Свойства меры Жордана.
Площадь фигуры (плоская мера Жордана).
Фиксируем на плоскости прямоугольную декартову систему координат . Разобьём плоскость на квадраты прямыми линиями . Назовём их квадратами ранга 0. Площадь каждого квадрата равна .
Разбивая стороны квадратов ранга 0 на 10 равных частей, получим разбиение плоскости на квадраты ранга 1, площади и т.д. Площадь каждого квадрата ранга равна .
Пусть − ограниченное множество на плоскости. Обозначим , где − число квадратов ранга , принадлежащих множеству . Обозначим , где − число квадратов ранга , пересекающихся с множеством .
Ясно, что .
Определение 1.Величина называется внутренней меройЖордана множества . Величина называется внешней меройЖордана множества .
Определение 2.Множество измеримо по Жордану, если . В этом случае число называется просто меройЖордана или площадью множества .
- Неотрицательность .
- Аддитивность .
- Монотонность (а также и ) по включению.
- Инвариантность относительно сдвигов, поворотов и симметрий.
Следствие.Мера не зависит от выбора ортонормированного базиса .
Упражнение.Прямоугольник − измеримое множество, при этом .
Теорема.Пусть и пусть . В таком случае криволинейная трапеция − измеримое множество и площадь этого множества равна .
Доказательство.В доказываемой формуле ничего не изменится, если добавить к обеим функциям произвольную константу. Поэтому при доказательстве можно считать, что . Далее, ввиду аддитивности меры Жордана достаточно найти площадь фигуры .
Рассмотрим разбиение отрезка и связанные с ним ступенчатые фигуры , отличающиеся тем, что на частичном промежутке в первом случае заменяется , во втором − . Ввиду свойства монотонности имеем
.
С другой стороны, . Критерий интегрируемости показывает, что и что . Ч. и т.д.
Определение.Область на плоскости называется простой в заданном направлении, если её пересечение с каждой прямой данного направления представляет собой отрезок, точку либо пустое множество.
Теорема 2.Пусть − область плоскости , простая по обоим координатным направлениям, граница которой − гладкая замкнутая кривая, заданная параметрическими уравнениями:
.
Если при увеличении точка обходит границу области против движения часовой стрелки, то площадь области равна
.
Доказательство.Продолжим периодически с периодом . Можно считать, что − крайние значения функции . Теперь первая из формул следует из теоремы 1 с помощью замены переменной интегрирования. Нужно только воспользоваться свойством аддитивности меры. Вторая формула выводится точно так же, а третья − следует из первых двух.
Теорема 3.Если фигура ограниченна лучами , и кривой с уравнением в полярных координатах , где , то её площадь равна
.
Доказательство.Рассмотрим разбиение отрезка и заменим множество фигурами , состоящими не из прямоугольников, как в теореме 1, а из круговых секторов и . Так как площадь сектора радиуса с центральным углом равна , то, рассуждая, как при доказательстве теоремы 1, получим .