Площадь поверхности

Как вычислить площадь поверхности вращения, если линия задана в полярной системе координат?

Если кривая задана в полярных координатах уравнением , и функция   имеет непрерывную производную  на данном промежутке, то площадь поверхности, полученной вращением данной кривой вокруг полярной оси, рассчитывается по формуле , где  – угловые значения, соответствующие концам кривой.

В соответствии с геометрическим смыслом задачи подынтегральная функция , а это достигается только при условии  ( и  заведомо неотрицательны). Следовательно, необходимо рассматривать значения угла из диапазона , иными словами кривая должна располагаться выше полярной оси и её продолжения. Как видите, та же история, что и в двух предыдущих параграфах.

Пример 5

Вычислить площадь поверхности, образованной вращением кардиоиды  вокруг полярной оси.

Решение: график данной кривой можно посмотреть в Примере 6 урока о полярной системе координат. Кардиоида симметрична относительно полярной оси, поэтому рассматриваем её верхнюю половинку на промежутке  (что, собственно, обусловлено и вышесказанным замечанием).

Поверхность вращения будет напоминать яблочко.

Техника решения стандартна. Найдём производную по «фи»:

Составим и упростим корень:
Надеюсь, с заштатными тригонометрическими формулами ни у кого не возникло затруднений.

Используем формулу:

На промежутке , следовательно:  (о том, как правильно избавляться от корня, я подробно рассказал в статье Длина дуги кривой).

Ответ:

Интересное и короткое задание для самостоятельного решения:

Пример 6

Вычислить площадь шарового пояса ,

Что такое шаровой пояс? Положите на стол круглый неочищенный апельсин и возьмите в руки нож. Сделайте два параллельных разреза, разделив тем самым фрукт на 3 части произвольных размеров. Теперь возьмите серединку, у которой сочная мякоть обнажилась с обеих сторон. Данное тело называется шаровым слоем, а ограничивающая её поверхность (оранжевая кожура) – шаровым поясом.

Читатели, хорошо знакомые с полярными координатами, легко представили чертёж задачи: уравнение  задаёт окружность с центром в полюсе радиуса , от которой лучи  отсекают меньшую дугу. Данная дуга вращается вокруг полярной оси и таким образом получается шаровой пояс.

Теперь можно с чистой совестью и лёгким сердцем съесть апельсинку, на этой вкусной ноте и завершим занятие, не портить же вам аппетит другими примерами =)

Решения и ответы:

Пример 2: Решение: вычислим площадь поверхности, образованной вращением верхней ветви  вокруг оси абсцисс. Используем формулу .В данном случае: ;Таким образом:Ответ

Пример 4: Решение: используем формулу . Первая арка циклоиды определена на отрезке .Найдём производные:Составим и упростим корень:Таким образом, площадь поверхности вращения:На промежутке , поэтому Первый интеграл интегрируем по частям:Во втором интеграле используем тригонометрическую формулу .Ответ

Пример 6: Решение: используем формулу:Ответ

(Переход на главную страницу)

Площадь боковой поверхности цилиндра

Формула площади боковой поверхности цилиндра представляет собой произведение длины основания на его высоту:

А теперь рассмотрим задачу, в которой нам потребуется рассчитать полную площадь цилиндра. В заданной фигуре высота h = 4 см, r = 2 см. Найдем полную площадь цилиндра.Для начала рассчитаем площадь оснований: Теперь рассмотрим пример расчета площади боковой поверхности цилиндра. В развернутом виде она представляет прямоугольник. Его площадь рассчитывается по приведенной выше формуле. Подставим в нее все данные: Полная площадь круга представляет собой сумму двойной площади основания и боковой:

Таким образом, используя формулы площади оснований и боковой поверхности фигуры, мы смогли найти полную площадь поверхности цилиндра.Осевое сечение цилиндра представляет собой прямоугольник, в котором стороны равны высоте и диаметру цилиндра.Формула площади осевого сечения цилиндра выводится из формулы расчета площади прямоугольника:

Рассмотрим пример расчета площади осевого сечения цилиндра. Для этого возьмем условия из задачи, указанной выше. Чтобы найти величину нам потребуется диаметр. Мы знаем, что он равен двойному радиусу: Подставим данные:

Способ 1. Считай клетки и применяй формулы

Удобен для стандартных фигур: треугольника, трапеции и т.д.

• Подсчитывая клеточки и применяя простые теоремы, найти те стороны, высоту, диагонали, которые требуются для применения формулы площади;
• Подставить найденные значения в уравнение площади.

Пусть нужно найти площадь трапеции, построенной на листе в клетку.

