Объём
Объём, одна из основных величин, связанная с геометрическими телами. В простейших случаях измеряется числом умещающихся в теле единичных кубов, т. е. кубов с рёбрами, равными единице длины. В СИ объём измеряется в м3.
Задача вычисления объёмов простейших тел, идущая от практических потребностей, была одним из стимулов развития геометрии. Математика Древнего Востока (Вавилония, Египет) располагала рядом правил (большей частью эмпирических) для вычисления объёма тел, с которыми чаще всего приходилось встречаться на практике (например, призматических брусьев, пирамид полных и усечённых, цилиндров). Среди формул для вычисления объёма были и неточные, дававшие не слишком заметную ошибку лишь в пределах употребительных размеров тела. Греческая математика последних столетий до н. э. освободила теорию вычисления объёма от приближённых эмпирических правил. В «Началах» Евклида и в сочинениях Архимеда имеются только точные правила для вычисления объёма многогранников и некоторых круглых тел (цилиндра, конуса, шара и их частей). При этом в создании учения об объёме многогранников греческие математики должны были преодолеть значительные трудности, существенно отличающие этот раздел геометрии от родственного ему раздела о площадях многоугольников. Источник различия, как выяснилось лишь в начале 20 в., состоит в следующем: в то время как всякий многоугольник можно посредством надлежащих прямолинейных разрезов и перекладывания полученных частей «перекроить» в квадрат, аналогичное преобразование (посредством плоских разрезов) произвольного многогранника в куб оказывается, вообще говоря, невозможным (теорема Дена, 1901). Отсюда становится ясным, почему Евклид уже в случае треугольной пирамиды был вынужден прибегнуть к бесконечному процессу последовательных приближений, пользуясь при доказательстве методом исчерпывания. Бесконечный процесс лежит и в основе современной трактовки измерения объёма, сводящейся к следующему. Рассматриваются всевозможные многогранники, вписанные в тело , и всевозможные многогранники, описанные вокруг тела . Вычисление объёма многогранника сводится к вычислению объёмов составляющих его тетраэдров (треугольных пирамид). Пусть – множество чисел, состоящее из объёмов вписанных в тело многогранников, а – множество чисел, состоящее из объёмов описанных вокруг тела многогранников. Множество ограничено сверху (например, объём любого описанного многогранника), а множество ограничено снизу (например, числом нуль). Наименьшее из чисел, ограничивающее сверху множество , называется нижним объёмом тела , а наибольшее из чисел, ограничивающее снизу множество , называется верхним объёмом тела . Если верхний объём тела совпадает с его нижним объёмом , то число называется объёмом тела , а само тело – кубируемым телом. Для того чтобы тело было кубируемым, необходимо и достаточно, чтобы для любого положительного числа можно было указать такой описанный вокруг тела многогранник и такой вписанный в тело многогранник, разность объёмов которых была бы меньше .
Аналитически объём может быть выражен с помощью кратных интегралов. Пусть тело (рис. 1) ограничено цилиндрической поверхностью с параллельными оси образующими, квадрируемой областью плоскости и поверхностью , которую любая параллель к образующей цилиндра пересекает в одной и только в одной точке. Объём такого тела может быть вычислен с помощью двойного интеграла
Объём тела, ограниченного замкнутой поверхностью, которая пересекается с параллелями к оси не более чем в двух точках, может быть вычислен как разность объёмов двух тел, подобных предшествующему. В общем случае объём тела может быть выражен в виде тройного интеграла где интегрирование распространяется на часть пространства, занятую телом. Иногда удобно вычислять объём тела через его поперечные сечения. Пусть тело, содержащееся между плоскостями и , , рассекается плоскостями, параллельными оси (рис. 2). Если все сечения тела квадрируемы и площадь сечения – непрерывная функция , то объём тела может быть выражен интеграломОб обобщениях понятия объёма см. в статье Мера множества.