MATEMATIKA. Minkowského metoda měření délek, obsahů a povrchů geometrických útvarů

Podobné dokumenty
POVRCH JE DERIVACÍ OBJEMU. František Kuřina, Hradec Králové. 1. Úvod

MATEMATIKA. Minkowského metoda měření délek, obsahů a povrchů geometrických útvarů

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

Zavedeme-li souřadnicový systém {0, x, y, z}, pak můžeme křivku definovat pomocí vektorové funkce.

1.1 Základní pojmy prostorové geometrie. Předmětem studia prostorové geometrie je prostor, jehož prvky jsou body. Další

Význam a výpočet derivace funkce a její užití

Řešení úloh celostátního kola 59. ročníku fyzikální olympiády. Úlohy navrhl J. Thomas

OBVODY A OBSAHY GEOMETRICKÝCH ÚTVARŮ!Text je pracovní obrázky je potřeba spravit a doplnit!!!

Vzdělávací materiál. vytvořený v projektu OP VK. Název školy: Gymnázium, Zábřeh, náměstí Osvobození 20. Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/34.

Systematizace a prohloubení učiva matematiky. Učebna s dataprojektorem, PC, grafický program, tabulkový procesor. Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

Maturitní témata z matematiky

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

Vzdělávací materiál. vytvořený v projektu OP VK. Název školy: Gymnázium, Zábřeh, náměstí Osvobození 20. Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/34.

STEREOMETRIE 9*. 10*. 11*. 12*. 13*

MATEMATIKA III. π π π. Program - Dvojný integrál. 1. Vypočtěte dvojrozměrné integrály v obdélníku D: ( ), (, ): 0,1, 0,3, (2 4 ), (, ) : 1,3, 1,1,

Management rekreace a sportu. 10. Derivace

Základní topologické pojmy:

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora. Průřezová témata Poznámky. Téma Školní výstupy Učivo (pojmy) volné rovnoběžné promítání průmětna

3.3. ANALYTICKÁ GEOMETRIE KRUŽNICE A KOULE

3.2. ANALYTICKÁ GEOMETRIE ROVINY

Matematika I (KX001) Užití derivace v geometrii, ve fyzice 3. října f (x 0 ) (x x 0) Je-li f (x 0 ) = 0, tečna: x = 3, normála: y = 0

Diferenciální počet ve středoškolské matematice

Matematika 1 MA1. 1 Analytická geometrie v prostoru - základní pojmy. 4 Vzdálenosti. 12. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 32

POSLOUPNOSTI A ŘADY INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Elementární křivky a plochy

Euklidovský prostor. Funkce dvou proměnných: základní pojmy, limita a spojitost.

POSLOUPNOSTI A ŘADY INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Kružnice, úhly příslušné k oblouku kružnice

Rozvinutelné plochy. tvoří jednoparametrickou soustavu rovin a tedy obaluje rozvinutelnou plochu Φ. Necht jsou

CZ 1.07/1.1.32/

Mgr. Tomáš Kotler. I. Cvičný test 2 II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

Mgr. Ladislav Zemánek Maturitní okruhy Matematika Obor reálných čísel

Rotačně symetrická deska

Omezíme se jen na lomené čáry, jejichž nesousední strany nemají společný bod. Jestliže A 0 = A n (pro n 2), nazývá se lomená čára uzavřená.

Trojúhelníky. a jejich různé středy. Součet vnitřních úhlů trojúhelníku = 180 neboli π radiánů.

Diferenciální počet funkcí více proměnných

Matematika 1. 1 Derivace. 2 Vlastnosti a použití. 3. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 16

Syntetická geometrie II

Gymnázium Česká a Olympijských nadějí, České Budějovice, Česká 64, 37021

B) výchovné a vzdělávací strategie jsou totožné se strategiemi vyučovacího předmětu Matematika.

Nejprve si připomeňme z geometrie pojem orientovaného úhlu a jeho velikosti.

Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu MatemaTech Matematickou cestou k technice.

Odvození středové rovnice kružnice se středem S [m; n] a o poloměru r. Bod X ležící na kružnici má souřadnice [x; y].