Просто считаем клеточки и видим, что в нашем случае \( \displaystyle a=17\), \( \displaystyle b=6\) и \( \displaystyle h=6\). Подставляем в формулу:

Но бывает, что не так-то просто рассчитать, сколько клеток в нужном отрезке. Вот смотри, треугольник:

Вроде бы даже прямоугольный и \( \displaystyle S=\frac{1}{2}\cdot ab\), но чему тут равно \( \displaystyle a\), и чему равно \( \displaystyle b\)?

Как узнать?

Найдем \( \displaystyle a\) по теореме Пифагора из \( \displaystyle \Delta ADC\), а \( \displaystyle b\) по теореме Пифагора из \( \displaystyle \Delta BCE\).

Благо на листе в клетку легко посчитать длину катетов.

Итак:

\( \displaystyle {{a}^{2}}=A{{D}^{2}}+D{{C}^{2}}={{6}^{2}}+{{4}^{2}}=52\)Значит, \( \displaystyle a=\sqrt{52}=2\sqrt{13}\)

Теперь \( \displaystyle {{b}^{2}}=B{{E}^{2}}+C{{E}^{2}}={{2}^{2}}+{{3}^{2}}=13\).

\( \displaystyle b=\sqrt{13}\)Подставляем в формулу:

Способ 3. Формула Пика

Существует довольно удобная формула, которая использует клеточки для вычисления площади. А то, что мы только что проделали, – очень полезное упражнение, которое поможет эту формулу понять.

Назовём «узлами» точки пересечения линий сетки нашей клетчатой бумаги.

Теперь вместо клеточек или их частей подсчитаем, сколько узлов попадает в нашу фигуру. Причём, отдельно посчитаем те узлы, которые попадают внутрь нашей фигуры, и отдельно – те, которые лежат на границе.

Сколько насчитали?

У меня получилось \( Г = 22\) на границе и \( В = 32\) внутри.

Ну а теперь сама формула:

Называется она формулой Пика, поскольку доказал её математик Георг Пик 120 лет назад (да, она не специально для ЕГЭ была придумана, но очень нам помогает)

Основные определения и свойства цилиндра

Рассмотрим две паралллельные плоскости паралллельные плоскости α и β и произвольную окружность радиуса r с центром в точке O , лежащую в плоскости α (рис. 1).

Рис.1

Если из каждой точки окружности опустить перпендикуляр на плоскость β, то основания этих перпендикуляров образуют на плоскости β окружность радиуса r, центр O₁ которой является основанием перпендикуляра, опущенного из точки O на плоскость β (рис.2).

Рис.2

Определение 1.

	Отрезок перпендикуляра, опущенного из любой точки окружности с центром O на плоскость β , который заключен между плоскостями α и β , называют образующей цилиндра.
	Совокупность всех образующих цилиндра называют цилиндрической поверхностью.
	Фигуру, ограниченную цилиндрической поверхностью и плоскостями α и β, называют цилиндром.
	Отрезок OO1 называют осью цилиндра .
	Радиус окружности Радиус окружности на плоскости α с центром в точке O называют радиусом цилиндра.
	Расстояние между плоскостямиРасстояние между плоскостями α и β , называют высотой цилиндра.
	Круги с центрами O и O1 на плоскостях α и β , называют основаниями цилиндра.

Замечание 1. Цилиндрическую поверхность часто называют боковой поверхностью цилиндра. Боковая поверхность цилиндра и основания цилиндра вместе составляют полную поверхность цилиндра.

Замечание 2. Каждая образующая цилиндра параллельна оси цилиндра, а длина каждой образующей цилиндра равна высоте цилиндра.

Замечание 3. Прямая OO₁ является осью симметрии цилиндра, а середина отрезка OO₁ является центром симметрии цилиндра.

Нахождение площадей фигур

Рассмотрим, как находятся площади, могущие составлять грани параллелепипеда.

1. Площадь квадрата равна произведению его стороны самой на себя. Формула площади квадрата имеет вид S = a*a = a^2.
2. Прямоугольника — вычисляется с помощью умножения большей его стороны (длины) на меньшую его сторону (ширину). Формула площади прямоугольника имеет вид S = a*b.
3. Параллелограмма — найти сложнее и имеется несколько различных способов. Наиболее часто в математике применяются формулы для нахождения с помощью стороны и опущенной на неё высоты или двух сторон и синуса угла между ними. Записываются они следующим образом: S = a*h, S = a*b*sin (ab).

Рассмотрим на примерах как найти площадь каждой из рассматриваемых нами фигур.

