31
В понсках определения плошади поверхности
Определение плошади поверхности является одной из традиционно сложных тем школьной геометрии. Связано это с отсутствием достагоно простого обшено определения, которое охватывает бы по крайней мере все поверхности, изучаемые в школе: цилиндр, конус и сферу. В заменке рассматривается два подхода к таким определению и обсуждаются трудности, возникшие при этих подходах.
Все ли можно развернуть?
Проще всего определить и вычислить плошади поверхностей цилиндра и конуса — достаточно рассмотреть развертки этих поверхностей (см. «Геометрию 8», п. 127, 128). Однако определение плошади поверхности как плошади ее развертки не годится в качестве обшено определения просто потому, что поверхностей, которые можно было бы «развернуть», слишком мало. Мы обьясим, почему нельзя «развернуть» сферу; аналогичные рассудения применены и ко многим другими поверхностям врашшения.
Давайте точное определение развертки — дело довольно хлопотливое. Ясно, однако, что если бы удалось «развернуть» сферу, то, в частности, мы получили бы отображение какой-то достагоно маленькой «сферической шапочки» на части плоскости (рис. 1), при которомлина любой кривой , лежащей на этой «шапочке», равняясь бы длине соответствующей ей кривой на плоскости. В частности,лина кратчайшей кривой, соединяющей точки и на сфере, должна равнять длине кратчайшей кривой, соединяющей точки и на плоскости, то есть длине отрезка :
Можно доказать, что есть длина меньше из двух других окружностей, проходящей через точки и , определляемых этих точками, однако нам это не потребуется.
Рассмотрим множество точки сферы, для которых «сферическое расстояние» от некоторой фиксированной точки равно фиксированному числу . Очевидно, что если точки получается из точки повтором около диаметра сферы, проходящero через , то . Отсюда легко вывести (выведите!), что множество есть окружность. Ее центр совпадает с основанием перпендикулара, опу-
Рис. 1. Невозможно развертки сферы.
32
Рис. 2. Последовательность ломанных сходящихся к отрезку единчной длины (но не вписанных в него), длина каждой из которых равна .
шенного из любой точки на радиус сферы, проходящий через точку (рис. 1); поэтому радиус этой окружности . С другой стороны, есть длина некоторой кривой, соединяющей и , а отрезок является кратчайшей из таких кривых; поэтому . Следовательно, . При развертке окружности перейдет в множество точек, удаленных от точки на расстояние , то есть в окружность радиуса . Длина окружности равна , а окружности . Это противоречит формулированному выше свойству сохранения длины, и, таким образом, развертка сферы невозможна.
Санор Шварца
Итак, развернуть поверхность, вообще говоря, невозможно; попытаться построить по-другому. Рассмотрим последовательность многогранных поверхностей , «сходящую» к данной поверхности . Допустим, что последовательность их площадей имеет предел ; тогда какется естественный приять число за площадь поверхности . Конечно, при этом нужно проявить осторожность, — ведь даже при определении длины кривой рассматривают не произвольные, а описанные ломанные (они соответствуют многогранным поверхностям), сходящие к кривой, инчае предел их длин будет зависеть от выбора последовательности ломанных (см. рисок 2 и задачу 3). Попробуем найти площадь поверхности цилиндра как предел площадей вписанных в него многогранных поверхностей. Поверхности эти определяим следующим образом.
Впишем в основание цилиндра правильный -угольник; рассмотрим далее такой же -угольник, расположенный над основанием на высоте , где — высота цилиндра, — фиксированное натуральное число, и повернуть относительно первого -угольника на угол .
Продолжая такое построение, получим точек — вершин -угольников: соединним эти вершины ребрами, как показано на рисунке 3. В итоге образуется вписанная в цилиндр многогранная поверхность , имеющая конгруэнтных треугольных граней. Задавая различные по-
*) Именно такой подход применяется в старом учебнике геометрии А. П. Киселева при определении площадей поверхности цилиндра и конуса.
Рис. 3. «Санор Шварца» (П (6, 4)).