Syntetická geometrie I

Rozpis výstupů zima 2008 Geometrie

Petr Hasil. Prvákoviny c Petr Hasil (MUNI) Úvod do infinitezimálního počtu Prvákoviny / 57

3 Geometrie ve škole. krychle a její obrázek, koule a její stín, průměty trojrozměrného útvaru do roviny

KRUHOVÁ ŠROUBOVICE A JEJÍ VLASTNOSTI

Přednáška 4: Derivace

19 Eukleidovský bodový prostor

6 Skalární součin. u v = (u 1 v 1 ) 2 +(u 2 v 2 ) 2 +(u 3 v 3 ) 2

Konstruktivní geometrie

Konvexní útvary. Kapitola 4. Opěrné roviny konvexního útvaru v prostoru

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství MATEMATIKA 2

kopci a tuto představu přetavit do náčrtku celé situace, viz. obr.1. Aby však tento náčrt nebyl

3. ÚVOD DO ANALYTICKÉ GEOMETRIE 3.1. ANALYTICKÁ GEOMETRIE PŘÍMKY

Základy matematické analýzy

Úvodní informace. 17. února 2018

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

f(x) = arccotg x 2 x lim f(x). Určete všechny asymptoty grafu x 2 2 =

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

Cyklografie. Cyklický průmět bodu

Extrémy funkce dvou proměnných

Je-li dána hranolová nebo jehlanová plocha s podstavou v rovině σ a rovina řezu ρ:

Maturitní témata profilová část

Elementární plochy-základní pojmy

Matematika I 12a Euklidovská geometrie

Vybrané kapitoly z matematiky

Úlohy krajského kola kategorie A

Shodná zobrazení. bodu B ležet na na zobrazené množině b. Proto otočíme kružnici b kolem

ŠROUBOVICE. 1) Šroubový pohyb. 2) Základní pojmy a konstrukce

Další plochy technické praxe

Povrchy, objemy. Krychle = = = + =2 = 2 = 2 = 2 = 2 =( 2) + = ( 2) + = 2+ =3 = 3 = 3 = 3 = 3

Funkce. RNDR. Yvetta Bartáková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

Matematika pro informatiky

1. Několik základních pojmů ze středoškolské matematiky. Na začátku si připomeneme následující pojmy:

Diferencovatelné funkce

Maturitní otázky z předmětu MATEMATIKA

Modelové úlohy přijímacího testu z matematiky

Každá kružnice má střed, označuje se S. Všechny body kružnice mají od středu S stejnou vzdálenost, říká se jí poloměr kružnice a označujeme ho r.

Syntetická geometrie I

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

FAKULTA STAVEBNÍ VUT V BRNĚ PŘIJÍMACÍ ŘÍZENÍ PRO AKADEMICKÝ ROK

Maturitní témata z matematiky

Syntetická geometrie I

Matematická analýza III.

Geometrie zakřiveného prostoru aplikace s fyzikální tématikou

Syntetická geometrie I

Pracovní listy LINEÁRNÍ PERSPEKTIVA

Derivace funkce. Přednáška MATEMATIKA č Jiří Neubauer

Matematická analýza 1, příklady na procvičení (Josef Tkadlec, )

Texty k přednáškám z MMAN3: 4. Funkce a zobrazení v euklidovských prostorech

2. DVOJROZMĚRNÝ (DVOJNÝ) INTEGRÁL

Otázky k ústní zkoušce, přehled témat A. Číselné řady

Matematika 1 pro PEF PaE

CVIČNÝ TEST 5. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Václav Zemek. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 17 IV. Záznamový list 19

i=1 Přímka a úsečka. Body, které leží na přímce procházející body a a b můžeme zapsat pomocí parametrické rovnice

Vyučovací předmět / ročník: Matematika / 4. Učivo

Pojmy: stěny, podstavy, vrcholy, podstavné hrany, boční hrany (celkem hran ),

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

Transkript:

MATEMATIKA Minkowskéo metoda měření délek, obsaů a povrců geometrickýc útvarů JOSEF POLÁK Fakulta aplikovanýc věd ZČU, Plzeň Článek vycází u příležitosti autorova životnío jubilea Problém měření délek, obsaů a objemů geometrickýc útvarů istoricky vznikl z praktickýc potřeb lidské populace, jejic měření bylo jednou z prvníc matematickýc činností lidí. Pojmy délka úsečky, délka oblouku křivky, obsa rovinnéo obrazce a objem tělesa vznikly již ve starověké matematice (Eudoxos, Eukleides, Arcimedes) a postupně byly precizovány. V 19. století k jejic precizaci značně přispěli zejména francouzský matematik Camille Jordan (1838 1922) a italský matematik Giuseppe Peano (1858 1932). Na konci 19. století a počátku 20. století pak především dva francouzští matematici Émile Borel (1871 1956) a Henri Lebesgue (1875 1941) měli zásadní zásluu na vybudování exaktní teorie míry geometrickýc útvarů a jejím zobecnění v abstraktní teorii míry množin (nejen geometrickýc). Pro moderní matematiku ve 20. a 21. století je carakteristické, že se zabývá měřitelnými strukturami, v nicž je míra pojímána jako množinová funkce jistýc vlastností, jež jsou zobecněním vlastností míry geometrickýc útvarů (množin bodů). Míra geometrickéo útvaru je společný název pro délku útvaru na přímce či křivce, pro obsa útvaru v rovině či na ploše, pro objem útvaru v prostoru. Obecně se pojem míra útvaru zavádí axiomaticky takto [1]: Matematika fyzika informatika 25 2016 321

Necť je dán množinový systém M útvarů v takovém prostoru P, ve kterém jsou definovány pojmy sodnost útvarů, vnitřní a raniční bod útvaru. Mírou útvarů ze systému M nazýváme funkci m, která má tyto vlastnosti: 1. Každému útvaru X M přiřazuje číslo m(x) 0. 2. Každým dvěma sodným útvarům X, Y (X = Y) přiřazuje totéž číslo m(x) = m(y). 3. (Aditivita míry m) Každým dvěma útvarům X, Y, které nemají společný vnitřní bod, přiřazuje taková čísla m(x), m(y), že m(x Y) = m(x) + m(y). 4. Alespoň jednomu útvaru E M je přiřazeno číslo m (E) = 1. Konkrétní modely míry geometrickýc útvarů užívané ve školské geometrii byly vytvořeny již starořeckým matematikem Arcimedem ze Syrakus a v moderním pojetí zejména francouzským matematikem C. Jordanem (v r. 1892). O této tzv. Jordanově míře a jejím užití v elementární geometrii a v matematické analýze pojednává podrobně řada našic knižníc publikací (viz např. [2] a [3]). Omezené útvary, jimž přísluší nezáporná Jordanova míra, se nazývají jordanovsky měřitelné; rovinné útvary s kladnou mírou se nazývají ve školské geometrii obrazce, prostorové útvary s kladnou mírou jsou tělesa. Další pro středoškolskou geometrii významnou alternativní metodou určování délek a obsaů geometrickýc útvarů je tzv. Minkowskéo metoda. Její základní idea má původ v pracíc německýc matematiků Carla Wilelma Borcardta (1817 1880) a Hermanna Minkowskéo (1864 1909). Zásadní vliv na praktické uplatnění této metody ve výuce středoškolské geometrie měl pak francouzský matematik Henri Lebesgue, který ji zarnul do svýc přednášek o měření geometrickýc veličin pro studenty učitelství matematiky a do statí publikovanýc v letec 1931 1935 ve švýcarském časopise L Enseignement matématique ( Vyučování matematice ). Později vyšly souborně v knižním vydání rusky a francouzsky [4]. U nás byla Minkowskéo metoda systematicky použita v závěrečnýc partiíc středoškolské učebnice geometrie Jana Vyšína a kol. z r. 1954 [5]. Zpracování těcto partií bylo originální na základě využití matematickéo aparátu limit posloupností a velmi přesné, ale pro žáky značně náročné. Obecnější poled na problematiku měření útvarů v geometrii (včetně Minkowskéo metody) obsaovala polská publikace pro učitele matematiky z r. 1961 [6]. O možnosti využití základní (přibližné) ideje Minkowskéo metody 322 Matematika fyzika informatika 25 2016