1. Длина стороны квадрата равна 1600 метров. Определим его площадь.

S = a*a, отсюда в искомом случае S = 1600*1600 = 2 560 000 метров квадратных.

2. Стороны прямоугольника равны 90 и 200 метров соответственно. Определим его S.

S = a*b, следовательно в нашем варианте получится S = 90*200 = 18 000 метров квадратных.

3. С параллелограммом рассмотрим два случая нахождения.

Сторона равна 300 метров, а опущенная на неё высота 250 метров. Тогда получится:

S = a*h = 300*250 = 75 000 метров квадратных.

Второй вариант — стороны равны 550 и 200 метров соответственно. Угол между ними 30 градусов. Имеем:

S = a*b*sin (ab) = 550*200*sin 30 = 110 000*0.5 = 55 000 квадратных метров.

Как видно из примеров, приведённых выше, никаких сложностей нет.

Площадь поверхности пирамиды

Для пирамиды тоже действует общее правило:

Теперь давай посчитаем площадь поверхности самых популярных пирамид.

Площадь поверхности правильной треугольной пирамиды

Пусть сторона основания равна \( \displaystyle a\), а боковое ребро равно \( \displaystyle b\). Нужно найти \( \displaystyle {{S}_{осн}}\) и \( \displaystyle {{S}_{ASB}}\).

И тогда

\( \displaystyle {{S}_{полн. пов.\ \ }}=3{{\text{S}}_{ASB}}+{{\text{S}}_{\text{осн}.}}\)Вспомним теперь, что

\( \displaystyle {{S}_{осн}}\) — это площадь правильного треугольника \( \displaystyle ABC\).

И еще вспомним, как искать эту площадь.

Используем формулу площади:

\( \displaystyle S=\frac{1}{2}ab\cdot \sin \gamma \).

У нас «\( \displaystyle a\)» — это \( \displaystyle a\), а «\( \displaystyle b\)» — это тоже \( \displaystyle a\), а \( \displaystyle \sin \gamma =\sin 60{}^\circ =\frac{\sqrt{3}}{2}\).

Значит, \( \displaystyle {{S}_{ABC}}=\frac{1}{2}{{a}^{2}}\frac{\sqrt{3}}{2}=\frac{{{a}^{2}}\sqrt{3}}{4}\).

Теперь найдем \( \displaystyle {{S}_{\Delta ASB}}\).

Пользуясь основной формулой площади и теоремой Пифагора, находим

\( \displaystyle {{S}_{\Delta ASB}} = \frac{1}{2}a\sqrt{b^2-\frac{a^2}{4}}\)Внимание: если у тебя правильный тетраэдр (т.е. \( \displaystyle b=a\)), то формула получается такой:. \( \displaystyle S={{a}^{2}}\sqrt{3}\)

\( \displaystyle S={{a}^{2}}\sqrt{3}\).

Элементы конуса

Определение. Вершина конуса – это точка (K), из которой исходят лучи.

Определение. Основание конуса – это плоскость, образованная в результате пересечения плоской поверхности и всех лучей, исходящих из вершины конуса. У конуса могут быть такие основы, как круг, эллипс, гипербола и парабола.

Определение. Образующей конуса (L) называется любой отрезок, который соединяет вершину конуса с границей основания конуса. Образующая есть отрезок луча, выходящего из вершины конуса.

Формула. Длина образующей (L) прямого кругового конуса через радиус R и высоту H (через теорему Пифагора):

L2 = R2 + H2

Определение. Направляющая конуса – это кривая, которая описывает контур основания конуса.

Определение. Боковая поверхность конуса – это совокупность всех образующих конуса. То есть, поверхность, которая образуется движением образующей по направляющей конуса.

Определение. Поверхность конуса состоит из боковой поверхности и основания конуса.

Определение. Высота конуса (H) – это отрезок, который выходит из вершины конуса и перпендикулярный к его основанию.

Определение. Ось конуса () – это прямая, проходящая через вершину конуса и центр основания конуса.

Определение. Конусность (С) конуса – это отношение диаметра основания конуса к его высоте. В случае усеченного конуса – это отношение разности диаметров поперечных сечений D и усеченного конуса к расстоянию между ними:

C =	D	и C =	D –
H

где C – конусность, D – диаметр основания, – диаметр меньшего основания и – расстояние между основаниями.Конусность характеризует остроту конуса, то есть, угол наклона образующей к основанию конуса. Чем больше конусность, тем острее угол наклона. угол конуса α будет:

= 2	R
H

где R – радиус основы, а H – высота конуса.

