as retas. A direção desse vetor é a direção da distância mínima.

A fórmula final é:

d=P0P1(v0×v1)v0×v1d = \frac{|\vec{P_0P_1} \cdot (\vec{v_0} \times \vec{v_1})|}{|\vec{v_0} \times \vec{v_1}|}

O numerador é o valor absoluto do produto escalar (também chamado de produto misto) entre o vetor que liga as retas e o vetor perpendicular comum. Isso calcula o volume do paralelepípedo formado pelos três vetores. O denominador é a norma (comprimento) do vetor perpendicular comum. A divisão resulta na altura desse paralelepípedo, que é exatamente a distância entre as retas.

Vamos aplicar isso ao problema:

Reta r0r_0: passa por (0,0,0)(0,0,0) e (1,1,1)(1,1,1). Seu vetor diretor é v0=(10,10,10)=(1,1,1)\vec{v_0} = (1-0, 1-0, 1-0) = (1,1,1). Um ponto na reta é P0=(0,0,0)P_0 = (0,0,0).

Reta r1r_1: passa por (1,0,0)(1,0,0) e (1,1,0)(1,1,0). Seu vetor diretor é v1=(11,10,00)=(0,1,0)\vec{v_1} = (1-1, 1-0, 0-0) = (0,1,0). Um ponto na reta é P1=(1,0,0)P_1 = (1,0,0).

Vetor P0P1\vec{P_0P_1}: P0P1=P1P0=(10,00,00)=(1,0,0)\vec{P_0P_1} = P_1 - P_0 = (1-0, 0-0, 0-0) = (1,0,0).

Produto vetorial v0×v1\vec{v_0} \times \vec{v_1}:

v0×v1=ijk111010=i(1011)j(1010)+k(1110)=(1,0,1)\vec{v_0} \times \vec{v_1} = \begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \end{vmatrix} = \vec{i}(1\cdot0 - 1\cdot1) - \vec{j}(1\cdot0 - 1\cdot0) + \vec{k}(1\cdot1 - 1\cdot0) = (-1, 0, 1)

Norma do produto vetorial:

v0×v1=(1)2+02+12=2|\vec{v_0} \times \vec{v_1}| = \sqrt{(-1)^2 + 0^2 + 1^2} = \sqrt{2}

Produto escalar P0P1(v0×v1)\vec{P_0P_1} \cdot (\vec{v_0} \times \vec{v_1}):

(1,0,0)(1,0,1)=1(1)+00+01=1(1,0,0) \cdot (-1,0,1) = 1\cdot(-1) + 0\cdot0 + 0\cdot1 = -1

Distância:

d=12=12=22d = \frac{|-1|}{\sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}

Portanto, a distância entre as retas é 22\dfrac{\sqrt{2}}{2}.

A pegadinha desta questão está em reconhecer que as retas são reversas (não se intersectam e não são paralelas) e que a distância mínima não é simplesmente a distância entre dois pontos dados, mas sim o comprimento do segmento perpendicular comum. O candidato que tentar calcular a distância entre pontos específicos (como (0,0,0)(0,0,0) e (1,0,0)(1,0,0)) obterá 11, que não é a resposta correta.

Cálculo corretoErros comuns√2/21/2, √3/2, 2, √5/2LEVELsoulevel.com.br
Distância entre retas reversas — só Cálculo correto: √2/2; só Erros comuns: 1/2, √3/2, 2, √5/2; Cálculo correto∩Erros comuns:

Alternativa A — ❌ Incorreta

O valor 12\dfrac{1}{2} não corresponde à distância calculada. Esse valor poderia surgir de um erro de cálculo, como por exemplo, esquecer de racionalizar a fração 12\dfrac{1}{\sqrt{2}} ou errar no produto vetorial. A distância correta é 220,707\dfrac{\sqrt{2}}{2} \approx 0,707, enquanto 12=0,5\dfrac{1}{2} = 0,5.

Alternativa B — ✅ Correta ⟵ GABARITO

Como demonstrado no desenvolvimento, a distância entre as retas reversas é d=P0P1(v0×v1)v0×v1=12=12=22d = \dfrac{|\vec{P_0P_1} \cdot (\vec{v_0} \times \vec{v_1})|}{|\vec{v_0} \times \vec{v_1}|} = \dfrac{|-1|}{\sqrt{2}} = \dfrac{1}{\sqrt{2}} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}. Este é o valor exato da distância mínima entre as duas retas.

Alternativa C — ❌ Incorreta

O valor 32\dfrac{\sqrt{3}}{2} não é a distância correta. Esse valor poderia surgir de um erro no cálculo do produto vetorial ou da norma. Por exemplo, se o aluno calculasse erroneamente v0×v1=3|\vec{v_0} \times \vec{v_1}| = \sqrt{3} (o que aconteceria se o produto vetorial fosse (1,1,1)(1,1,1)), obteria 13\dfrac{1}{\sqrt{3}}, que não é 32\dfrac{\sqrt{3}}{2}. O valor 32\dfrac{\sqrt{3}}{2} também não corresponde a nenhum cálculo intermediário correto.

Alternativa D — ❌ Incorreta

O valor 22 é claramente incorreto. A distância entre as retas é menor que 11, como mostra o cálculo. Esse valor poderia surgir de um erro grosseiro, como por exemplo, calcular a distância entre os pontos (0,0,0)(0,0,0) e (1,1,0)(1,1,0) (que é 2\sqrt{2}) e depois multiplicar por algo, ou simplesmente um chute.

Alternativa E — ❌ Incorreta

O valor 52\dfrac{\sqrt{5}}{2} não corresponde à distância correta. Esse valor poderia surgir de um erro no cálculo do produto vetorial ou da norma. Por exemplo, se o aluno calculasse erroneamente v0×v1=5|\vec{v_0} \times \vec{v_1}| = \sqrt{5} (o que aconteceria se o produto vetorial fosse, por exemplo, (1,2,0)(1,2,0)), obteria um valor diferente. O valor 521,118\dfrac{\sqrt{5}}{2} \approx 1,118 é maior que a distância correta.

Gabarito: letra B

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