v geometrii na základní škole se zmiňovala metodická publikace našic autorů Karla Hruši a Jana Vyšína z r. 1964. Zajímavou stať o definici délky oblouku rovinné křivky v Minkowskéo pojetí obsauje pátý svazek ruské Encyklopedie elementární matematiky z r. 1966 [7] v jedné z kapitol o měření geometrickýc útvarů v rovině a v prostoru. Pozoruodné je, že v ruskýc středoškolskýc učebnicíc geometrie (zejména pro třídy s rozšířenou výukou matematiky) od šedesátýc let minuléo století až do současnosti je zcela obvyklé užití Minkowskéo metody ve stereometrii s uplatněním pojmu limity funkce, viz např. učebnice [8] a [9]. Naše literatura postrádá obecný výklad Minkowskéo metody a jejío užití v elementární geometrii. Cílem předloženéo článku je stručné vysvětlení matematickýc základů Minkowskéo metody a uvedení jednoducýc příkladů použitelnýc ve středoškolské geometrii, resp. v geometrickýc aplikacíc matematické analýzy. Idea Minkowskéo metody Základní idea Minkowskéo metody definování a výpočtu délek křivek v rovině a obsaů ploc, speciálně povrců těles v prostoru, je velmi jednoducá a názorná. Vycází se z reálnýc (motnýc) modelů uvažovanýc geometrickýc útvarů (křivek, ploc). Rovinná křivka se modeluje jako stopa (tvaru proužku) vytvořená rotem tužky, pera či rýsovacíc prostředků. Vydělením obsau tooto proužku jeo šířkou se dostane přibližně délka modelované křivky. Ploca v prostoru, speciálně ranice tělesa se modeluje tenkou vrstvou látky, např. alobalu. Vydělíme-li objem této vrstvy její tloušťkou, dostaneme přibližně obsa vymodelované plocy. Přesnost výpočtu v obou případec bude tím větší, čím je menší tloušťka modelu. Matematické vyjádření Minkowskéo metody, definiční vzorce K matematickému vyjádření Minkowskéo metody určení (definice a výpočtu) délky rovinné křivky a obsau plocy v prostoru se zavádí pojem -obalu rovinné křivky a -obalu plocy v prostoru (pro > 0): Definice 1 -obalem rovinné křivky k nazýváme množinu M všec bodů X roviny, z nicž pro každý existuje takový bod Y k, že platí XY. Je tvořen všemi body kruů se středy na dané rovinné křivce k a s poloměry rovnými danému číslu > 0. Matematika fyzika informatika 25 2016 323

Poznámka. -obal rovinné křivky k je uzávěr jejío -okolí v rovině. Definice 2 -obalem plocy F v prostoru nazýváme množinu M všec bodů X prostoru, z nicž pro každý existuje takový bod Y F, že platí XY. Je tvořen všemi body koulí se středy na dané ploše F a s poloměry rovnými danému číslu > 0. Poznámka. -obal plocy F v prostoru je uzávěr jejío -okolí v prostoru. Užitím těcto pojmů se definuje délka oblouku rovinné křivky k a obsa plocy F v prostoru podle Minkowskéo takto: Definice 3 Délkou d oblouku rovinné křivky k podle Minkowskéo nazýváme konečnou limitu podílu obsau (dvojrozměrné Jordanovy míry) S jejío -obalu a čísla 2 pro 0+, pokud tato limita existuje a je kladná: S d = lim 0+ 2. (1) Speciálně délkou uzavřené rovinné křivky k neboli obvodem o rovinnéo obrazce O, jeož je křivka k ranicí, podle Minkowskéo nazýváme za obdobnýc předpokladů limitu: S o = lim 0+ 2. (1a) Označíme-li S + obsa vnější části -obalu křivky k a S obsa vnitřní části -obalu křivky k, pak za obdobnýc předpokladů platí: S + o = lim 0+, S o = lim 0+. (1b) (1c) Definice 4 Obsaem S plocy F v prostoru podle Minkowskéo nazýváme konečnou limitu podílu objemu (trojrozměrné Jordanovy míry) V jejío -obalu a čísla 2 pro 0+, pokud tato limita existuje a je kladná: V 0+ 2. (2) 324 Matematika fyzika informatika 25 2016