Определение. Осевое сечение конуса – это сечение конуса плоскостью, проходящей через ось конуса. Такое сечение образует равнобедренный треугольник, у которого стороны образованы образующими, а основание треугольника – это диаметр основания конуса.

Определение. Касательная плоскость к конусу – это плоскость, проходящая через образующую конуса и перпендикулярна к осевому сечению конуса.

Определение. Конус, что опирается на круг, эллипс, гиперболу или параболу называется соответственно круговым, эллиптическим, гиперболическим или параболическим конусом (последние два имеют бесконечный объем).

Определение. Прямой конус – это конус у которого ось перпендикулярна основе. У такого конуса ось совпадает с высотой, а все образующие равны между собой.

Формула. Объём кругового конуса:

V =	1	HR2
3

где R – радиус основы, а H – высота конуса.

Формула. Площадь боковой поверхности (S_b) прямого конуса через радиус R и длину образующей L:

S_b = RL

Формула. Общая площадь поверхности (S_p) прямого кругового конуса через радиус R и длину образующей L:

S_p = RL + R2

Определение. Косой (наклонный) конус – это конус у которого ось не перпендикулярна основе. У такого конуса ось не совпадает с высотой.

Формула. Объём любого конуса:

V =	1	SH
3

где S – площадь основы, а H – высота конуса.

Определение. Усеченный конус – это часть конуса, которая находится между основанием конуса и плоскостью сечения, параллельная основе.

Формула. Объём усеченного конуса:

V =	1	(S2H – S1)
3

где S₁ и S₂ – площади меньшей и большей основы соответственно, а H и – расстояние от вершины конуса до центра нижней и верхней основы соответственно.

Площадь поверхности прямоугольного параллелепипеда

Здесь все так же довольно легко — нужно помнить, что противоположные грани равны. Таким образом, находим поверхность трёх различных граней, и каждую удваиваем. Формулы нахождения будут выглядеть следующим образом:

S = 2*(S1 + S2 + S3), где S1, S2, S3 площади всех граней соответственно.

Второй вариант S = 2*(a*b + a*c + b*c), где a, b, c соответствующие рёбра прямоугольного параллелепипеда.

Снова рассмотрим пример. Пусть рёбра прямоугольного параллелепипеда равняются 20, 30 и 40 метров. Площадь полной поверхности?

Имеем, S = 2*(a*b + a*c + b*c) = 2*(20*30 + 20*40 + 30*40) = 2*(600 + 800 + 1200) = 2*2600 = 5 200 квадратных метров.

Как видно, находить площадь прямоугольного параллелепипеда также совершенно несложно.

Способ 2. Дострой до прямоугольника и вычти лишнее

Очень удобен для сложных фигур, но и для простых неплох

• Достроить искомую фигуру до прямоугольника;
• Найти площадь всех получившихся дополнительных фигур и площадь самого прямоугольника;
• Из площади прямоугольника вычесть сумму площадей всех лишних фигур.

Давай посчитаем площадь того же треугольника вторым способом.

Нужно окружить нашу фигуру прямоугольником. Вот так:

Получился один (нужный) треугольник внутри и целых три ненужных треугольника снаружи. Но зато площади этих ненужных треугольников легко считаются на листе в клетку!

Вот мы их посчитаем, а потом просто вычтем из целого прямоугольника:

Первая квадратичная форма поверхности.

Пусть задана векторным уравнением
$$
\boldsymbol{r} = \boldsymbol{r}(u, v),\ (u, v) \in \overline{\Omega},\label{ref1}
$$
где \(\Omega\) плоская область.

Найдем скалярный квадрат вектора
$$
d\boldsymbol{r} = \boldsymbol{r}_{u}(u, v)\ du + \boldsymbol{r}_{v}(u, v)\ dv.\nonumber
$$

Полагая
$$
E = (\boldsymbol{r}_{u}, \boldsymbol{r}_{u}),\quad F = (\boldsymbol{r}_{u}, \boldsymbol{r}_{v}),\quad G = (\boldsymbol{r}_{v}, \boldsymbol{r}_{v}),\label{ref2}
$$
получаем, что справедлива формула
$$
|d\boldsymbol{r}|^{2} = (d\boldsymbol{r}, d\boldsymbol{r}) = E(u, v)\ du^{2} + 2F(u, v)\ du\ dv + G(u, v)\ dv^{2}.\label{ref3}
$$

Выражение, стоящее в правой части равенства \eqref{ref3}, называется первой квадратичной формой поверхности, числа \(E\), \(F\) и \(G\) называются коэффициентами первой квадратичной формы поверхности.

