Dit artikel gaat over de maat van een tweedimensionale figuur; zie oppervlak voor andere betekenissen.
De oppervlakte van een vlakke meetkundige figuur, of algemener van een tweedimensionaal meetkundig object, is een maat voor de grootte ervan.
De SI-eenheid van oppervlakte is de vierkante meter: m², afgeleid van de basiseenheid meter. Voor algemene toepassingen in de Europese Unie is de vierkante meter, samen met zijn decimale onderdelen en veelvouden zoals cm² en km², de enige oppervlaktemaat. In gespecialiseerde toepassingen bestaan uitzonderingen:
In historische documenten uit de Nederlanden die van voor het metriek stelsel dateren, komen andere landmaten voor zoals de bunder, de dagwand en de roede.
Vlakke meetkunde
Basistechnieken
De oppervlakte van een vlakke figuur wordt gedefinieerd en berekend aan de hand van een aantal elementaire eigenschappen van het begrip oppervlakte, die eventueel kunnen worden opgevat als axioma's:
- De oppervlakte is een isometrische invariant, dat wil zeggen dat een transformatie van het vlak die de onderlinge afstanden van punten bewaart (zoals een rotatie), tevens de oppervlakte van vlakke figuren bewaart.
- De oppervlakte van een rechthoek is het product van de lengte met de breedte. In het bijzonder is de oppervlakte van een punt en die van een lijnstuk gelijk aan 0.
- De oppervlakte van een disjuncte vereniging van vlakke figuren is gelijk aan de som van de oppervlakten van de afzonderlijke delen. Dit laat achtereenvolgens de oppervlakteberekening toe van: (1) een parallellogram, door omvorming tot een rechthoek met dezelfde basis en hoogte; (2) een willekeurige driehoek, als zijnde de helft van een parallellogram; (3) een willekeurige veelhoek, door hem op te delen in driehoeken.
- De regel van de disjuncte vereniging blijft gelden voor een aftelbaar oneindige disjuncte vereniging, waarbij de som van de oppervlakten moet worden opgevat als de som van een reeks.
De laatste regel laat toe de oppervlakte te bepalen van kromlijnige figuren zoals cirkels. De integraalrekening geeft een exacte definitie en een berekeningsmethode voor de oppervlakte van een vlakke figuur die begrensd wordt door de grafiek van een continue functie en een horizontale en twee verticale rechten.
Figuur
|
Kenmerken
|
Oppervlakte
|
vierkant
|
zijde
|
|
rechthoek
|
lengte en breedte
|
|
rechthoekige driehoek
|
rechthoekszijden en
|
|
driehoek
|
basis hoogte
|
|
driehoek
|
zijden en halve omtrek
|
(formule van Heron)
|
driehoek
|
zijden en tussenliggende hoek
|
|
trapezium
|
evenwijdige zijden en hoogte
|
|
ruit
|
diagonalen en
|
|
parallellogram
|
basis hoogte
|
|
parallellogram
|
zijden en tussenliggende hoek [1]
|
|
regelmatige -hoek
|
zijde
|
|
regelmatige zeshoek
|
zijde
|
|
cirkel
|
straal
|
|
ellips
|
halve lange as halve korte as
|
|
In sommige toepassingen is het nuttig met negatieve oppervlaktes te rekenen als de omtrek van een figuur in een andere zin wordt doorlopen (conventioneel geeft tegenwijzerzin een positieve oppervlakte). We spreken dan in het algemeen van georiënteerde oppervlakte.
De schoenveterformule is een eenvoudige regel voor de oppervlakte van een willekeurige veelhoek in termen van de coördinaten van de hoekpunten
Ze kan worden bewezen door op te merken dat de georiënteerde oppervlakte is van de driehoek gevormd door de oorsprong en de punten en
Zwaartepunt
Zie Zwaartepunt voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
Het zwaartepunt van een vlakke figuur heeft de eigenschap dat elke rechte erdoorheen, de figuur in twee delen van gelijke oppervlakte snijdt. De zwaartelijnen van een driehoek vormen hiervan een voorbeeld.
Isoperimetrische ongelijkheid
De oppervlakte van een cirkel is gelijk aan het kwadraat van zijn omtrek gedeeld door :
De isoperimetrische ongelijkheid stelt dat deze verhouding optimaal is, in die zin dat voor eender welke andere vlakke figuur het isoperimetrisch quotiënt
niet groter is dan 1, en dat het alleen bij de cirkel precies gelijk is aan 1.
