Пло́ща —фізична величина, що визначає розмір поверхні, одна з основних властивостей геометричних фігур, у математиці розглядається як міра множини точок, які займають поверхню або якусь її частину[2]. Історично, обчислення площі називалосяквадратурою. Фігура, що має площу, називається квадрованою. Площу нескладних геометричних фігур визначають, підраховуючи кількість одиничнихквадратів, якими фігури можна покрити. Фігури, що мають однакову площу називаютьрівновеликими.
Загальний метод обчислення площі геометричних фігур надалоінтегральне числення. Узагальненням поняття площі стала теоріяміри множини, яка є придатною для ширшого класу геометричних об'єктів.
Площа у системіSI вимірюється ум² (метрах квадратних). Площу заведено позначати великою латинською літероюS, у англомовній літературі — великою латинською літероюA (відангл.area)[3][4].
дляквадрата зі стороною 1 вона приймається рівною 1.
З даного визначення площі випливає її монотонність, тобто площа частини фігури є меншою від площі всієї фігури.
Спочатку визначення площі було сформульоване длямногокутників, згодом воно було розширене на квадровані фігури. Квадрованою називається така фігура, яку можна вписати у многокутник і у яку можна вписати многокутник, причому площі обох многокутників різняться на довільно малу величину. Такі фігури називають такожвимірними за Жорданом[6]. Для фігур на площині, які не складаються з цілої кількості одиничних квадратів, а також для тривимірних поверхонь, площа визначається за допомогоюграничного переходу.
Протягом багатьох років площа вважалася первинним поняттям, яке не вимагає визначення. Основним завданням математиків було обчислення площі, при цьому їм були відомі основні її властивості[5]. УСтародавньому Єгипті використовувались точні правила обчислення площі прямокутників, прямокутних трикутників і трапецій, площа довільного чотирикутника визначалась приблизно як добуток півсум пар протилежних сторін. Застосування такої наближеної формули пов'язане з тим, що ділянки, площу яких треба було визначити, були в основному близькими до прямокутних іпохибка у такому випадку залишалась невеликою. Історик математикиА. П. Юшкевич припускає, що єгиптяни могли і не знати, що користуються наближеною формулою. У задачі 50папірусу Рінда використовується формула обчислення площі круга, яка вважалась рівною площі квадрата зі стороною, рівною 8/9 діаметра круга[7]. Такими ж формулами користувались і уВавилоні, однак для площі круга наближення було менш точним. Крім того, вавилоняни могли наближено обчислити площіправильних п'яти-, шести- і семикутника зі стороною рівною одиниці. Ушістдесятковій системі їм відповідали1,40,2,37,20 і3,41, відповідно[8].
Основним прийомом обчислення площі при цьому була побудова квадрата, площа якого дорівнює площі заданої багатокутної фігурі, зокрема у книзі I«Начал»Евкліда, що присвячена планіметрії прямолінійних фігур, доводиться, що трикутник є рівновеликим половині прямокутника, що має з ним одинакові основи і висоту[9]. Метод розкладання, що ґрунтувався на тому, що дві рівноскладені фігури є рівновеликими, дозволяв також обчислити площі паралелограмів й довільних многокутників[10].
Наступним кроком було обчислення площ круга, кругового сектора, лунок та інших фігур. Основу обчислень при цьому становивметод вичерпування многокутниками[6][10], з якого бере початоктеорія границь. Метод полягає у побудові послідовності площ, які при поступовому нарощуванні «вичерпують» площу, що розглядається. Метод вичерпування, який отримав свою назву лише у XVII столітті, ґрунтується нааксіомі неперервності Евдокса — Архімеда, авторство якої приписуєтьсяЕвдоксу Кнідському, котрий за її допомогою показав, що площі кругів відносяться одна до одної як квадрати їх діаметрів. Метод описаний у «Началах» Евкліда:аксіома Евдокса сформульована у книзі V, а сам метод вичерпування і відношення, що ґрунтуються на ньому — у книзі XII[9]. Більшої досконалості у застосуванні методу досягнувАрхімед, котрий за його допомогою вирахував площу сегмента параболи та площу поверхні сфери[11][12]. Праця Архімеда «Про спіралі» містить багато тверджень, що стосуються площ різних витків спіралі та їх співвідношень[13]. Архімеду належить ідея використання площ або об'ємів як вписаних, так і описаних фігур для визначення величини заданої площі чи об'єму[14].
У Стародавній Індії на початках користувались тією ж формулою для обчислення площ чотирикутників, що й єгиптяни та греки.Брамагупта використовувавформулу для обчислення площі чотирикутників, виражену через їх півпериметр, що давала вірне значення для вписаного у коло чотирикутника. Формули обчислення площі зазвичай не доводились, але демонструвались з наочними рисунками[15]. Формула Брамагупти є аналогомформули Герона для площі трикутника, яку той навів у своїй «Метриці»[16].