Лемма 1.

Первая квадратичная форма простой поверхности положительно определена, то есть \(|d\boldsymbol{r}|^{2} > 0\), если \((du)^{2} + (dv)^{2} > 0\).

\(\circ\) Так как
$$
(\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}) = |\boldsymbol{a}| \cdot |\boldsymbol{b}| \cos \widehat{\boldsymbol{ab}},\quad || = |\boldsymbol{a}| \cdot |\boldsymbol{b}| \cdot |\sin \widehat{\boldsymbol{ab}}|,\nonumber
$$
то справедливо тождество
$$
||^{2} = |\boldsymbol{a}|^{2} \cdot |\boldsymbol{b}|^{2}-|(\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b})|^{2},\nonumber
$$

Подставляя в это тождество \(\boldsymbol{a} = \boldsymbol{r}_{u}\), \(\boldsymbol{b} = \boldsymbol{r}_{v}\), и пользуясь тем, что в любой точке простой поверхности векторы \(\boldsymbol{r}_{u}\) и \(\boldsymbol{r}_{v}\) неколлинеарны, получаем
$$
||^{2} = EG-F^{2} > 0.\nonumber
$$

Условия \(E > 0\), \(G > 0\), \(EG-F^{2} > 0\) достаточны для положительной определенности первой квадратичной формы поверхности. \(\bullet\)

Говорят, что первая квадратичная форма задает на поверхности метрику. Зная коэффициенты первой квадратичной формы поверхности, можно вычислить длины кривых, лежащих на поверхности, определить площадь поверхности. Например, дифференциалы длин дуг координатных кривых, проходящих через точку \(A(u, v)\) поверхности, равны следующим величинам:
$$
ds_{1} = |\boldsymbol{r}_{u}du| = \sqrt{E}|du|,\quad ds_{2} = |\boldsymbol{r}_{v}dv| = \sqrt{G}|dv|.\label{ref4}
$$

Площадь почти простой поверхности.

 задается уравнением \(\boldsymbol{r} = \boldsymbol{r}(u, v)\), \((u, v) \in \overline{\Omega}\), где \(\Omega\) — плоская область. По определению найдется последовательность ограниченных областей \(\{\Omega_{n}\}\) такая, что \(\overline{\Omega}_{n} \subset \Omega_{n + 1}\), \(\displaystyle\Omega = \bigcup_{n=1}^{\infty}\Omega_{n}\) а поверхности \(\Sigma_{n}\), определяемые уравнениями \(\boldsymbol{r} = \boldsymbol{r}(u, v)\), \((u, v) \in \overline{\Omega}\), являются простыми. Предположим дополнительно, что области \(\Omega_{n}\) измеримы по Жордану. Тогда под площадью \(S(\Sigma)\) почти простой поверхности будем понимать \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} S(\Sigma_{n})\).

Так как числовая последовательность \(S(\Sigma_{n})\) монотонно возрастает, то она всегда имеет конечный или бесконечный предел
$$
S(\Sigma) = \lim_{n \rightarrow \infty} S(\Sigma_{n}) = \lim_{n \rightarrow \infty} \iint\limits_{\Omega_{n}} \sqrt{EG-F^{2}}\ du\ dv =  \iint\limits_{\Omega} \sqrt{EG-F^{2}}\ du\ dv.\label{ref11}
$$

Интеграл в формуле \eqref{ref11} нужно понимать как несобственный. Если область \(\Omega\) измерима по Жордану, а функция \(\sqrt{EG-F^{2}}\) ограничена на \(\Omega\), то интеграл в формуле \eqref{ref11} будет двойным интегралом Римана.

Пример 2.

Найти площадь части боковой поверхности конуса \(z^{2} = x^{2} + y^{2}\), \(z \geq 0\), вырезаемой из нее цилиндром \(x^{2}-ax + y^{2} = 0\).

\(\triangle\) Обозначим часть боковой поверхности конуса, вырезаемую из нее цилиндром, через \(\Sigma\). Если перейти к цилиндрическим координатам, то \(\Sigma\) будет почти простой поверхностью, определяемой параметрическими уравнениями
$$
x = r \cos \varphi,\ y = r \sin \varphi,\ z = r,\ (r, \varphi) \in \Omega,\nonumber
$$
$$
\Omega = \left\{(r, \varphi): r \leq a \cos \varphi,\ -\frac{\pi}{2} \leq \varphi \leq \frac{\pi}{2}\right\}.\nonumber
$$