Speciálně pro uzavřenou plocu F, která je ranicí tělesa T, představuje S povrc tělesa. Označíme-li V + objem vnější části -obalu plocy F a V objem vnitřní části jejío -obalu, pak za obdobnýc předpokladů platí: V + 0+, (2a) V 0+. (2b) Definice 3 a 4 jsou teoreticky použitelné vždy za uvedenýc předpokladů. Jejic praktické použití k výpočtu délek oblouků rovinnýc křivek a obsaů ploc v prostoru je ovšem omezené jen na případy, kdy dovedeme vypočítat příslušné obsay, resp. objemy jejic -obalů. Příklady užití Minkowskéo metody v elementární geometrii a) Výpočet délky rovinné křivky Délku d oblouku AB rovinné křivky k podle Minkowwskéo můžeme vypočítat užitím vzorce (1), jestliže dovedeme určit obsa S -obalu oblouku AB (obr. 1). Jako nejjednodušší uvedeme nejprve ilustrativní příklad délky d úsečky AB. A d B Obr. 1 Příklad 1 Prověřte, že Minkowskéo metodou dostáváme jako délku d libovolné úsečky AB její standardní délku AB. Řešení: -obal úsečky AB (obr. 2) má obsa S = AB 2 + π 2 (kde AB je délka úsečky jako vzdálenost bodů A, B), a tedy podle vzorce (1) pro její délku d podle Minkowskéo platí: S d = lim ( AB 0+ 2 = lim + π ) 0+ 2 = AB. Matematika fyzika informatika 25 2016 325

A d B 2 Obr. 2 Prakticky významné příklady užití Minkowskéo metody představují odvození vzorců pro délku kružnice (obvod kruu) a délku kruovéo oblouku. Příklad 2 Odvoďte užitím Minkowskéo metody vzorec pro délku kružnice k (obvod kruu) o poloměru r. r r + r Obr. 3 Řešení: Označme S(r) obsa kruu o poloměru r, tj. S(r) = πr 2. Na obr. 3 je -okolí kružnice k mezikruží o obsau S = S(r + ) S(r ) = 4πr, takže podle vzorce (1a) má kružnice délku S(r + ) S(r ) o = lim = 2πr. 0+ 2 326 Matematika fyzika informatika 25 2016

Poznámka. Odvodili jsme takto, že obvod o kruu o proměnném poloměru r je tzv. symetrickou derivací jeo obsau S(r) = πr 2, o(r) = S s(r). Užitím vzorců (1b), (1c) obdobně dostáváme: S(r + ) S(r) S(r) S(r ) o = lim = 2πr, o = lim = 2πr. 0+ 0+ Prvním z těcto vztaů je obvod o kruu pro proměnný poloměr r vyjádřen jako derivace zprava jeo obsau S(r) = πr 2 a druým je vyjádřen jako jeo derivace zleva. Protože platí S +(r) = S (r) = 2πr, plyne odtud, že symetrická derivace funkce S(r) = πr 2 je rovna její derivaci: S s(r) = S (r) = 2πr. Zároveň zdůrazněme, že všecny tyto vztay nejsou žádnou invariantní vlastností uvažovanéo obrazce (kruu) a jeo ranice (kružnice), neboť platí pouze, když za funkční proměnnou zvolíme poloměr r (nikoliv např. průměr d). Příklad 3 Odvoďte užitím Minkowskéo metody vzorec pro délku oblouku kružnice o poloměru r příslušnéo k jejímu středovému úlu ASB o velikosti x v obloukové míře. Řešení: Příslušná kruová výseč má obsa S v (r) = πr 2 x 2π = 1 2 r2 x, takže -obal uvažovanéo oblouku kružnice má obsa S = 1 2[ (r + ) 2 (r ) 2] x + π 2 = 2rx + π 2. Ze vzorce (1) pak pro délku tooto oblouku podle Minkowskéo dostáváme: S d = lim 0+ 2 = lim ( π rx + 0+ 2 ) = rx. Příklad 4 Odvoďte Minkowskéo metodou vzorec pro obvod konvexnío mnooúelníku. Řešení: Uvažujme libovolný konvexní n-úelník A 1 A 2... A n se stranami délek a 1, a 2,..., a n. Sestrojíme rovinné -okolí jeo ranice (obr. 4 pro konvexní pětiúelník), jeož vnější část má obsa S + = (a 1 + a 2 +... + a n ) + π 2. Matematika fyzika informatika 25 2016 327

