Содержание
1. Площадь в геометрии
2. Площадь по координатам вершин или двух определяющих его векторов
3. Площадь в матричном виде
4. Площадь в тензорном исчислении
5. Площадь треугольника в трехмерном пространстве
6. Через проекции площадей на координатные плоскости
7. Использованием операции векторного произведения векторной алгебры
8. Площадь с использованием операций свертки тензорного исчисления
В математике и физике широко пользуются тензорным исчислением, в которой понятия "скаляр", "вектор" и "тензор" являются широко употребляемыми объектами. Смысл этих понятий и анализ первых двух понятий был определен в предыдущей статье, и последующей . В первой были определены понятия "длины " вектора и "скалярного" произведения векторов и некоторые определения, с ними связанные, их геометрический смысл, а во второй введены понятия и определения, связанные с тензорами. Без них любая статья подобного направления будет художественным текстом на иностранном языке без перевода.
Под понятием "тензор " обычно понимаются объекты типа "вектор ", "матрица ", и другие многоиндексные объекты произвольной валентности с размерностью, равной размерности n рассматриваемого пространства:
где i .. j , k .. m – индексы тензора,
m –символ последнего индекса.
Тензоры в математике применяются очень широко. В частности, с их помощью можно определять геометрические параметры – длину, площадь, объем. А также различные "прекции". А для многомерных объектов – гиперобъемы. Длину вектора или отрезка и проекции мы определили в предыдущих статьях. Здесь определим площади.
1. Площадь в геометрии
Из школьной геометрии мы знаем, что площадь квадрата со сторонами d равна d ² .
Площадь прямоугольника со сторонами a и b равна ab .
Площадь треугольника со стороной a и высотой h равна ah /2.
Площадь треугольника со сторонами a и b равна a · b · sin ( a , b ).
2. Площадь по координатам вершин или двух определяющих его векторов
А чему равна площадь треугольника, заданного с помощью координат ее вершин или двух известных определяющих его сторон–векторов? Конечно, можно вычислить, применяя геометрический метод. Но есть еще один метод – универсальный, годный при любом расположении ее вершин и сторон–векторов. Попробуем найти эту формулу для двумерного случая.
Задача: найти площадь треугольника OAB .
Решение: ACB )площадь треугольника ОАВ равна площади квадрата OYa CXb = Ya Xb за вычетом окружающих треугольник OAB треугольников
S = S(OYb B) + S(BCA) + S(OAXa ).
Вычислим их:
S(OYb B) = (OYb) *(OXb) = Yb Xb,
S(OXa A) = (OXa )*( Ya ) = Xa Ya,
S(BCA) = (Yb – Ya )*( Xa – Xb ) = Yb Xa – Yb Xb – Ya Xa + Ya Xb.
Сложим ( точнее – вычтем ) их :
После приведения подобных членов имеем:
S = ½(Yb Xa – Ya Xb) = A × B.
Это очень замечательная формула, по которой, зная координаты вектора, можно напрямую вычислить площадь треугольника и четырехугольника, построенных на них. При этом получим скалярную – точнее, псевдоскалярную – величину. Псевдоскалярную – потому что, если поменять местами вектора A и B , то результат поменяет свой знак – можете поверить – а можете проверить.
Но у этой формулы имеется недостаток – она годится только на двумерной плоскости.
3. Площадь в матричном виде
Есть еще одна математическая дисциплина, которая позволяет ее методами вычислить площадь треугольника по значениям двух матриц-векторов. В виде формулы она представляется через представление площади как детерминанта матрицы, составленного из элементов этих векторов, в таком виде:
У этой формулы также имеется недостаток – она годится только на двумерной плоскости.
4. Площадь в тензорном исчислении
Эта замечательная формула записана не в тензорном формате. Но она состоит из тензорных элементов, элементы которой определяются как элементы прямого произведения элементов векторов A и B . Для того, чтобы получить скаляр, в тензорном исчислении необходимо свернуть все индексы тензора. Поэтому в тензорном виде площадь записывается в форме, где ε ᵢ ⱼ – антисиммметричный тензор:
5. Площадь треугольника в трехмерном пространстве
В трехмерном случае обойтись такими простыми формулами будет невозможно – алгоритмы будут немножко сложнее. В трехмерном пространстве два вектора будут иметь уже по три координаты – ( x , y , z ). Здесь можно выделить основных метода.
Первый метод – используя двухмерные параметры треугольника – находим соответствующие параметры треугольника (длины сторон, углы, координаты точек A и B в плоскости, где находится треугольник) и применяем любые из выше показанных методов (есть, конечно, и другие методы).
Второй метод – используя непосредственно трехмерные параметры треугольника.
6. Через проекции площадей на координатные плоскости
Например, так. Первой операцией будет нахождение площадей получающегося треугольника в координатных плоскостях S(yz), S(zx) и S(xy). Это можно сделать любым из показанных выше методов. В результате получим проекции площадей треугольника на соответствующие координатные плоскости. Причем три проекции {S(yz), S(zx), S(xy)} составлять координаты некоторого вектора [S(yz), S(zx), S(xy)]. Точнее, опять – псевдовектора или по другому – аксиального вектора . Псевдовектор меняет свой знак при преобразовании отражения осей координат.
А общая площадь получится как длина этого вектора. А длину вектора проходили ранее .
7. Использованием операции векторного произведения векторной алгебры
Есть такая математическая дисциплина, которая называется векторной алгеброй , в которой определена операция 3-мерного векторного умножения, результат которой есть именно определенный только что (п.7) вектор:
C ₃ = A × B = [S(yz), S(zx), S(xy)] = ( Az By – Ay Bz , Ax Bz – Az Bx , Ay Bx – Ax By,) .
А общая площадь получится, как писали там же, как длина этого вектора. Как отмечали выше, этот вектор не совсем обычный – а псевдовектор.
8. Площадь с использованием операций свертки тензорного исчисления
Для этого используем формулу площади треугольника через длину сторон и угол между ними: площадь треугольника со сторонами a и b равна a · b · sin ( a , b ). Найдем участвующие в формуле параметры через скалярные произведения. Длины векторов равны | a | и | b |, а также
В результате получили выражение, состоящее только из скалярных произведений участвующих в формуле параметров треугольника – векторов его сторон a и b. Только в формуле опущены индексы.
И эта формула может быть применена в пространстве любой размерности, а не только размерности 2 и 3.
Если статья понравилась - ставьте лайк, делитесь в ваших соцсетях.
И комментируйте!