Найдем коэффициенты первой квадратичной формы этой поверхности:
$$
\boldsymbol{r} = (r \cos \varphi, r \sin \varphi, r),\ \boldsymbol{r}_{\varphi} = (-r \sin \varphi, r \cos \varphi, 0),\nonumber
$$
$$
\boldsymbol{r}_{r} = (\cos \varphi, \sin \varphi, 1),\ E = \boldsymbol{r}_{\varphi}^{2} = r^{2},\ F = 0,\ G = \boldsymbol{r}_{r}^{2} = 2,\nonumber
$$
$$
\sqrt{EG-F^{2}}\ dr\ d\varphi = r\sqrt{2}\ dr\ d\varphi.\nonumber
$$

Применяя формулу \eqref{ref11}, получаем
$$
S(\Sigma) = \iint\limits_{\Omega} \sqrt{2}r\ dr\ d\varphi = \sqrt{2} \int\limits_{-\pi/2}^{\pi/2} d\varphi \int\limits_{0}^{a \cos \varphi}\ r\ dr = \frac{\pi a^{2} \sqrt{2}}{4}.\ \blacktriangle\nonumber
$$

Если поверхность \(\Sigma\) не является простой или почти простой, но может быть разрезана на конечное число простых кусков, то ее площадью называют сумму площадей всех простых кусков.

Какой способ лучше?

Второй и третий способы универсальные. Они помогут посчитать площадь даже самых замысловатых фигур. Вернемся еще раз ко второму способу.

Вот смотри, нужно посчитать площадь такой фигуры:

Окружаем ее прямоугольником и снова получаем одну нужную, но сложную площадь и много ненужных, но простых.

А теперь чтобы найти площадь \( \displaystyle S\) просто находим площадь прямоугольника и вычитаем из него оставшуюся площадь фигур на клетчатой бумаге \( \displaystyle {{S}_{1}}+{{S}_{2}}+{{S}_{3}}+{{S}_{4}}\).

\( \displaystyle {{S}_{прямоугольника}}=6\cdot 11=66\)\( \displaystyle {{S}_{1}}=\frac{1}{2}\cdot 6\cdot 4=12\)\( \displaystyle {{S}_{2}}=\frac{1}{2}\cdot a\cdot h=\frac{1}{2}\cdot 5\cdot 4=10\) (обрати внимание, \( \displaystyle {{S}_{2}}\) площадь НЕ прямоугольного треугольника, но все равно легко считается по основной формуле). \( \displaystyle {{S}_{3}}=\frac{1}{2}\cdot 5\cdot 2=5\)\( \displaystyle {{S}_{4}}=\frac{1}{2}\cdot 1\cdot 11=5,5\).Значит, \( \displaystyle S={{S}_{прямоугольника}}-{{S}_{1}}-{{S}_{2}}-{{S}_{3}}-{{S}_{4}}\)

\( \displaystyle {{S}_{3}}=\frac{1}{2}\cdot 5\cdot 2=5\)\( \displaystyle {{S}_{4}}=\frac{1}{2}\cdot 1\cdot 11=5,5\).Значит, \( \displaystyle S={{S}_{прямоугольника}}-{{S}_{1}}-{{S}_{2}}-{{S}_{3}}-{{S}_{4}}\).

\( \displaystyle S=66-12-10-5-5,5=33,5\)Вот и ответ: \( \displaystyle S=33,5\).Ну как тебе этот способ?

Вот смотри. С одной стороны, когда фигура занимает много клеточек, их замучаешься считать и можно ошибиться.

С другой стороны, когда мы дорисуем до прямоугольника, нужно считать много площадей.

Вычисление площади поверхности вращения, заданной в прямоугольных координатах

Пусть в прямоугольных координатах на плоскости уравнением
задана кривая, вращением которой вокруг координатной оси образовано тело вращения.

Формула для вычисления площади поверхности вращения следующая:

(1).

Пример 1. Найти площадь поверхности параболоида, образованную
вращением вокруг оси Ox дуги параболы
, соответствующей
изменению x от до
.

Решение. Выразим явно функцию, которая задаёт дугу параболы:

Найдём производную этой функции:

Прежде чем воспользоваться формулу для нахождения площади поверхности вращения,
напишем ту часть её подынтегрального выражения, которая представляет собой корень и подставим туда
найденную только что производную:

Далее по формуле (1) находим:

Ответ: длина дуги кривой равна

.

Пример 2. Найти площадь поверхности, образуемой вращением
вокруг оси Ox астроиды
.