Ze vzorce (1b) pak pro jeo obvod o plyne: S + o = lim 0+ = lim 0+ (a 1 + a 2 +... + a n + π) = a 1 + a 2 +... + a n. A 4 A 3 A 5 A 2 A 1 Obr. 4 Poznámka. Lze dokázat (viz [7]), že pro všecny jednoducé oblouky křivek scopné rektifikace, tj. mající konečnou délku definovanou jako limita posloupnosti vepsanýc lomenýc čar, je tato délka rovna jeo délce podle Minkowskéo definice. Příklad 5 Odvoďte, jaký platí speciálně vzta mezi obsaem S a obvodem o konvexnío mnooúelníku, jemuž lze vepsat kružnici k (tzv. tečnovéo mnooúelníku). Řešení: Označme O střed kružnice k vepsané tečnovému n-úelníku A 1 A 2... A n, ϱ její poloměr a P 1, P 2,..., P n dotykové body kružnice k se stranami tooto n-úelníku o délkác a 1, a 2,..., a n (obr. 5 pro n = 4). Dále označme α 1, α 2,..., α n jeo vnitřní úly při vrcolec A 1, A 2,..., A n. 328 Matematika fyzika informatika 25 2016

A 4 P 4 P 3 ϱ ϱ α 3 2 A 3 0 α 3 2 A 1 α 1 2 α 1 2 ϱ ϱ P 2 P 1 Obr. 5 A 2 Z rozkladu trojúelníků A 1 A 2 O,..., A n A 1 O na pravoúlé trojúelníky A 1 P 1 O a A 2 P 1 O,..., A n P n O a A 1 P n O plyne (obr. 5), že čili..., čili Označíme-li a 1 = ϱ cotg α 1 2 + ϱ cotg α 2 2 a 1 = c 1 ϱ, kde c 1 = cotg α 1 2 + cotg α 2 2, a n = c n ϱ, c = c 1 + c 2 +... + c n = 2 a n = ϱ cotg α n 2 + ϱ cotg α 1 2 kde c n = cotg α n 2 + cotg α 1 2. ( cotg α 1 2 + cotg α 2 2 +... + cotg α ) n, 2 Matematika fyzika informatika 25 2016 329

dostáváme, že pro obvod a obsa tečnovéo n-úelníku platí o = a 1 + a 2 +... + a n = cϱ, S = 1 2 a 1ϱ + 1 2 a 2ϱ +... + 1 2 a nϱ = 1 2 cϱ2. Pro funkce o(ϱ) = cϱ a S(ϱ) = 1 2 cϱ2 plyne jako triviální důsledek, že S (ϱ) = o(ϱ), tj. pro tečnový mnooúelník o poloměru vepsané kružnice ϱ platí, že derivace jeo obsau S podle ϱ je rovna jeo obvodu o. Poznámka. Speciálně odvozené vztay o = cϱ a S = 1 2 cϱ2 platí pro libovolný trojúelník, kde c = 2 ( cotg α 2 + cotg β 2 + cotg γ 2 ) a pro každý pravidelný mnooúelník (kde např. pro rovnostranný trojúelník je c = 6 3, pro čtverec c = 8, atd.). b) Výpočet obsau plocy v prostoru, speciálně povrcu tělesa Obsa S plocy F v prostoru podle Minkowskéo můžeme vypočítat pomocí vzorce (2), jestliže dovedeme určit objem jejío -obalu. Příklad 6 Ověřte, že pro libovolný konvexní mnooúelník v prostoru obsa S určený podle Minkowskéo metody je týž jako jeo rovinný obsa S p. Řešení: -obal uvažovanéo n-úelníku v prostoru má objem, který opět snadno vypočteme: V = S p 2 + 1 2 (a 1 + a 2 +... + a n )π 2 + 4 3 π3, kde S p je jeo rovinný obsa, a 1, a 2,..., a n jsou délky jeo stran. Jeo obsa S podle Minkowskéo určíme užitím vzorce (2): V [S 0+ 2 = lim p + 14 (a 1 + a 2 +... + a n )π + 23 ] 0+ π2 = S p. Zvláště významná a prakticky užívaná je Minkowskéo metoda při definování a výpočtu povrcu těles. Pokud se ranice těles skládá z jednoducýc rovinnýc obrazců jako u mnoostěnů či ji lze rozvinout do roviny jako u rotačnío válce nebo rotačnío kužele, výpočet povrcu tělesa je velmi jednoducý. Povrc tělesa v takovém případě je rovný součtu obsaů rovinnýc obrazců, z nicž se skládá ranice tělesa. U těles, jejicž ranici nelze rozvinout do roviny, jako jsou např. koule a její části, je nutné definovat, co se obecně rozumí povrcem tělesa. Nabízí se postupovat při této definici obdobně jako při definování délky oblouku křivky 330 Matematika fyzika informatika 25 2016