Voorbeeld
Bij een vierkant met zijde bedraagt de omtrek en de oppervlakte , dus
Oppervlakte binnen een gesloten vlakke kromme
Als een stuksgewijs differentieerbare gesloten vlakke kromme is zonder zelfdoorsnijdingen en met het inwendige aan de linkerkant, dan volgt uit de stelling van Green een formule voor de oppervlakte van het inwendige:
Voorbeeld
De cirkel met straal kan worden geparametriseerd als
Uit de eerste gelijkheid van de oppervlakteformule hierboven volgt dan
Maattheorie
Zie Maattheorie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
De maattheorie definieert het begrip oppervlakte aan de hand van een abstracte maat. In de axioma's van een maat zit een regel vervat voor de disjuncte unie van een aftelbare collectie meetbare verzamelingen. Voor vlakke tweedimensionale figuren hanteert men de lebesgue-maat op .
Voor gekromde oppervlakken bestaat enerzijds het volumebegrip uit de differentiaalmeetkunde, anderzijds de haar-maat uit de theorie der lokaal compacte groepen. Zo kunnen oppervlaktes worden toegekend aan een grote klasse van deelverzamelingen van willekeurige tweedimensionale gekromde ruimten, waaronder alle compacte deelverzamelingen.
Ruimtemeetkunde
Voor figuren die zijn samengesteld uit tweedimensionale deelruimten van de driedimensionale ruimte, blijven de basisregels (isometrisch invariant, reekssom van disjuncte unie) geldig. Als een figuur uitsluitend rechte zijvlakken heeft, is er niets nieuws; zo is de oppervlakte van een kubus gewoon 6 keer de oppervlakte van een van de 6 identieke vierkanten die hem begrenzen.
Een gesloten cilinder wordt begrensd door twee vlakke cirkels en een gekromde rechthoek. De oppervlakte van de rechthoek is de hoogte van de cilinder vermenigvuldigd met zijn omtrek.
Figuur
|
Kenmerken
|
Oppervlakte
|
bol
|
straal
|
|
bolsegment
|
bolstraal , hoogte
|
|
bolkap
|
bolstraal , halve openingshoek
|
|
cilinder (open)
|
straal , hoogte
|
|
cilinder (onder- en bovenzijde afgesloten)
|
straal , hoogte
|
|
cilinder (algemeen grondvlak, open)
|
omtrek grondvlak , hoogte
|
|
kegel (open)
|
straal , hoogte
|
|
kegel (gesloten)
|
straal , hoogte
|
|
Voor de oppervlakte van een ellipsoïde met halve assen en bestaat geen formule die alleen elementaire functies gebruikt. Met behulp van elliptische integralen kan wel een gesloten formule worden opgeschreven. De oppervlakte van een sferoïde (een omwentelingsellipsoïde, dus met ) heeft daarentegen wel een elementaire gesloten vorm.
Ruimtehoek
Zie Ruimtehoek voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
Een ruimtehoek wordt begrensd door een regeloppervlak bestaande uit stralen die door één punt gaan (onregelmatige kegel). De grootte van een ruimtehoek is de oppervlakte die de ruimtehoek uitsnijdt van een bol met straal 1 rond de top van de kegel. Ruimtehoeken worden standaard uitgedrukt in steradialen. De volledige bol bepaalt een ruimtehoek van sr.
Omwentelingsintegraal
Een omwentelingslichaam ontstaat door de grafiek van een continue functie (op een begrensd reëel interval ) te roteren rond de -as. Als het voorschrift van de functie is, en de functie is continu differentieerbaar, dan bedraagt de oppervlakte van (de ronde zijkant van) het omwentelingslichaam:
waar de afgeleide is van de functie
Voorbeeld
De bol met straal kan worden opgevat als het omwentelingslichaam voortgebracht door de functie
De afgeleide bedraagt
De oppervlakte is dus
Algemeen gekromd oppervlak
Als een deel van een gekromd oppervlak in de driedimensionale ruimte bepaald wordt door de grafiek van een continu differentieerbare functie
dan wordt de oppervlakte van die grafiek gegeven door de integraalformule
Voorbeeld
We berekenen de oppervlakte van het ronde zadel (hyperbolische paraboloïde) dat de grafiek vormt van de functie
op de eenheidsschijf
De partiële afgeleiden van zijn
Dit geeft voor de oppervlakte volgens bovenstaande algemene formule
Overgang op poolcoördinaten herleidt dit tot
Minimaaloppervlak
Een minimaaloppervlak in de driedimensionale ruimte is een oppervlak waarvan de gemiddelde kromming overal 0 bedraagt. Dit is gelijkwaardig met de eigenschap dat het oppervlak in de omgeving van elk punt de oppervlakte minimaliseert. Het fysische model van een minimaaloppervlak is een zeepvlies dat wordt opgespannen binnen een gekromde draad: door de oppervlaktespanning van de zeepoplossing zoekt het zeepvlies vanzelf naar de kleinste oppervlakte binnen de draad. Platte vlakken zijn minimaaloppervlakken, maar ook het omwentelingslichaam van een kettinglijn is minimaal.
Bronnen, noten en/of referenties
- ↑ Bij een parallellogram zijn niet-overstaande hoeken supplementair (hun som bedraagt 180°); ze hebben dus dezelfde sinus.