Решение. Достаточно вычислить площадь поверхности, получающейся от вращения
одной ветви астроиды, расположенной в первой четверти, и умножить её на 2. Из уравнения астроиды
выразим явно функцию, которую нам нужно будет подставить в формулу для нахождения площади повержности
вращения:

.

Производим интегрирование от 0 до a:

Ответ: площадь поверхности вращения равна
.

Терминология и сферическая геометрия

Окружность на шаре, которая имеет тот же центр и радиус, что и сама фигура, а следовательно, делит её на две части, называется большим кругом. Если конкретную (произвольную) точку этого геометрического тела обозначить как его северный полюс, то соответствующая антиподальная точка будет южным полюсом. А большой круг станет экватором и будет равноудалённым от них. Если он будет проходить через два полюса, тогда это уже линии долготы (меридианы).

Многие теоремы из классической геометрии верны и для сферической, но отнюдь не все, потому что сфера не удовлетворяет некоторым аксиомам, например, постулату параллельности. Такая же ситуация складывается и в тригонометрии — отличия есть во многих отношениях. Например, сумма внутренних углов сферического треугольника всегда превышает 180 градусов. Помимо этого, две таких одинаковых фигуры будут конгруэнтными.

Важные измерения

Радиус (обозначается r) — единственное необходимое измерение. Это расстояние от любой точки на поверхности сферы до её центра. Самый длинный отрезок, равный двум r, называется диаметром (d). Земля называется сфероидом, потому что она очень близка к шару, но не идеально круглая. Она немного вытянута на северном и южном полюсах.

Впервые вычислить площадь (S) поверхности шара удалось Архимеду. Именно он установил, что для того, чтобы найти S любого трёхмерного объекта, необходимо измерить его радиус. Для сферы получилась следующая формула: S = 4 * π * r ². Для того чтобы понять, как это работает, следует рассмотреть пример. Известно, что радиус детского мяча 10 см. Остаётся ещё одна неизвестная — число π. Это математическая константа, которая выражает отношение длины окружности к её диаметру и равна примерно 3,14. Далее, следует подставить цифры в уравнение:

1. S = 4 * 3,14 * 10²;
2. S мяча равна ≈ 1256 см².

Таким образом, можно найти площадь сферы через её радиус по формуле, полученной ещё в античности. Ещё одна важная характеристика — это объём (V) фигуры. Он вычисляется следующим образом: V = (4/3) * π * r³. Если придерживаться условий задачи, то V мяча = (4/3) * 3,14 * 10³ равен ≈ 4187 см ³. Сейчас можно избежать длительных расчётов, если нужно узнать площадь сферы, онлайн-калькуляторы — сервисы, которые очень в этом помогают.

Надо сказать, что внутренний конус может иметь основание с нулевым радиусом. Формула, по которой определяют площадь сектора, следующая: S = 2 * π * r * h, где h — высота. К слову, эта же формула применима, если необходимо найти S части шара, отрезанной плоскостью, то есть полусферы. Такая же формула применяется при нахождении S сегмента (часть между двумя параллельными плоскостями) и зоны сферы (изогнутая поверхность сферического сегмента).

Одиннадцать свойств

В своей книге «Геометрия и воображение» Дэвид Гилберт и Стефан Кон-Фоссен описывают свойства сферы и обсуждают, однозначны ли такие характеристики. Несколько пунктов справедливы и для плоскости, которую можно представить как шар с бесконечным радиусом:

1. Точки на сфере находятся на одинаковом расстоянии от одной фиксированной, называемой центром. Можно сделать единственный вывод: это обычное определение и оно однозначно. А также отношение расстояний между двумя фиксированными точками является постоянным. И здесь прослеживается аналогия с окружностями Аполлония, то есть с фигурами в плоскости.
2. Контуры и плоские участки сферы являются кругами. Это однозначное свойство, которое определяет шар.
3. Сфера имеет постоянную ширину и обхват. Ширина поверхности — это расстояние между парами параллельных касательных плоскостей. Множество других замкнутых выпуклых поверхностей имеют постоянную ширину, например, тело Мейснера. Обхват поверхности — это окружность границы её ортогональной проекции на плоскость. Каждое из этих свойств подразумевает другое.
4. Все точки сферы омбилические. В любой точке поверхности вектор нормали расположен под прямым углом к ней, поскольку шар — это линии, выходящие из его центра. Пересечение плоскости, которая содержит нормаль с поверхностью, сформирует кривую — нормальное сечение. Любая замкнутая поверхность будет иметь как минимум четыре точки, называемых омбилическими. Для сферы кривизны всех нормальных сечений одинаковы, поэтому омбилической будет каждая точка.
5. У шара нет центра поверхности. Например, два центра, соответствующие минимальной и максимальной секционной кривизне, называются фокальными точками, а совокупность всех таких точек образует одноимённую поверхность. И только у шара она преобразуется в единую точку.
6. Все геодезические сферы являются замкнутыми кривыми. Для этой фигуры они большие круги. Многие другие поверхности разделяют это свойство.
7. Имеет наименьшую площадь при наибольшем объёме. Это определяет шар однозначно. Например, мыльный пузырь: его окружает фиксированный объём, поверхностное натяжение минимизирует площадь его поверхности для такого объёма. Конечно, пузырь не будет идеальным шаром, поскольку внешние силы, такие как гравитация, будут искажать его форму.
8. Сфера — единственная вложенная поверхность, у которой нет границы или сингулярностей с постоянной положительной средней кривизной.
9. Сфера имеет наименьшую общую среднюю кривизну среди всех выпуклых тел с заданной площадью поверхности.
10. Шар имеет постоянную гауссову кривизну. Это внутреннее свойство, которое определяется путём измерения длины и углов и не зависит от того, как поверхность встроена в пространство.