jako limity posloupnosti vepsanýc lomenýc čar složenýc z n úseček pro n. Avšak již v r. 1890 zveřejnil německý matematik H. A. Scwarz (1843 1921) článek, ve kterém ukázal, že povrcy oblýc těles nelze bez doplňujícíc podmínek definovat jako limity posloupností povrců vepsanýc n-stěnů pro n. Poznámka. Označíme-li δ n maximální rozměr stěn vepsanéo n-stěnu (tj. největší vzdálenost mezi dvěma body na jeo stěnác), pak jako doplňkovou podmínku pro zvolenou posloupnost povrců vepsanýc n-stěnů a n je nutné klást δ n 0. Praktické užití Minkowskéo metody je možné jen tedy, když dovedeme vypočítat (elementárně či užitím integrálnío počtu) objem -obalu ranice tělesa. Z didaktickéo lediska ovšem výodu Minkowskéo metody určování (definice a výpočtu) povrcu těles představuje skutečnost, že je univerzální pro všecna tělesa (mnoostěny a rotační tělesa) ve středoškolské geometrii. Příklad 7 Odvoďte užitím Minkowskéo metody vzorec pro povrc koule K o poloměru r. Řešení: Označme V (r) objem koule o poloměru r, tj. V (r) = 4 3 πr3. Z prostorové analogie obr. 3 je zřejmé, že -okolí koule K má objem V = V (r + ) V (r ) = 8 3 π(3r2 + 2 ) a podle vzorce (2) má proto koule povrc V (r + ) V (r ) = 4πr 2. 0+ 2 Poznámka. Odvodili jsme takto užitím vzorce (2), že povrc S koule o poloměru r je symetrickou derivací jejío objemu V (r) = 4 3 πr3 : S(r) = V s (r). Užitím vzorců (2a), (2b) obdobně dostáváme: V (r + ) V (r) = 4πr 2 V (r) V (r ), = 4πr 2. 0+ 0+ Prvním z těcto vztaů je povrc S koule o proměnném poloměru r vyjádřen jako derivace zprava jejío objemu V (r) = 4 3 πr3 a druým je Matematika fyzika informatika 25 2016 331

vyjádřen jako jeo derivace zleva. Protože podle těcto vztaů pro ně platí V +(r) = V (r) = 4πr 2, plyne odtud, že symetrická derivace funkce V (r) = 4 3 πr3 je rovna její derivaci, tj. V s (r) = V (r) = 4πr 2. Zároveň opět zdůrazněme, že tyto vztay nejsou invariantní vlastností uvažovanéo tělesa (koule) a jeo ranice (koulové plocy), neboť platí pouze, když za funkční proměnnou se zvolí jejic poloměr r (nikoliv např. průměr d). Příklad 8 Užitím Minkowskéo metody odvoďte vzorec pro povrc rotačnío válce o poloměru podstavy r a výšce v. r r v v Obr. 6 Řešení: -okolí ranice válce je znázorněno na obr. 6. Výpočet jeo objemu V a objemu jeo vnější části V + je obtížnější, objem jeo vnitřní části však vypočteme jednoduše jako rozdíl objemů dvou rotačníc válců: V V = πr2 v π(r ) 2 (v 2) = π(2rv + 2r 2 v 4r + 2 2 ). Podle vzorce (2b) pro povrc danéo rotačnío válce platí: V 0+ = lim 0+ π(2rv + 2r2 v 4r + 2 2 ) = 2πrv + 2πr 2. 332 Matematika fyzika informatika 25 2016

