Площадь (в математике)
Пло́щадь, одна из количественных характеристик, связанных с геометрическими фигурами. В простейших случаях измеряется числом заполняющих плоскую фигуру единичных квадратов, т. е. квадратов со стороной, равной единице длины.
Вычисление площади уже в древности было одной из важнейших задач практической геометрии, что связано с измерением земельных участков. За несколько столетий до н. э. греческие учёные располагали точными правилами вычисления площадей, которые в «Началах» Евклида облечены в форму теорем. При этом площади многоугольников определялись теми же приёмами разложения и дополнения фигур, которые сохранились в школьном преподавании. Для вычисления площади фигур с криволинейными границами применялся предельный переход в форме метода исчерпывания.
Теория площадей плоских фигур, ограниченных простыми (т. е. не пересекающими себя) контурами, может быть построена следующим образом. Рассматриваются всевозможные многоугольники, вписанные в данную фигуру , и всевозможные многоугольники, описанные вокруг фигуры . (Вычисление площади многоугольника не представляет труда.) Пусть – множество чисел, которые суть площади вписанных в фигуру многоугольников, а – множество чисел, которые суть площади описанных вокруг фигуры многоугольников. Множество ограничено сверху (площадью любого описанного многоугольника), а множество ограничено снизу (например, числом нуль). Наименьшее из чисел , ограничивающее сверху множество , называется нижней площадью фигуры , а наибольшее из чисел , ограничивающее снизу множество , называется верхней площадью фигуры . Если верхняя площадь фигуры совпадает с её нижней площадью, то число называется площадью фигуры, а сама квадрируемой фигурой. Для того чтобы плоская фигура была квадрируемой, необходимо и достаточно, чтобы для любого положительного числа можно было указать такой описанный вокруг фигуры многоугольник и такой вписанный в фигуру многоугольник, разность площадей которых была бы меньше .
Аналитически площадь плоской фигуры может быть вычислена с помощью интеграла. Пусть
фигура – т. н. криволинейная трапеция (рис. 1) – ограничена графиком заданной на отрезке непрерывной неотрицательной функции , отрезками прямых и и отрезком оси . Площадь такой фигуры может быть выражена интегралом
Площадь фигуры, ограниченной замкнутым контуром, который встречается с каждой прямой, параллельной к оси , не более чем в двух точках, может быть вычислена как разность площадей двух криволинейных трапеций. Площадь фигуры может быть выражена в виде двойного интеграла
где интегрирование ведётся по части плоскости, занятой фигурой.
Теория площадей фигур, расположенных на кривой поверхности, может быть построена следующим образом. Пусть – односвязная фигура на гладкой поверхности, ограниченная кусочно гладким контуром. Фигура разбивается кусочно гладкими кривыми на конечное число частей , каждая из которых однозначно проектируется на касательную плоскость,
проходящую через точку (рис. 2). Предел сумм площадей этих проекций (если он существует), взятых по всем элементам разбиения, при условиях, что он существует и не зависит от выбора точек , называется площадью фигуры , а сама называется квадрируемой. Аналитически площадь фигуры на поверхности, заданной уравнением , может быть выражена интегралом
где – замкнутая область, являющаяся проекцией на плоскость .
В Международной системе единиц (СИ) площадь измеряется в м2.
Об обобщении понятия площади см. в статье Мера множества.