Осевое сечение наклонного цилиндра

Рисунок выше демонстрирует наклонный цилиндр, изготовленный из бумаги. Если выполнить его осевое сечение, то получится уже не прямоугольник, а параллелограмм. Его стороны – это известные величины. Одна из них, как и в случае сечения прямого цилиндра, равна диаметру d основания, другая же – длина образующего отрезка. Обозначим ее b.

Для однозначного определения параметров параллелограмма недостаточно знать его длины сторон. Необходим еще угол между ними. Предположим, что острый угол между направляющей и основанием равен α. Он же и будет углом между сторонами параллелограмма. Тогда формулу для площади осевого сечения наклонного цилиндра можно записать следующим образом:

S = d*b*sin(α)

Диагонали осевого сечения цилиндра наклонного рассчитать несколько сложнее. Параллелограмм имеет две диагонали разной длины. Приведем без вывода выражения, позволяющие рассчитывать диагонали параллелограмма по известным сторонам и острому углу между ними:

l1 = √(d2 + b2 – 2*b*d*cos(α));

l2 = √(d2 + b2 + 2*b*d*cos(α))

Здесь l1 и l2 – длины малой и большой диагоналей соответственно. Эти формулы можно получить самостоятельно, если рассмотреть каждую диагональ как вектор, введя прямоугольную систему координат на плоскости.

О шаре и цилиндре

Так называлась работа, опубликованная античным математиком Архимедом. Она вышла в двух томах в 225 году до н. э. Он был первым, кто сделал полный и подробный трактат по основам вычисления площади поверхности сферы, объёма шара и аналогичных значений для таких элементов, как цилиндр. Результатами его деятельности пользуются до сих пор.

Архимед особенно гордился формулой объёма шара, где он доказал, что эта величина составляет две трети объёма описанного цилиндра. Он даже попросил сделать чертёж этих предметов на своей надгробной плите. Позже римский философ Цицерон обнаружил такую гробницу, к сожалению, сильно заросшую окружающей растительностью.

Аргумент, который Архимед использовал для доказательства формулы V шара, был довольно сложным и сильно вовлечён в его геометрию. Поэтому во многих современных учебниках используется упрощённая версия, основанная на концепции предела, которого, конечно, не было в античные времена. Великий математик создавал в сфере усечённый конус путём построения и вращения геометрических фигур, и только после этого он определил объём.

Сейчас кажется, что он специально выбирал такие оригинальные методы. Однако это был всего лишь лучший из тех, которые были ему доступны в греческой математике. Его основные работы были вновь открыты в XX веке. Например, Метод механических теорем, как он назывался в трактате автора.

Общие понятия

Изучим основные понятия. В дальнейших наших рассуждениях площадь будем обозначать латинской буквой S, угол между сторонами a и b будем обозначать как (ab).

Параллелепипедом в математике именуется четырехугольная призма, у которой все грани являются параллелограммами.

1. Грань — одна из поверхностей пространственного тела.
2. Параллелограмм — четырёхугольник с попарно параллельными противоположными сторонами.
3. Поверхности параллелепипеда это сумма поверхностей всех его граней.
4. Прямоугольный параллелепипед — пространственное тело у которого гранями являются прямоугольники.
5. Прямоугольник — четырёхугольник у которого все углы прямые.
6. Куб — пространственное тело у которого гранями являются квадраты.
7. Квадрат — прямоугольник у которого все стороны равны между собой.
8. Равными называются фигуры, совмещающиеся при наложении.