Příklad 9 Odvoďte Minkowskéo metodou vzorec pro povrc S konvexnío mnoostěnu. Řešení: Uvažujme libovolný konvexní s-stěn se stěnami o obsazíc S 1, S 2,..., S s. Pro vnější část objemu -obalu jeo ranice lze odvodit vzta V + = (S 1 + S 2 +... + S s ) + 1 2 C2 + 4 3 π3, kde C je konstanta rovná součtu součinů délek ran mnoostěnu a velikostí příslušnýc vnějšíc úlů. (Přitom vnějším úlem příslušným k raně se rozumí úel sevřený vnějšími normálami ke stěnám, jež mají společnou tuto ranu.) Povrc S mnoostěnu vypočteme užitím vzorce (2a): V + 0+ ( 1 + S 2 +... + S s + 12 C + 43 ) 0+ π2 = = S 1 + S 2 +... + S s. Příklad 10 Odvoďte, jaký platí vzta speciálně mezi objemem V a povrcem S konvexnío mnoostěnu, jemuž lze vepsat kouli K (tzv. tečnéo mnoostěnu). Řešení: Označme O střed vepsané koule K a ϱ její poloměr. Pomocí stejnolelosti se středem O a koeficientem stejnolelosti ϱ dostáváme, že pro obsay všec stěn tečnovéo mnoostěnu platí S i = c i ϱ 2 (i = 1, 2,..., s). Odtud plyne pro jeo povrc vzta čili S = S 1 + S 2 +... + S s = (c 1 + c 2 +... + c s )ϱ 2, S = cϱ 2 (kde c = c 1 + c 2 +... + c s ). Jeo objem vypočteme jako součet objemů s jelanů o obsazíc podstav S i a výšce ϱ (s lavním vrcolem O): V = V 1 + V 2 +... + V s = = 1 3 S 1ϱ + 1 3 S 2ϱ +... + 1 3 S sϱ = 1 3 (S 1 + S 2 +... + S s )ϱ = 1 3 Sϱ čili V = 1 3 cϱ3. Matematika fyzika informatika 25 2016 333

Pro funkce S(ϱ) = cϱ 2 a V (ϱ) = 1 3 cϱ3 plyne jako triviální důsledek, že V (ϱ) = S(ϱ), tj. pro tečný mnoostěn o poloměru vepsané koule ϱ je derivace jeo objemu podle ϱ rovna jeo povrcu S. Poznámka. Speciálně vztay odvozené v příkladu 10 platí pro všecny pravidelné mnoostěny. Příklad 11 Anuloid vzniklý rotací kruu o poloměru r kolem osy o ve vzdálenosti R od středu kruu má objem V = πr 2 2πR = 2π 2 Rr 2. Určete užitím Minkowskéo metody vzorec pro povrc S anuloidu. Řešení: Uvažujeme objem -obalu anuloidu jako funkci proměnné r: V = V (r + ) V (r ) = 2πr 2πR 2 a ze vzorce (2) pak pro povrc anuloidu dostáváme: V 0+ 2 = lim V (r + ) V (r ) = 2πr 2πR = 4π 2 Rr. 0+ 2 Poznámka. Odvození vzorce pro povrc anuloidu lze provést též užitím vzorců (2a), (2b) a vyslovit obdobné závěry jako v poznámce k příkladu 7. L i t e r a t u r a [1] Sedláček, J. a kol.: Slovník školské matematiky. SPN, Praa 1981. [2] Vyšín, J. a kol.: Geometrie pro pedagogické fakulty. I. díl. SPN, Praa 1965. Geometria pre pedagogické fakulty. II. diel. SPN, Bratislava 1970. [3] Scwabik, Š. Šarmanová, P.: Malý průvodce istorií integrálu. (Dějiny matematiky, sv. 6.) Prometeus, Praa 1996. [4] Lebesgue, H.: La mesure des grandeurs. Institut de Matématiques Université, Genéve 1956. (Ruský překlad: Ob izmerenii veličin. 2. vyd. GUPI, Moskva 1960.) [5] Vyšín, J. a kol.: Geometrie pro jedenáctý postupný ročník. SPN, Praa 1954. [6] Moszner, Z.: O mierzeniu w matematyce. PZWS, Warszawa 1961. [7] Boltjanskij, V. G. Jaglom, I. M. (red.): Enciklopedija elementarnoj matěmatiki. Kniga 5 Geometrija. Nauka, Moskva 1966. [8] Pogorelov, A. V.: Geometrija dlja 6 10 klassov sredněj školy. Prosveščenije, Moskva 1986. (5. vydání.) [9] Kalinin, A. J. Těrešin, D. A.: Stereometrija dlja 11 klassa. Eksperimentalnyj učebnik dlja škol s uglublennym izučenijem matěmatiki. Izdatělstvo MFTI, Moskva 2001. 334 Matematika fyzika informatika 25 2016