Розвиток та узагальнення методу вичерпування відбулися лише у XVII столітті. У 1604 році у праці «Три книги про центр тяжіння тіл»Лука Валеріо (італ.Luca Valerio 1552—1618) широко використовує теорему, за якою різниця між площами вписаної і описаної фігур, складених з паралелограмів можна зробити меншою від будь-якої заданої площі[17]. Справжній прорив було зробленоЙ. Кеплером, якому для астрономічних розрахунків потрібно було вміти обчислювати площу еліпса. Кеплер розглядав площу як «суму ліній» і, розліновуючи еліпс з кроком у один градус, показав[18], що.Б. Кавальєрі, обґрунтовуючи схожий метод, названий«методом неподільних», порівнював площі плоских фігур, використовуючи перетин фігур паралельними прямими[19]. Застосуванняпервісної для знаходження площі плоскої фігури є найуніверсальнішим методом. За допомогою первісної доводитьсяпринцип Кавальєрі, за яким дві плоскі фігури мають однакову площу, якщо при перетині кожної з них прямою, паралельною до фіксованої, отримуються відрізки однакової довжини. Принцип був відомий задовго до формування інтегрального числення[6][10].
Обчисленням площ кривих поверхонь займався Архімед, визначивши, зокрема, площу поверхні кулі[14]. У загальному випадку для визначення площі поверхні неможливо скористатися а ні розгорткою (не підходить для сфери), а ні наближенням багатогранними поверхнями (аналогом методу вичерпування). Останнє продемонструвавГ. Шварц, побудувавши для бічної поверхні циліндра послідовності, які приводять до різних результатів (так званий«чобіт Шварца»)[6][20].
Загальний прийом обчислення площі поверхні на рубежі XIX—XX століть запропонувавГ. Мінковський, який для кожної поверхні будував «огортальний шар» малої сталої товщини, тоді площа поверхні буде приблизно рівною об'єму цього шару, поділеному на його товщину. Граничне значення цього відношення при товщині шару, що прямує до нуля дає точне значення площі. Однак, для площі за Мінковським не завжди виконується властивість адитивності. Узагальнення даного визначення приводить до поняття лінії за Мінковським[21].
Аналітична геометрія дозволяє розв'язувати геометричні задачі алгебраїчними методами, оперуючи такими поняттями яксистема координат,вектор тощо.Площина в тривимірному просторі має дві поверхні. Площі цих двох поверхонь позначаються із протилежними знаками. Оскільки орієнтація поверхні задається вектором нормалі до неї, то площу теж визначають як вектор, колінеарний нормалі до поверхні.
Наприклад, для паралелограма, побудованого на векторах та площа визначається яквекторний добуток:
.
При зміні порядку множників у цій формулі, міняє знак, що відповідає нормалям до двох різних боків поверхні. Як добуток двох векторів єпсевдовектором — при зміні напрямку кожного із векторів та на протилежний, напрямку не міняє.
Площу між двома графіками можна знайти як різницю інтегралів відповідних функцій
Математичний аналіз надає широкі можливості для обчислення площ криволінійних фігур. Поняттяінтеграла, яке має широке застосування і в інших галузях, має просту інтерпретацію, як площа криволінійної фігури обмеженої підінтегральною функцією, віссю абсцис і двома прямими, паралельними осі ординат:
.
Оскільки функція може мати як додатні, так і від'ємні значення на інтервалі [a, b], то інтеграл теж може бути додатнім або від'ємним. Для того, щоб отримати площу фігури в її геометричному сенсі потрібно інтегрувати абсолютну величину функції:
.
Виходячи з цього означення, площу між двомаграфіками функцій можна знайти якінтегралів однієї функції,f(x),мінус інтеграл іншої функції,g(x).
.
Площу криволінійної фігури, обмеженої функцією, вираженою вполярних координатах, знаходять за формулою
— координати вершин многокутника за порядком їх обходу, замикаючи останню з першою:; при наявності отворів напрям їх обходу — протилежний до напряму обходу зовнішньої границі многокутника
Прилад, що слугує для простого механічного визначення площ (інтегрування) плоских замкнутих контурів носить назвупланіметр.
Найбільше використовувалась одна з можливих реалізацій даного приладу — планіметр Амслера-Кораді, фактично є частковим випадкоманалогового обчислювального пристрою. Основними частинами найпоширенішого планіметра є обвідний важіль з штифтом, який обводить контур фігури і лічильний механізм, що, фіксуючи переміщення штифта, вказує шукану величину площі[23].
Борисенко О. А. Диференціальна геометрія і топологія: Навч. посібник для студ. — Харків : Основа, 1995. — 304 с. —ISBN 5-7768-0388-8.
Геометрия // Энциклопедия элементарной математики / Под редакциейП. С. Александрова, А. И. Маркушевича и А. Я. Хинчина. — М. : Наука, 1966. — Т. 5. — 624 с.(рос.)
Обчислення площ плоских фігур // Вища математика в прикладах і задачах / Клепко В.Ю., Голець В.Л.. — 2-ге видання. —К. : Центр учбової літератури, 2009. — С. 425. — 594 с.